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工程塑料：更高效的干燥

時間:2005-07-04

關鍵詞:工程塑料更高干燥來源：www.newmaker.com

         對于很多加工商來說，干燥物料是個不可避免的麻煩，處理工程塑料這是特別需要的，目的是做出質量良好的產品。就加工和能源消耗兩方面而言，干燥操作可以具有節省的潛力，使對不同機器相對優點的評價富有價值了。在作出干燥機的投資決策之時，價格不應當是高于一切的要素。相反，決定必須建立于對成本和技術的充分評估基礎之上。

         隨著工藝水分增加，材料的剪切粘度降低。加工過程中流動性能的變化表現在一系列的工藝參數以及所制產品的質量當中。過多工藝水分的一般影響是過保壓或發泡。如果因為停滯時間過長使殘余水分含量太低和粘度增加，這就會導致類似不充分填模的問題。其它由不恰當干燥而引起的看得到的缺陷包括水紋或停滯時間過長造成的材料發黃。性能變化引起的主要問題在產品上不是能直接肉眼看得到的，而只能通過對成分進行恰當的測試才能被發現，如機械性能和介電強度。

        在選擇干燥過程時，材料的干燥性能是具有關鍵意義的。材料可以被分成吸濕性和非吸濕性兩種。因為其物理和化學結構，吸濕性材料從四周環境吸收水分，并把它們約束在其內部。非吸濕性材料不能從環境中吸收水分。對于非吸濕性材料，任何環境中存在的水分保留在表面，成為“表面水分”，相對易于被清除。由非吸濕性材料制成的膠粒也能因為添加劑或填料的作用而變得具有吸濕性，然后從環境中吸收水分。對一個工藝的能耗的估計與加工作業的復雜程度有關系，所以這里所介紹的數值僅應作為指導。

        對流式干燥機

        干燥非吸濕性材料，可以使用熱風干燥機，因為水分只是被內聚力所松散地約束，因此易于清除。在這種機器中，環境中的空氣被風扇所吸收，并被加熱到材料特定的干燥溫度，經過的干燥料斗通過對流來加熱材料并除去水分。

        用非除濕氣體干燥器來干燥吸濕性材料，基本上有三個干燥段。在頭一段里，水分只是在被干燥的材料表面蒸發掉。在第二個干燥段，蒸發點在材料內部，干燥速度緩慢降低，被干燥材料的溫度上升。在最后一段，達到與干燥氣體的吸濕平衡。在這個階段，內部和外部間的所有溫度差別被消除。如果在第三段末端，被干燥材料不再放出水分，這并不意味著它不含水分了，而只是在膠粒和周圍環境之間建立起了平衡。

        在干燥技術中，空氣的露點常被當作空氣帶上水分的手段。它代表的是達到承載飽和與水分凝結的溫度。用于干燥的空氣的露點愈低，所獲殘余水分量就愈低，干燥速度也愈低。

        干燥用熱量與除濕空氣一起通過對流被輸送至膠粒里。就象熱風干燥一樣，這是一種對流干燥過程。除濕空氣干燥中判斷標準是用于備制除濕氣體的方法。

圖1. 帶料斗的除濕氣體發生器

        至今生產除濕空氣的最為普遍的方法是利用除濕氣體發生器，它以吸附性干燥器進行運作（圖1）。這由兩個分子篩組成，被轉換至干燥和再生狀態。在干燥狀態，空氣流經吸附劑（通常是一個分子篩），它吸收工藝氣體中的水分，并為干燥提供已除濕氣體。在再生狀態，分子篩被熱空氣所加熱至再生溫度。流經分子篩的氣體收集被除水分，并將其帶至周圍環境中。

        另一個生成除濕氣體的可行方法是對被壓縮氣體進行解壓。這種方法的好處是供應網絡中的被壓縮氣體有著較低的壓力露點。在壓力釋放以后，達到-20℃范圍的露點。如果需要較低的露點，膜式或吸附式干燥器可以在壓力釋放之前被用來進一步降低壓力露點。

         干燥膠粒所需的能量由兩種組成，一是將材料由儲存溫度加熱至干燥溫度所需的能量，二是蒸發水分所需的能量。以干燥所需能量流動和干燥氣體進入與離開干燥料斗時的溫度為基礎，材料所需的特定氣體量可以被確定。

         在除濕空氣干燥中，生產除濕氣體所需的能量必須進行額外計算。在吸附式干燥中，再生狀態的分子篩必須從干燥態的工藝溫度(約60℃)被加熱至再生溫度(約200℃)。為此，常見的做法是通過分子篩將被加熱氣體連續地送至再生溫度，直至它在離開分子篩時達到特定溫度。理論上再生所必要的能量由加熱分子篩及內含水的能量、克服水對分子篩的附著力所需要的能量、蒸發水分和水蒸汽升溫所必需的能量幾個部分組成。

        吸附所得露點與分子篩的溫度和水分攜帶量有關。通常上，≤30℃的露點可以達到分子篩10%的水分攜帶量。為了制備除濕氣體，由能量計算所得的理論能量需求值是0.004度/m3除濕氣體。但是，實際中這個數值必須稍高，因為計算沒有把風扇或熱量損失考慮在內。通過對比，不同類型除濕氣體發生器的特定能耗就被確定下來。為此，假定能耗達到所需在額定能量的30%至50%之間。所以除濕氣體干燥可能用到的特定能耗在0.04kWh/kg和0.12kWh/kg之間，根據材料和初始水分量而變化。在實際操作中，也可以達到0.25kWh/kg和更高值，根據干燥機操作模式和干燥作業復雜程度而定。

        在實際生產中，特定能耗值有時要比理論值高得多。例如，如果材料在干燥料斗中的停留時間過長，以太高的特定氣體量完成干燥，或者分子篩的吸附能力未充分發揮。提高除濕干燥的可能方法是通過熱電偶和露點受控的再生。德國摩丹（Motan）公司通過利用天然氣作為燃料來設法減低能源成本。

       減少除濕氣體的需要量、從而削減能源成本的可行方法是利用雙步法干燥料斗。在這種機型中，干燥料斗上半部的材料只是被加熱，但并未干燥。所以可以用環境中空氣或干燥過程的排氣來完成加熱。通過采用這種方法，只要向干燥料斗供應除濕氣體量的1/3至1/4是足夠的，從而因為生成除濕氣體而降低了能源成本。

        真空干燥

       通過美國美奎（Maguire）公司開發出來的機器，真空干燥也進入到塑料加工領域當中。這種連續操作型機器由安裝于旋轉傳送帶上的三個小腔組成。在位置1處，小腔填滿了膠粒，然后加熱至干燥溫度的氣體被送至加熱膠粒。當在氣體出口達到干燥溫度和周期時間用完時，容器移至有真空的位置2。真空降低了水的沸點，所以水分更早地進入到水蒸汽狀態。因此，水分擴散過程被加速，而且在膠粒內部與周圍空氣之間有著更大的壓力差。因此，在位置2停留20-40分鐘時間，以及一些極吸濕性材料停留60分鐘，對于干燥是足夠的了。接著容器移至位置3，被干燥材料可以被清除。

        在除濕氣體干燥和真空干燥中，利用了同量的能源來加熱塑料，因為兩種方法在同樣的溫度下進行。但是在真空干燥中，氣體干燥不要消耗能源，但要用能源來創造真空。創造真空所需的特定能耗和材料用量有關。

        紅外線干燥

        干燥膠粒的另一種方法是紅外線干燥工藝。在對流加熱中，流到膠粒中的熱量被氣體到膠粒的傳熱和膠粒的低導熱性所限制。用紅外線干燥，分子被直接轉換為熱振動，這意味著材料的加熱比在對流干燥中來得快。作為一種附加的加速力，除了環境空氣和膠粒中水分的局部壓力差以外，與對流加熱相比有一個逆向的溫度梯度。工藝氣體和受熱微粒之間的溫度差愈大，干燥過程就愈快。紅外線干燥時間通常在5至15分鐘之間。這種紅外線干燥過程已經被設計為轉管概念。順著一只內壁有螺紋的轉管，膠粒被輸送和循環。在轉管的中心段有幾個紅外線加熱器。在紅外線干燥中，可以采用0.035kWh/kg至0.105kWh/kg之間的能耗。

         實現穩定的殘余水分量

        如前所述，工藝水分的差別導致工藝參數的差別，這對工藝和成分質量可以產生反面影響。工藝水分量不同的原因可能有：

◆ 不同的材料流通速率，所以工藝中斷或加工機器的啟動或停機會引起停留時間的不同；
◆ 不同的初始水分量。

        假定一個穩定的氣體量，材料流通量的不同被表現為溫度曲線變化和排氣溫度的變化。它們被許多干燥機制造商以不同方法進行測量，并被用來把干燥氣體流與材料用量匹配，進而影響干燥料斗的溫度曲線，從而膠粒一直在干燥溫度下經歷穩定的停留時間。

        假定或多或少的穩定初始水分量，上述的方法會導致或多或少的穩定殘余水分量。但是因停留時間穩定，初始水分量的明顯變化導致殘余水分量同樣明顯的變化。如果需要穩定的殘余水分量，除了要變化初始水分量以外，接下來有必要測量初始或殘余的水分量。因為相關的殘余水分量低，在線測量不易進行，且成本高。而且，因為在干燥機系統中的停留時間可觀，把殘余水分量當作輸出信號會引起系統受控時的問題。所以一種被開發出來的控制概念能實現穩定的殘余水分量。它以試圖在穩定值下保持殘余水分量的工藝模式為基礎。工藝模式的輸入變量是塑料的初始水分量、進入和流出氣體的露點、氣體流動量和膠粒流率。

        結論

        紅外線干燥和真空干燥是在塑料加工中派上用場的新技術，用來縮短停滯時間和能源消耗。但是，近年人們也做出很大努力來提高傳統除濕氣體干燥的效率。毫無疑問，創新干燥工藝有他們的價格。在作出投資決策時，應當進行精確的成本評估，不僅考慮采購成本，還要考慮管路、能源、空間需求和維修保養。

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