多钒酸铵的微波干燥特性研究.DOC

1、收稿日期： 修订日期： 基金项目： 国家自然科学基金项目资助 （ 51504110， 51404114） 作者简介： 郑孝英（ 1964-），女，副教授；主要研究方向：化工过程强化 通讯作者： 陈 菓 （ 1982 ）， 男 ， 教授；主要研究方向： 从事 微波加热新技术研究与应用 多钒酸铵 的 微波干燥特性研究 郑孝英 1，冯康露 2, 3， 陈晋 2, 3，何奥希 2, 3，李毅恒 2, 3，陈菓 *, 2 ,3 (1. 昆明冶金高等专科学校，昆明 650093; 2. 云南省跨境民族地区生物质资源清洁利用国际联合研究中心，云南民族大学，昆明 650500; 3. 云南省高校民族地区资源清

2、洁转化重点实验室，云南民族大学，昆明 6505003; 4. 钒钛资源综合利用国家重点实验室 ， 攀钢集团研究院有限公司 ，攀枝花 617000) 摘要： 对高含水量的多钒酸铵干燥是其大部分工业应用的关键步骤。微波干 燥由于独特的加热特性，可以作为传统干燥的替代品。 在本实验中，通过微波干燥系统研究了不同微波功率、样品质量和初始含水率对微波干燥多钒酸铵性能的影响。研究发现，微波功率、样品质量及初始水分含量对微波干燥多钒酸铵有显著影响，都能促使物料吸收更多微波能加速水分的蒸发。 且微波干燥过程中减少了粉尘的产生 ,是一种环保清洁 、 高效节能 的 技术。 关键词 ： 微波干燥； 多钒酸铵 ；水分

3、含量 ；干燥速率 Drying behavior of ammonium poly vanadate under microwave heating ZHENG Xiaoying1, FENG Kanglu2, 3, CHEN Jin2, 3, HE Aoxi2, 3, LI Yiheng2, 3, CHEN Guo*, 2, 3 (1.Kunming Metallurgy College, Kunming 650093, China; 2. Joint Research Centre for International Cross-border Ethnic Regions Biomass

4、Clean Utilization in Yunnan, Yunnan Minzu University, Kunming 650500, China; 3. Key Laboratory of Resource Clean Conversion in Ethnic Regions, Education Department of Yunnan, Yunnan Minzu University, Kunming, Yunnan 65050, China; 4. State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Comprehensi

5、ve Utilization, Pangang Group Research Institute Co., Ltd., Panzhihua 617000, P.R. China.) Abstract: Drying high moisture content of ammonium poly vanadate is a critical step in most of its industrial applications. Microwave drying can be used as a traditional drying substitute due to its unique hea

6、ting characteristics. In the study, the effects of microwave power, sample mass and initial moisture content on microwave drying of ammonium poly vanadate were investigated by microwave drying system. Microwave power, sample mass and initial moisture content have a significant effect on microwave dr

7、ying ammonium poly vanadate, which all can promote the absorption of more microwave energy to accelerate the evaporation of water. Microwave drying process can reduce the generation of dust, which is a clean and efficient energy efficient technology. Key words: microwave drying; ammonium poly vanada

8、te; moisture content; drying rate 1前言 多钒酸铵（ APV）是一种微溶于冷水、不溶于热水的橘黄色粉末。 在工业生产中，利用高浓度钒液制备多钒酸铵时会导致多钒酸铵 本身含有较多水分，但 在 多钒酸铵制备五氧化二钒等产品 的工艺生产过程中 ， 又 要求 必须先对 多钒酸铵 中的水分进行 干燥 ， 否则 会给生产过程带来 诸多问题 1。 现今， 热干燥越来越广泛应用 在 许 多工业加工领域中 。除了基于传导、对流或红外线辐射等普遍的常规热 干燥 方法外 ， 采用微波能加热干燥在许多工业技术上 已经成为 一个十分具有吸引力的 技术 方案 。 常规 干燥 的 过程 是

9、 湿的样品与 热媒之间 进行 接触 ， 如热空气、高温气体或过 热蒸汽， 然后 由 热媒 提供的热能 利用 对流、传导和辐射等 原理 将热量从 物料 的 表面流向 物料 的核心， 使物料 内部的温度逐步升高，从 而 使 水分从 核心转移到表面， 以达到水分加速蒸发的目的 2-3。但这样的干燥方式仍存在以下这些问题： （ 1） 由于是采用外加热的方法，就必须利用风力输送，但这样会产生耗能、降低热效率等问题； （ 2） 常规 干燥过程中 热量 是由 表 及里的传递，导致 物料 中心温度逐步升高 到所需温度 的这个过程 所 消耗的时间过长，不利于 物料 较快较好的干燥 4； （ 3） 常规方式加热物

10、料时 温度分布不均，会导致 物料中 某些 含水量 较 少 的部位 过热而 损坏 5； （ 4） 干燥完成后 的 收尘工作也同样重要，但 常规 干燥的收尘装置易故障，故粉尘回收较为困难，并且可能会 造成相当大的环境污染。因此，开发一种 环保 、高效、 干燥效果显著的 干燥方法是十分必要的。 微波 干燥 技术 ， 因其清洁高效、工艺先进等优势在国际上越来越被重视，且广泛 地 被 应用 于 轻工业、化学工业及农产品加工等各个方面 6。 微波 的 频率 为 300M 300GMHz，是 一种具有穿透性的 电磁波 7。 物质对微波的吸收能力， 受其介质损耗因数的影响， 主 物料的介质损耗因数大 对 微波

11、的吸收能力也就强 ， 反之则吸收微波的能力较弱。由于 各物质料的介质损耗因数 具有 差异 性 ， 所以在宏观上微波加热 会 表现出选择性加热的特点 。 在微波干燥过程中，水分子 作为 极性分子， 其 介电常数较大，介质损耗因数也 相对较 大， 因此 微波能量 会 优先被物料中的水分吸收 ， 并 把 所吸收的 大量电磁能量转化为热能， 从而 使物料中的水分 迅速变成蒸汽逸出， 达到 快速 完成干燥过程 的目的 。 微波干燥技术改变了常规干燥技术过程中一些 水分、温度 迁移势梯度的方向 ,由此形成了微波干燥的独特机理 。微波干燥时的传热、传质模型 与常规干燥时的传热、传质模型存在明显差异 ， 在常

12、规干燥过程中 ,由于干燥时物料温度是表面较高 而 内部较低 ， 且物料 中的水分总是以蒸气的形式从物料 中心 逐步 扩散至物料表面，再克服气膜阻力扩散至热风，导致蒸气扩散方向与温度梯度是相反的， 因此会产生扩散受阻，传热效率降低等问题。而在微波干燥过程中，由于 入射的微波能量总是优先被物料内部的水分吸收 ， 导致物料内部的温度往往高于外部的温度 ， 所以物料内部的温度梯度与水分梯度相同，与 传热以及蒸气压力迁移方向一致 ， 因此 所受到的 扩散阻碍较小， 从而 极大的 改善了干燥过程中水分 的 迁移条件， 促进了传热效率 并 提高了 干燥速 率 8。 微波能量 能 通过电磁场中的分子相互作用直

13、接传递到材料中 ， 以其 独特 的 加热方式 凸显了其 在干燥使用 中 的潜在优势。 其潜在优势具体表现为： （ 1） 干燥 速率 较 快、产品质量 提 高；由于微波能 量能 直接 穿透 物 料 表面到达物料中心 ， 使 物料 中心 首先产生热量， 从而 物料内部和外部可以同时加热， 温 度 分布更均匀 ， 不仅 比 常规 干燥 时 的加热速率 更高 ，同时还有利于提高产品质量 9。 （ 2） 节能高效； 物料 内部压力 会 增加微波 的 辐射 强度，其 内 部 水分 的 迁移运输， 形成 一种 梯度压力， 会 产生一种 “泵 ”效应，驱使水分向表面流动 ， 加速了水分的蒸发，使干燥时间 相较

14、于 常规 干燥 缩短了很多 5。 其次，可以在较低的温度下 进行微波加 热干燥的过程 ， 以 改善 常规 干燥方式中耗能高的问题。 （ 3） 选择性加热； 水作为极性分子 是极强的吸波物质 ， 会优先吸收微波，并快速转变为蒸汽逸出 ， 从而 实现 了 物料 的均匀加热及均匀干燥。（ 4） 清洁环保； 微波干燥可以减少扬尘的产生，避免潜在的安全和环境 等 问题。因此， 微波加热 技术被认为是 一种 绿色 清洁 、节能 高效 的高新技术 。 由于微波加热技术在干燥过程中对水分的脱除 具有其他传统技术无法比拟的优势， 国内外 诸多 学者 大量的研究了 微波加热技术 在 各 领域中 的应用 。 武文华

15、 10等人在对微波干燥球团矿 的研究 过程中 发现 ， 将 球团矿 在微波下 进行干燥 焙烧，其温度 能够快速上升 ，内部温度分布 也比较 均匀， 且 干燥过程中 不会出现 裂纹和爆裂现象。 李新冬 11等人 通过 采用微波加热技术 对褐铁矿 进行干燥脱水的 研究 中 ，发现微波干燥速率 比 常规干燥速率 更快 ，褐铁矿中的游离水 和 结合水 在微波加热技术下均能被脱除， 充分体现了微波技术热能利用率高的优点。 Tahmasebi 12等人 通过比较中国和印尼低阶煤的煤灰含量和煤类型的影响进行了研究 ，探究了煤粉粒度、微波功率、煤样粒度对干燥特性的影响以及在干燥过程中样品的重量损失和温度测定，

16、 实验结果表明在单位能耗方面 微波加热技术 具有 非常 明 显 的 优势。 Vidal 13等人探讨了微波能量在污泥干燥中的应用，并比较了微波干燥与传统的热风干燥的区别，发现，使用微波技术进行干燥 可以 节省大量的时间和精力，表明了微波 干燥 技术 比传统干燥技术 具有高效节能 的优势 。 Idris14等人在微波频率 2450MHz 的谐振腔体中， 利用 微波加热干燥湿二氧化硅污泥的特性进行了研究 ，在不同的功率条件下 （ 400 1000 W） 使用不同的污泥 块（ 10 1000g） 进行微波干燥，研究结果表明：最大量的材料和最低的功率输入，可以导致在较短的干燥时间和较高的干燥速率的值分

17、别被确 定为 1000g 和 800 W，微波干燥降低了污泥的体积和质量，是降低其处理成本的一个重要方法。 综观微波干燥技术在各个工业领域 中 的应用趋势，微波干燥作为一项高新技术，将以 其独特的 干燥机理和 选择性 加热特点为 实际 工业 生产 中物料的干燥过程开辟一条新的途径。但国内外鲜少有学者对多钒酸铵的干燥进行研究，所以本文就微波 加热 技术在多钒酸铵干燥方面的显著优势 从 微波 功率、物料质量、初始含水率等方面 进行了研究和讨论。 2实验内容 2.1 实验 原料 实验 中 所 采 用的原料为多钒酸铵。其主要化学组成如表 1 所示。 其中含有 64.55%的 V，26.99%的 O，

18、8%的 N，以及少量的 Fe、 S、 Na、 K、 Si。分析元素含量的方法，是根据中华人民共和国国家标准推荐的方法 （ GB/T） 。 表 1 多钒酸铵的化学成分分析结果 Table 1 Chemical compositions of APV Composition V O N Fe S Na K Si Mass% 64.55 26.99 8 0.097 0.092 0.052 0.046 0.054 2.2 实验设备 微波干燥试验 设备 系统示意图如图 1所示。它主要由 测量精度为 0.01 g的重量测试系 统、微波加热系统、样品槽 、温度控制系统 和电脑控制系统组成。频率为 2.45

19、GHz，最大功率输出为 230 700W15。 图 1 微波干燥 多钒酸铵 装置 Fig. 1 Microwave drying ammonium poly vanadate device 2.3 实验方法 将已 准确称量试样放入微波发生器的样品槽内，采用单因子 分析 法探 讨 无干扰的可控变量对样品干燥的影响来进行研究。例如： 研究 当样品质量保持不变时，不同微波功率 或不同初始含水率 对 干燥动力学的影响。根据干燥过程中 APV的质量守恒，将 物料的残余水分定义如下 ： (1) 其 中， M0 为初始含水量， Mt 是为干燥过程中 t 时刻物料的含水量。干燥速率 f(X)表示为单位时间 (

20、t)内的水分含量的变化如下： (2) 3实验结果与讨论 3.1 微波功率水平对 多钒酸铵 干燥 性能的影响 图 2 显示了 室温下 质量为 30g、含水率为 25%的 APV样品 在微波 入射 功率为 230W、385W、 540W 和 700W的 APV样品的 水分含量及干燥速率随时间曾加而变化的典型干燥曲线。 -1 0 0 0 100 200 300 400 500 600 7000510152025含水率（%）时间 (s )2 3 0 W3 8 5 W5 4 0 W7 0 0 W0 200 400 6000 . 0 0 0 0 00 . 0 0 0 7 50 . 0 0 1 5 00 .

21、 0 0 2 2 5干燥速率(s-1)时间 (s )2 3 0 W3 8 0 W5 4 0 W7 0 0 W(a) (b) 图 2相同质量的 APV在不同功率的微波辐射下 水分含量及 干燥速率随时间的变化 Fig. 2 Variation of moisture content and drying rate with time at different power levels (a) variation of moisture content with time at different power levels (b) drying rate with time at different

22、 power levels. 如图 2 所示，在一个特定的时间内样品残留的水分含量随着微波功率的增加而降低，因为较高的功率密度会导致 APV吸收更多的微波能 量并转化为热能，从而促进物料内部的传质及传热，因此，在更高的功率水平可以获得更高的干燥速率。这样 的 趋势在质量为 10g和 20g 的样品中是相似的。 从 图 2 可以 看出 ： 在给定的条件下，不同微波加热功率下的 APV物料的干燥特性表现出了明显的规律性 。 随着微波功率的增加， APV 的含水 量 随时间 的增加 逐渐下降，也就是说，相同质量的物料，微波功率越高，达到相同含水量的时间越少。 如图 2（ a） 所示， 当干燥时间为

23、180s， 微波功率为 700W 时，脱水率达 97.33%，同样的时间，当微波功率为 230W时，脱水率仅为 18.8%，可以明显看 出，微波功率越高，物料脱水越快 。这是由于当微波辐射功率增加时， APV 中的水分能吸收更多的微波能量并转化为热能，促进 物料内部 温度 的升高，从而加速水分 向物料表面 蒸发。此外，因为微波由内向外的干燥特点， APV 内部 水分 的快速蒸发，使 APV内部产生的高压，与外界压力形成压力梯度，在这种压力梯度的作用下， 驱使水分加速向表面流动并蒸发， 缩短了干燥时间。 图 2（ b） 则表明，在较短的培养时间后，特定的干燥速率会迅速增加到最大值，然后随着时间的

24、推移逐渐下降。 在微波功率为 700W和 230W时的最大干燥速率为 0.00216s-1和 0.0005377s-1,所对应的时间分别为 90s和 360s，由此可以看出微波功率越高，干燥所需时间越少， 这是由于微波选择性加热 的特点 ，导致物料在微波功率越高的情况下，物料内部水分的吸波能力越强， 干燥 时 温度越高，水分 以蒸汽形式 蒸发的速率越快。因此，利用微波加热技术对 APV进行干燥是非常高效的。 3.2 物料质量 对 多钒酸铵 干燥性能 的影响 图 3 显示了室温下含水率为 25%、功率为 385W、质量分别为 10g、 20g 和 30g 的 APV样品的 水分含量及干燥速率随时

25、间曾加而变化的典型干燥曲线。 0 100 200 300 400 5000510152025含水率（%）时间（ s ）1 0 g2 0 g3 0 g0 100 200 300 400 5000 . 0 0 0 00 . 0 0 0 40 . 0 0 0 80 . 0 0 1 2干燥速率（s-1）时间（ s ）1 0 g2 0 g3 0 g(a) (b) 图 3不同质量的 APV在相同功率的微波辐射下水分含量 （ a） 及干燥速率 （ b） 随时间的变化 Fig. 3 Variation of moisture content and drying rate with time at diffe

26、rent sample mass (a) variation of moisture content with time at different sample mass (b) drying rate with time at different sample mass. 由图 3（ a） 和图 3（ b） 两个图所对应的干燥曲线和干燥速率曲线可以看出 30g 物料比10g 和 20g 的物料具有更好的干燥性能。此外， 30g 物料在干燥过程中所产生的最大干燥速率为 0.00125s-1， 而 10g 和 20g 物料的干燥速率分别仅为 0.0011 s-1和 0.0009223 s-1。显

27、然，30g 的物料在三个样品中脱水 效果最好， 而 平均干燥速率 也 具有 同样 的趋势。 以上微波加热的结果表明，微波干燥涉及一个与常规干燥完全不同的加热机制。 微波在相同功率条件下对 APV的干燥受 APV的质量影响，对于常规的干燥技术，较小质量的样品往往更容易被干燥，但利用微波进行干燥时，质量越大的样品，干燥效果越显著。 对于 30g的物料，由于质量较大， 与 质量小的物料 相比， 所含水分也较多， 因此，可以吸收较多微波能量并转化为热能，从而加快了物料内部水分向物料表明的扩散速度，所以， 30g 物料中的水 份 可以很容易 被 蒸发，整体干燥速率更快。相对于 10g 和 20g 的物料

28、 ， 30g 的物料具有较小的热损失， 10g 和 20g 的物料由于所含水分相对较少， 导致微波辐射强度较弱，水分蒸发速度较慢，干燥效果也相对较差。同样大质量的样品在常规干燥下未必能得到如此显著的干燥效果，因此微波在干燥质量较大的样品方面具有独特显著的优势。 3.3 初始 含水率 对 多钒酸铵 干燥性能 的影响 图 4 显示了室温下入射的微波功率为 385W、质量为 30g、 初始含水 率 分别为 20%， 25%和 30%的 APV样品 的 水分含量及干燥速率随时间曾加而变化的典型干燥曲线。 0 100 200 300 4000102030含水率（%）时间（ s ）2 0 %2 5 %3

29、0 %-5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 4000 . 0 0 0 00 . 0 0 0 40 . 0 0 0 80 . 0 0 1 20 . 0 0 1 6干燥速率（s-1）时间（ s ）2 0 %2 5 %3 0 %(a) (b) 图 4不同 初始 含水率 的 APV在相同功率的微波辐射下水分含量 （ a） 及干燥速率 （ b） 随时间的变化 Fig.4 Variation of moisture content and drying rate with time at different initial moisture content (a) varia

30、tion of moisture content with time at different initial moisture content (b) drying rate with time at different initial moisture content. 由图 4（ a） 可以看出水分含量随时间的的变化 分三个阶段，初始阶段变化均较为平缓，中间阶段由于水分吸收较多微波能量，水分蒸发速度加快，因此下降趋势明显，但相较于初始含水率为 20%和 25%的样品， 30%的样品在中间阶段的下降趋势更为显著。最后阶段所有样品中的水分基本蒸发完全，故曲线又趋于平缓。 随着初始含水量的增加

31、， 根据图 4（ b）可以看出 ，最大干燥速率发生在 初始含水率较高的样品中 ， 初始含水率为 30%的样品的最大干燥速率为 0.00167s-1，而初始含水率为 20%和 25%的样品的最大干燥速率仅分别为0.00136 s-1和 0.00129 s-1。 这些结果表明，增加 样品 的初始水分 量 会 导致 样品中 水分对 微波的 吸收增加 ， 所以 干燥速率 会 随着初始水分含量 的增加 而增加。 此外，在实际工业生产中，一般会先将物料进行机械压滤到 25% 30%， 而通过以上结论可以得出初始含水率 30%时的物料干燥速率更快，因此在工业生产可 直接将物料的含水量通过机械压滤到 30%，

32、从而 减少 一些耗能的问题。 4结论 通过利用微波加热技术对多钒酸铵干燥进行了试验研究，实验结果表明，微波干燥可分为三个阶段：预热阶段，快速减重阶段，干燥速率 恒定 阶段。发现质量大 的样品 干燥 效果 比质量较小的样品 更为 显著 。 因此，在实际工业生产中，相较于常规加热， 微波辐射更适合干燥 质量极大的多钒酸铵 。此外， 在其余条件确定的情况下，多钒酸铵 总体干燥速率随着微波功率的增加而增加。 初始含水率对干燥性能的影响同样重要，通过研究，发现初始含水率30%时的物料干燥速率最快，因此在工业生产可 直接将物料的含水量通过机械压滤到 30%，从而减少一些耗能的问题。本研究中新颖 的 实验结

33、果分析可有助于更好地了解多钒酸铵的干燥机理，以及通过利用微波加热技术提高干燥速率使实际工业设计更加高效 ， 能源消耗 更低 。 参考文献： 1 王小江 . 微波干燥 APV 技术研究 J. 铁合金 , 2011, 42(1): 17-21. 2 Song Z, Yao L, Jing C, et al. Drying behavior of lignite under microwave heatingJ. Drying Technology, 2017, 35(4): 433-443. 3 宋增凯 , 陈 菓 , 彭金辉 , 等 . 微波加热技术在典型冶金工艺中的应用研究进展 J. 矿冶 ,

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