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工程塑料：更高效的干燥
时间:2005-07-04
对于很多加工商来说，干燥物料是个不可避免的麻烦，处理工程塑料这是特别需要的，目的是做出质量良好的产品。就加工和能源消耗两方面而言，干燥操作可以具有节省的潜力，使对不同机器相对优点的评价富有价值了。在作出干燥机的投资决策之时，价格不应当是高于一切的要素。相反，决定必须建立于对成本和技术的充分评估基础之上。
随着工艺水分增加，材料的剪切粘度降低。加工过程中流动性能的变化表现在一系列的工艺参数以及所制产品的质量当中。过多工艺水分的一般影响是过保压或发泡。如果因为停滞时间过长使残余水分含量太低和粘度增加，这就会导致类似不充分填模的问题。其它由不恰当干燥而引起的看得到的缺陷包括水纹或停滞时间过长造成的材料发黄。性能变化引起的主要问题在产品上不是能直接肉眼看得到的，而只能通过对成分进行恰当的测试才能被发现，如机械性能和介电强度。
在选择干燥过程时，材料的干燥性能是具有关键意义的。材料可以被分成吸湿性和非吸湿性两种。因为其物理和化学结构，吸湿性材料从四周环境吸收水分，并把它们约束在其内部。非吸湿性材料不能从环境中吸收水分。对于非吸湿性材料，任何环境中存在的水分保留在表面，成为“表面水分”，相对易于被清除。由非吸湿性材料制成的胶粒也能因为添加剂或填料的作用而变得具有吸湿性，然后从环境中吸收水分。对一个工艺的能耗的估计与加工作业的复杂程度有关系，所以这里所介绍的数值仅应作为指导。
对流式干燥机
干燥非吸湿性材料，可以使用热风干燥机，因为水分只是被内聚力所松散地约束，因此易于清除。在这种机器中，环境中的空气被风扇所吸收，并被加热到材料特定的干燥温度，经过的干燥料斗通过对流来加热材料并除去水分。
用非除湿气体干燥器来干燥吸湿性材料，基本上有三个干燥段。在头一段里，水分只是在被干燥的材料表面蒸发掉。在第二个干燥段，蒸发点在材料内部，干燥速度缓慢降低，被干燥材料的温度上升。在最后一段，达到与干燥气体的吸湿平衡。在这个阶段，内部和外部间的所有温度差别被消除。如果在第三段末端，被干燥材料不再放出水分，这并不意味着它不含水分了，而只是在胶粒和周围环境之间建立起了平衡。
在干燥技术中，空气的露点常被当作空气带上水分的手段。它代表的是达到承载饱和与水分凝结的温度。用于干燥的空气的露点愈低，所获残余水分量就愈低，干燥速度也愈低。
干燥用热量与除湿空气一起通过对流被输送至胶粒里。就象热风干燥一样，这是一种对流干燥过程。除湿空气干燥中判断标准是用于备制除湿气体的方法。
图1. 带料斗的除湿气体发生器
至今生产除湿空气的最为普遍的方法是利用除湿气体发生器，它以吸附性干燥器进行运作（图1）。这由两个分子筛组成，被转换至干燥和再生状态。在干燥状态，空气流经吸附剂（通常是一个分子筛），它吸收工艺气体中的水分，并为干燥提供已除湿气体。在再生状态，分子筛被热空气所加热至再生温度。流经分子筛的气体收集被除水分，并将其带至周围环境中。
另一个生成除湿气体的可行方法是对被压缩气体进行解压。这种方法的好处是供应网络中的被压缩气体有着较低的压力露点。在压力释放以后，达到-20℃范围的露点。如果需要较低的露点，膜式或吸附式干燥器可以在压力释放之前被用来进一步降低压力露点。
干燥胶粒所需的能量由两种组成，一是将材料由储存温度加热至干燥温度所需的能量，二是蒸发水分所需的能量。以干燥所需能量流动和干燥气体进入与离开干燥料斗时的温度为基础，材料所需的特定气体量可以被确定。
在除湿空气干燥中，生产除湿气体所需的能量必须进行额外计算。在吸附式干燥中，再生状态的分子筛必须从干燥态的工艺温度(约60℃)被加热至再生温度(约200℃)。为此，常见的做法是通过分子筛将被加热气体连续地送至再生温度，直至它在离开分子筛时达到特定温度。理论上再生所必要的能量由加热分子筛及内含水的能量、克服水对分子筛的附着力所需要的能量、蒸发水分和水蒸汽升温所必需的能量几个部分组成。
吸附所得露点与分子筛的温度和水分携带量有关。通常上，≤30℃的露点可以达到分子筛10%的水分携带量。为了制备除湿气体，由能量计算所得的理论能量需求值是0.004度/m3除湿气体。但是，实际中这个数值必须稍高，因为计算没有把风扇或热量损失考虑在内。通过对比，不同类型除湿气体发生器的特定能耗就被确定下来。为此，假定能耗达到所需在额定能量的30%至50%之间。所以除湿气体干燥可能用到的特定能耗在0.04kWh/kg和0.12kWh/kg之间，根据材料和初始水分量而变化。在实际操作中，也可以达到0.25kWh/kg和更高值，根据干燥机操作模式和干燥作业复杂程度而定。
在实际生产中，特定能耗值有时要比理论值高得多。例如，如果材料在干燥料斗中的停留时间过长，以太高的特定气体量完成干燥，或者分子筛的吸附能力未充分发挥。提高除湿干燥的可能方法是通过热电偶和露点受控的再生。德国摩丹（Motan）公司通过利用天然气作为燃料来设法减低能源成本。
减少除湿气体的需要量、从而削减能源成本的可行方法是利用双步法干燥料斗。在这种机型中，干燥料斗上半部的材料只是被加热，但并未干燥。所以可以用环境中空气或干燥过程的排气来完成加热。通过采用这种方法，只要向干燥料斗供应除湿气体量的1/3至1/4是足够的，从而因为生成除湿气体而降低了能源成本。
真空干燥
通过美国美奎（Maguire）公司开发出来的机器，真空干燥也进入到塑料加工领域当中。这种连续操作型机器由安装于旋转传送带上的三个小腔组成。在位置1处，小腔填满了胶粒，然后加热至干燥温度的气体被送至加热胶粒。当在气体出口达到干燥温度和周期时间用完时，容器移至有真空的位置2。真空降低了水的沸点，所以水分更早地进入到水蒸汽状态。因此，水分扩散过程被加速，而且在胶粒内部与周围空气之间有着更大的压力差。因此，在位置2停留20-40分钟时间，以及一些极吸湿性材料停留60分钟，对于干燥是足够的了。接着容器移至位置3，被干燥材料可以被清除。
在除湿气体干燥和真空干燥中，利用了同量的能源来加热塑料，因为两种方法在同样的温度下进行。但是在真空干燥中，气体干燥不要消耗能源，但要用能源来创造真空。创造真空所需的特定能耗和材料用量有关。
红外线干燥
干燥胶粒的另一种方法是红外线干燥工艺。在对流加热中，流到胶粒中的热量被气体到胶粒的传热和胶粒的低导热性所限制。用红外线干燥，分子被直接转换为热振动，这意味着材料的加热比在对流干燥中来得快。作为一种附加的加速力，除了环境空气和胶粒中水分的局部压力差以外，与对流加热相比有一个逆向的温度梯度。工艺气体和受热微粒之间的温度差愈大，干燥过程就愈快。红外线干燥时间通常在5至15分钟之间。这种红外线干燥过程已经被设计为转管概念。顺着一只内壁有螺纹的转管，胶粒被输送和循环。在转管的中心段有几个红外线加热器。在红外线干燥中，可以采用0.035kWh/kg至0.105kWh/kg之间的能耗。
实现稳定的残余水分量
如前所述，工艺水分的差别导致工艺参数的差别，这对工艺和成分质量可以产生反面影响。工艺水分量不同的原因可能有：
◆ 不同的材料流通速率，所以工艺中断或加工机器的启动或停机会引起停留时间的不同；
◆ 不同的初始水分量。
假定一个稳定的气体量，材料流通量的不同被表现为温度曲线变化和排气温度的变化。它们被许多干燥机制造商以不同方法进行测量，并被用来把干燥气体流与材料用量匹配，进而影响干燥料斗的温度曲线，从而胶粒一直在干燥温度下经历稳定的停留时间。
假定或多或少的稳定初始水分量，上述的方法会导致或多或少的稳定残余水分量。但是因停留时间稳定，初始水分量的明显变化导致残余水分量同样明显的变化。如果需要稳定的残余水分量，除了要变化初始水分量以外，接下来有必要测量初始或残余的水分量。因为相关的残余水分量低，在线测量不易进行，且成本高。而且，因为在干燥机系统中的停留时间可观，把残余水分量当作输出信号会引起系统受控时的问题。所以一种被开发出来的控制概念能实现稳定的残余水分量。它以试图在稳定值下保持残余水分量的工艺模式为基础。工艺模式的输入变量是塑料的初始水分量、进入和流出气体的露点、气体流动量和胶粒流率。
结论
红外线干燥和真空干燥是在塑料加工中派上用场的新技术，用来缩短停滞时间和能源消耗。但是，近年人们也做出很大努力来提高传统除湿气体干燥的效率。毫无疑问，创新干燥工艺有他们的价格。在作出投资决策时，应当进行精确的成本评估，不仅考虑采购成本，还要考虑管路、能源、空间需求和维修保养。
