真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥系統設計與實驗

林家輝 李曉瓊 章學來 楊俊玲 趙丹丹 彭躍蓮 張振濤

(1 上海海事大學商船學院 上海 201306；2 中國輕工業食品藥品保質加工儲運裝備與節能技術重點實驗室 中國科學院理化技術研究所 北京 100190;3 河北科技大學食品與生物學院 石家莊 050018；4 北京工業大學環境與能源工程學院 北京 100124)

過熱蒸汽干燥技術有近百年的歷史，在逆轉溫度以上，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。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點，而且干燥溫度低、干燥質量好[3]，但由于低壓過熱蒸汽的過熱度調控困難、能耗高等原因，相關研究較少。由于熱泵具有高效節能等特點，常用作過熱蒸汽干燥系統中的熱源,溫區135～215 ℃的過熱蒸汽熱泵干燥系統，比能耗最低可達約850 kJ/kg[4]。在常規熱泵干燥系統中添加真空泵和溫度隔板等即可實現系統的低壓運行，通過閃蒸現象將進入箱體的水變為水蒸氣[5]。

膜蒸餾(membrane distillation，MD)技術起源于20世紀60年代，是與傳統低溫蒸發工藝相結合的一種新型膜分離過程，工業上常使用海水余熱或用工業廢熱加熱海水進行膜蒸餾海水淡化，具有成本低、設備簡單、操作容易、能耗低等優點，一般根據冷凝液在透過側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，但由于兩側分別需要熱量和冷量導致熱效率低，常將熱泵與膜蒸餾耦合實現能量回收。由于過程中會產生一定的過熱蒸汽，Zhang Yonggang等[7]提出不在外部冷凝，進行一定的調控后將其作為低壓過熱蒸汽干燥的介質，真空泵在物料側抽吸，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生過熱蒸汽的作用，與現有物料與膜直接接觸的技術不同[8]，物料干燥的過程本質上是過熱蒸汽干燥。本文對真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥進行系統設計，并選取鮮辣椒籽作為對象進行干燥實驗，以期為真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥除濕干燥技術優化設計提供參考。

1 系統設計與主要參數確定

1.1 系統結構與工作原理

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

常壓側提供系統工質和主要熱源，運行時冷凝水罐中的工質由進水泵打入板式換熱器，蒸汽發生器的蒸汽作為系統熱源，工質經預熱后進入真空膜組件的料液進口側，再由料液出口側排出，返回冷凝水罐進行下一個循環。

真空側為物料干燥側，運行時先開啟干燥器中的預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達到設定真空度，系統壓力降低過程中預熱的工質由真空膜組件真空側逐漸進入過熱蒸汽干燥系統，經溫度調控閥和加熱器的選擇性加熱后進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，經由冷水機組降溫后可以排入冷凝水罐作為系統儲備用水。

1冷凝水罐；2過濾器；3電子調節閥；4進水泵；5板式換熱器；6蒸汽發生器；7真空膜組件；8溫度調控閥；9管道加熱器；10預熱器；11干燥器；12真空泵；13回水罐；14冷水機組。圖1 真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥系統Fig.1 The vacuum membrane distillation-superheated steam drying system

1.2 系統設計與參數確定

選定辣椒籽作為示范干燥目標，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)，進料量為0.4 kg/h，對干燥所需熱量進行衡算：

蒸發濕分所消耗的熱量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)

所需過熱蒸汽質量V：

(5)

VMD中空纖維膜組件(參數見表1)具有跨膜導熱損失小、熱效率較高、膜通量大的優勢，系統運行時透過膜的水蒸氣溫度不會超過熱水的溫度，所以能夠實現低恒溫干燥。膜僅起到產生過熱蒸汽的作用，物料與膜不直接接觸，不會對膜造成物理損傷，使用壽命相應延長。

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

2 系統性能及干燥效果分析

2.1 蒸汽流量隨膜面溫度的變化

系統真空側的工質均由真空中空纖維膜組件產出，因此運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料流量為1 m3/h，真空側絕對壓力為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

蒸汽流量隨料液進口溫度的增加呈非線性增長，使用Boltamann擬合實驗數據，結果表明蒸汽流量約在53 ℃開始增加，速度逐漸加快，實驗條件下在70 ℃達到41 m3/h。膜通量指單位時間內通過單位膜面積上的流體量，即膜組件的傳質效率，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)

由于干燥側抽真空，膜孔內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，水蒸氣傳質的驅動力為進料側飽和蒸汽壓與透過側絕對壓強之間的跨膜壓差[10]。由于水的飽和蒸汽壓隨溫度升高呈指數倍增加，所以膜兩側蒸汽壓差隨料液進口溫度的升高而增大，膜通量也相應增加，但外界的熱損耗也隨之增大，膜通量的增速逐漸減小。

2.2 熱效率隨進料溫度的變化

系統的主要熱源為膜組件中的工質，因此真空膜蒸餾-過熱蒸汽系統運行能耗的傳熱性能指標可以通過膜蒸餾組件的熱效率來體現。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熱量(無效熱負荷)和水分的汽化潛熱中水分汽化潛熱(有效熱負荷)[11]。真空膜組件的熱效率隨進料溫度的變化如圖3所示。

圖3 熱效率隨進料溫度的變化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，但整體趨勢仍繼續升高，在70 ℃時高達90.6%。膜組件的熱效率[12]可由下式推導：

料液中水分的汽化潛熱(有效熱負荷)Qm1：

Qm1=JΔHvA

(7)

跨膜導熱量(無效熱負荷)Qm2：

(8)

膜組件熱效率η：

(9)

膜蒸餾過程的傳熱推動力是膜冷、熱側的溫度差，雖然干燥時膜冷、熱側溫度均升高，但由于水的蒸發焓隨溫度的升高呈指數倍增加，水分的汽化潛熱增速遠大于跨膜導熱量[13]，有效熱負荷的增速大于無效熱負荷，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

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101 ℃等高溫低壓工況下，研究了辣椒籽過熱蒸汽干燥特性，發現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芽率干燥品質進行研究。本實驗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處存儲，實驗時手工取籽。為了減少真空干燥箱內蒸汽冷凝現象，待干燥箱預熱至40 ℃時開始實驗。實驗時維持系統的進料流量為2 m3/h，干燥箱的絕對壓力為10 kPa，維持過熱蒸汽的溫度穩定開展實驗，每隔30 min測量一次含水率，系統壓力穩定在絕對壓力10 kPa，分別在過熱度4、9、14 ℃(即干燥工質50、55、60 ℃)下進行湘辣1128朝天椒辣椒籽的干燥實驗，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，由于濕物料內的水分在過熱蒸汽中幾乎沒有傳質阻力，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數取試樣約100粒，每樣取5組，采取毛巾卷發法后加權計算所得干燥辣椒籽發芽率如圖5所示。在相同干燥介質溫度下，真空膜干燥的發芽率略高于熱風干燥。雖然在60 ℃時兩種干燥方式的辣椒籽均失去了發芽活力，但在50 ℃和55 ℃時，辣椒籽的發芽率分別達到了98.72%和93.11%，相比相同溫度下熱風干燥的發芽率分別提升了3.47%和1.79%，在干燥品質方面，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干燥辣椒籽的發芽率Fig.5 Germination rate of pepper seeds in vacuum film drying and hot air drying at different temperatures

3 結論

1)在真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥系統中真空纖維膜組件具有較好的傳熱傳質性能，在70 ℃時達到41 m3/h的膜通量和90.6%的熱效率，系統的傳熱傳質性能整體變化趨勢與膜組件一致，進料溫度升高后系統的蒸汽流量和熱效率均持續增加；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)在相同干燥介質溫度下，真空膜蒸餾-過熱蒸汽干燥發芽率高于熱風干燥，在過熱蒸汽50 ℃時，干燥辣椒籽發芽率高達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要求較低，可以在廢水余熱回收開展進一步研究。

3)實驗時使用的工質為自來水，進入系統的初始溫度為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，運行時大量不凝性氣體進入系統真空側，因此實驗測得的膜通量偏高、熱效率偏低，干燥速率也相應偏低，如果對水進行脫氣處理，可以進一步提高物料的干燥速率。

符號說明

G——干料產量,kg/h

W——濕分蒸發量,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——干燥物料的進口溫度，℃

θ2——干燥物料的出口溫度，℃

H1——干燥器進口過熱蒸汽的焓，kJ/kg

N——膜通量，m3/h

C1——努森擴散系數，s/m

C2——黏性流系數，s/m

pvapor——當前溫度水的飽和蒸汽壓，Pa

pvacuum——膜組件真空側壓強，Pa

J——跨膜蒸汽量，g/(m2·s)

ΔHv——水的蒸發焓，J/g

A——膜內面積，m2

km——膜的平均熱導率，g/(m2·s)

δ——膜壁厚度，m

Tfm——膜熱側表面溫度，℃

Tpm——膜冷側表面溫度，℃

M——干燥速率，kg/(m2·h)

h——傳熱系數，W/(m2·K)

Tm——過熱蒸汽的溫度，K

Ts——干燥物料的表面溫度，K

Qm1——有效熱負荷，W

Qm2——無效熱負荷，W

η——熱效率

Q1——蒸發濕分所消耗的熱量，W

Q2——加熱物料消耗的熱量，W

Q3——設備散熱損失，W

Q——熱消耗量，W

V——所需過熱蒸汽質量流量，kg/h