真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

林家輝 李曉瓊 章學(xué)來 楊俊玲 趙丹丹 彭躍蓮 張振濤

(1 上海海事大學(xué)商船學(xué)院 上海 201306；2 中國輕工業(yè)食品藥品保質(zhì)加工儲運(yùn)裝備與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190;3 河北科技大學(xué)食品與生物學(xué)院 石家莊 050018；4 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124)

過熱蒸汽干燥技術(shù)有近百年的歷史，在逆轉(zhuǎn)溫度以上，干燥速率快，廢熱便于回收利用，凈能耗小[1]，國際干燥會議主席A.S.Mujumdar[2]稱其為一種未來的干燥技術(shù)。常壓下過熱蒸汽干燥溫度過高、不能干燥熱敏性物料，低壓過熱蒸汽干燥不僅能保留過熱蒸汽干燥的優(yōu)點(diǎn)，而且干燥溫度低、干燥質(zhì)量好[3]，但由于低壓過熱蒸汽的過熱度調(diào)控困難、能耗高等原因，相關(guān)研究較少。由于熱泵具有高效節(jié)能等特點(diǎn)，常用作過熱蒸汽干燥系統(tǒng)中的熱源,溫區(qū)135～215 ℃的過熱蒸汽熱泵干燥系統(tǒng)，比能耗最低可達(dá)約850 kJ/kg[4]。在常規(guī)熱泵干燥系統(tǒng)中添加真空泵和溫度隔板等即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低壓運(yùn)行，通過閃蒸現(xiàn)象將進(jìn)入箱體的水變?yōu)樗魵鈁5]。

膜蒸餾(membrane distillation，MD)技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，是與傳統(tǒng)低溫蒸發(fā)工藝相結(jié)合的一種新型膜分離過程，工業(yè)上常使用海水余熱或用工業(yè)廢熱加熱海水進(jìn)行膜蒸餾海水淡化，具有成本低、設(shè)備簡單、操作容易、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，一般根據(jù)冷凝液在透過側(cè)蒸汽的收集方式不同，將膜蒸餾工藝分為4類：直接接觸式、氣隙式、氣掃式和真空式[6]。真空膜蒸餾(vacuum membrane distillation，VMD)本來用于液體分離，但由于兩側(cè)分別需要熱量和冷量導(dǎo)致熱效率低，常將熱泵與膜蒸餾耦合實(shí)現(xiàn)能量回收。由于過程中會產(chǎn)生一定的過熱蒸汽，Zhang Yonggang等[7]提出不在外部冷凝，進(jìn)行一定的調(diào)控后將其作為低壓過熱蒸汽干燥的介質(zhì)，真空泵在物料側(cè)抽吸，透過膜的過熱蒸汽加熱物料，并帶走汽化的水蒸氣，命名為真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥。干燥過程中膜僅起到產(chǎn)生過熱蒸汽的作用，與現(xiàn)有物料與膜直接接觸的技術(shù)不同[8]，物料干燥的過程本質(zhì)上是過熱蒸汽干燥。本文對真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選取鮮辣椒籽作為對象進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，以期為真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥除濕干燥技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與主要參數(shù)確定

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

真空膜蒸餾-過熱蒸汽系統(tǒng)干燥工藝如圖1所示。設(shè)備主要由VMD中空纖維膜組件、干燥器、真空泵、蒸汽發(fā)生器、輔助部件及控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)可由VMD中空纖維組件劃分為常壓側(cè)和真空側(cè)。

常壓側(cè)提供系統(tǒng)工質(zhì)和主要熱源，運(yùn)行時冷凝水罐中的工質(zhì)由進(jìn)水泵打入板式換熱器，蒸汽發(fā)生器的蒸汽作為系統(tǒng)熱源，工質(zhì)經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入真空膜組件的料液進(jìn)口側(cè)，再由料液出口側(cè)排出，返回冷凝水罐進(jìn)行下一個循環(huán)。

真空側(cè)為物料干燥側(cè)，運(yùn)行時先開啟干燥器中的預(yù)熱器加熱干燥器壁面，減少壁面上過熱蒸汽的冷凝滯留，隨后開啟真空泵使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定真空度，系統(tǒng)壓力降低過程中預(yù)熱的工質(zhì)由真空膜組件真空側(cè)逐漸進(jìn)入過熱蒸汽干燥系統(tǒng)，經(jīng)溫度調(diào)控閥和加熱器的選擇性加熱后進(jìn)入干燥箱干燥待干物料，干燥后的乏汽由真空泵排入回水罐，經(jīng)由冷水機(jī)組降溫后可以排入冷凝水罐作為系統(tǒng)儲備用水。

1冷凝水罐；2過濾器；3電子調(diào)節(jié)閥；4進(jìn)水泵；5板式換熱器；6蒸汽發(fā)生器；7真空膜組件；8溫度調(diào)控閥；9管道加熱器；10預(yù)熱器；11干燥器；12真空泵；13回水罐；14冷水機(jī)組。圖1 真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥系統(tǒng)Fig.1 The vacuum membrane distillation-superheated steam drying system

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

選定辣椒籽作為示范干燥目標(biāo)，辣椒籽平均直徑dp=4.5 mm，密度ρp=840 kg/m3，辣椒籽干燥前濕基含水率X1=37.5%，比熱容c=0.55～0.59 J/(kg·K)，進(jìn)料量為0.4 kg/h，對干燥所需熱量進(jìn)行衡算：

蒸發(fā)濕分所消耗的熱量Q1:

Q1=W(H2-H0)

(1)

加熱物料消耗的熱量Q2:

Q2=Gc(θ2-θ1)

(2)

設(shè)備散熱損失Q3:

Q3=0.15(Q2+Q1)

(3)

熱消耗量Q:

Q=Q1+Q2+Q3=1.15(Q2+Q1)

(4)

所需過熱蒸汽質(zhì)量V：

(5)

VMD中空纖維膜組件(參數(shù)見表1)具有跨膜導(dǎo)熱損失小、熱效率較高、膜通量大的優(yōu)勢，系統(tǒng)運(yùn)行時透過膜的水蒸氣溫度不會超過熱水的溫度，所以能夠?qū)崿F(xiàn)低恒溫干燥。膜僅起到產(chǎn)生過熱蒸汽的作用，物料與膜不直接接觸，不會對膜造成物理損傷，使用壽命相應(yīng)延長。

表1 真空中空纖維膜組件參數(shù)Tab.1 The parameter of vacuum hollow fiber membrane module

2 系統(tǒng)性能及干燥效果分析

2.1 蒸汽流量隨膜面溫度的變化

系統(tǒng)真空側(cè)的工質(zhì)均由真空中空纖維膜組件產(chǎn)出，因此運(yùn)行時的蒸汽流量可近似由膜組件的膜通量表示。在維持真空膜組件的進(jìn)料流量為1 m3/h，真空側(cè)絕對壓力為10 kPa時蒸汽流量隨膜面溫度的變化如圖2所示。

圖2 蒸汽流量隨膜面溫度的變化Fig.2 Variation of steam flow rate with temperature

蒸汽流量隨料液進(jìn)口溫度的增加呈非線性增長，使用Boltamann擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明蒸汽流量約在53 ℃開始增加，速度逐漸加快，實(shí)驗(yàn)條件下在70 ℃達(dá)到41 m3/h。膜通量指單位時間內(nèi)通過單位膜面積上的流體量，即膜組件的傳質(zhì)效率，對于真空膜蒸餾來說，膜組件的膜通量可由式(6)得出[9]：

N=(C1+C2)(pvapor-pvacuum)/ρ

(6)

由于干燥側(cè)抽真空，膜孔內(nèi)可以視為只有水蒸氣且非常稀薄，分子之間的碰撞造成的阻力可忽略不計(jì)，水蒸氣傳質(zhì)的驅(qū)動力為進(jìn)料側(cè)飽和蒸汽壓與透過側(cè)絕對壓強(qiáng)之間的跨膜壓差[10]。由于水的飽和蒸汽壓隨溫度升高呈指數(shù)倍增加，所以膜兩側(cè)蒸汽壓差隨料液進(jìn)口溫度的升高而增大，膜通量也相應(yīng)增加，但外界的熱損耗也隨之增大，膜通量的增速逐漸減小。

2.2 熱效率隨進(jìn)料溫度的變化

系統(tǒng)的主要熱源為膜組件中的工質(zhì)，因此真空膜蒸餾-過熱蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行能耗的傳熱性能指標(biāo)可以通過膜蒸餾組件的熱效率來體現(xiàn)。膜組件的熱效率可以表示為水分汽化需要的汽化潛熱與消耗總熱量的比值，膜蒸餾過程中消耗的總熱量包括料液的跨膜導(dǎo)熱量(無效熱負(fù)荷)和水分的汽化潛熱中水分汽化潛熱(有效熱負(fù)荷)[11]。真空膜組件的熱效率隨進(jìn)料溫度的變化如圖3所示。

圖3 熱效率隨進(jìn)料溫度的變化Fig.3 Variation of efficiency with feed temperature

膜組件的熱效率隨溫度升高而增加，由于外界環(huán)境等熱耗散因素影響，高溫后熱效率增速逐漸放緩，但整體趨勢仍繼續(xù)升高，在70 ℃時高達(dá)90.6%。膜組件的熱效率[12]可由下式推導(dǎo)：

料液中水分的汽化潛熱(有效熱負(fù)荷)Qm1：

Qm1=JΔHvA

(7)

跨膜導(dǎo)熱量(無效熱負(fù)荷)Qm2：

(8)

膜組件熱效率η：

(9)

膜蒸餾過程的傳熱推動力是膜冷、熱側(cè)的溫度差，雖然干燥時膜冷、熱側(cè)溫度均升高，但由于水的蒸發(fā)焓隨溫度的升高呈指數(shù)倍增加，水分的汽化潛熱增速遠(yuǎn)大于跨膜導(dǎo)熱量[13]，有效熱負(fù)荷的增速大于無效熱負(fù)荷，因此膜組件的熱效率隨溫度升高而增加，且增速逐漸加快。

2.3 不同溫度下的干燥速率及品質(zhì)

辣椒籽是一種高附加值的熱敏性物料，B.Kozanoglu等[14-16]在絕對壓力40 kPa、工質(zhì)101 ℃等高溫低壓工況下，研究了辣椒籽過熱蒸汽干燥特性，發(fā)現(xiàn)較高的溫度和較低的壓力能有效提高干燥速率并降低能耗，但并未對辣椒籽的發(fā)芽率干燥品質(zhì)進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)的干燥物料采用新鮮的湘辣1128朝天椒，干燥前物料在陰涼通風(fēng)處存儲，實(shí)驗(yàn)時手工取籽。為了減少真空干燥箱內(nèi)蒸汽冷凝現(xiàn)象，待干燥箱預(yù)熱至40 ℃時開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時維持系統(tǒng)的進(jìn)料流量為2 m3/h，干燥箱的絕對壓力為10 kPa，維持過熱蒸汽的溫度穩(wěn)定開展實(shí)驗(yàn)，每隔30 min測量一次含水率，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在絕對壓力10 kPa，分別在過熱度4、9、14 ℃(即干燥工質(zhì)50、55、60 ℃)下進(jìn)行湘辣1128朝天椒辣椒籽的干燥實(shí)驗(yàn)，干燥速率曲線如圖4所示。

圖4 不同過熱度下辣椒籽含水率隨時間的變化Fig.4 Variation of moisture content of pepper seeds with time under different superheat conditions

由于辣椒籽初始溫度為室溫(14 ℃)，表面有一定水分，且10 kPa過熱蒸汽的焓值較低，60 ℃時僅比飽和蒸汽的焓值2 583.9 kJ/kg高約27.3 kJ/kg，由圖4可知，1.5 h前的辣椒籽含水率下降速度差距較小，初始干燥階段的主要干燥動力為低壓過熱蒸汽的吹掃作用。此后干燥時間受溫度的影響較大，干燥溫度越高所需的干燥時間越短，溫度每升高5 ℃，干燥時間減少約1 h。

干燥開始時由于新鮮辣椒籽表層水分較多，干燥速率很快；待表面水分干燥完后干燥速率開始下降，由于濕物料內(nèi)的水分在過熱蒸汽中幾乎沒有傳質(zhì)阻力，表面不易形成硬殼，有利于水分快速遷移出來。物料干燥速率可由式(10)計(jì)算(忽略顯熱，其他傳熱方式和熱損)[17]：

(10)

將干燥后的種子中隨機(jī)數(shù)取試樣約100粒，每樣取5組，采取毛巾卷發(fā)法后加權(quán)計(jì)算所得干燥辣椒籽發(fā)芽率如圖5所示。在相同干燥介質(zhì)溫度下，真空膜干燥的發(fā)芽率略高于熱風(fēng)干燥。雖然在60 ℃時兩種干燥方式的辣椒籽均失去了發(fā)芽活力，但在50 ℃和55 ℃時，辣椒籽的發(fā)芽率分別達(dá)到了98.72%和93.11%，相比相同溫度下熱風(fēng)干燥的發(fā)芽率分別提升了3.47%和1.79%，在干燥品質(zhì)方面，真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥適用于辣椒籽干燥。

圖5 不同溫度下真空膜干燥與熱風(fēng)干燥辣椒籽的發(fā)芽率Fig.5 Germination rate of pepper seeds in vacuum film drying and hot air drying at different temperatures

3 結(jié)論

1)在真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥系統(tǒng)中真空纖維膜組件具有較好的傳熱傳質(zhì)性能，在70 ℃時達(dá)到41 m3/h的膜通量和90.6%的熱效率，系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)性能整體變化趨勢與膜組件一致，進(jìn)料溫度升高后系統(tǒng)的蒸汽流量和熱效率均持續(xù)增加；變化速率則略有不同，蒸汽流量隨溫度上升且增長速度加快，而熱效率的增長速度則減慢。

2)在相同干燥介質(zhì)溫度下，真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥發(fā)芽率高于熱風(fēng)干燥，在過熱蒸汽50 ℃時，干燥辣椒籽發(fā)芽率高達(dá)98.72%，提升了3.47%，表明新型干燥方式可滿足種子的低溫干燥工藝需求，且真空膜組件對料液的品質(zhì)要求較低，可以在廢水余熱回收開展進(jìn)一步研究。

3)實(shí)驗(yàn)時使用的工質(zhì)為自來水，進(jìn)入系統(tǒng)的初始溫度為14 ℃，此時空氣在水中溶解度為20.97 mL/1 000 mL，而真空膜組件不能過濾氣體分子，運(yùn)行時大量不凝性氣體進(jìn)入系統(tǒng)真空側(cè)，因此實(shí)驗(yàn)測得的膜通量偏高、熱效率偏低，干燥速率也相應(yīng)偏低，如果對水進(jìn)行脫氣處理，可以進(jìn)一步提高物料的干燥速率。

符號說明

G——干料產(chǎn)量,kg/h

W——濕分蒸發(fā)量,kg/h

H0——辣椒籽初始溫度時液體焓，kJ/kg

H2——干燥器出口過熱蒸汽的焓，kJ/kg

θ1——干燥物料的進(jìn)口溫度，℃

θ2——干燥物料的出口溫度，℃

H1——干燥器進(jìn)口過熱蒸汽的焓，kJ/kg

N——膜通量，m3/h

C1——努森擴(kuò)散系數(shù)，s/m

C2——黏性流系數(shù)，s/m

pvapor——當(dāng)前溫度水的飽和蒸汽壓，Pa

pvacuum——膜組件真空側(cè)壓強(qiáng)，Pa

J——跨膜蒸汽量，g/(m2·s)

ΔHv——水的蒸發(fā)焓，J/g

A——膜內(nèi)面積，m2

km——膜的平均熱導(dǎo)率，g/(m2·s)

δ——膜壁厚度，m

Tfm——膜熱側(cè)表面溫度，℃

Tpm——膜冷側(cè)表面溫度，℃

M——干燥速率，kg/(m2·h)

h——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Tm——過熱蒸汽的溫度，K

Ts——干燥物料的表面溫度，K

Qm1——有效熱負(fù)荷，W

Qm2——無效熱負(fù)荷，W

η——熱效率

Q1——蒸發(fā)濕分所消耗的熱量，W

Q2——加熱物料消耗的熱量，W

Q3——設(shè)備散熱損失，W

Q——熱消耗量，W

V——所需過熱蒸汽質(zhì)量流量，kg/h