矩形脉冲式加热法在硫酸铜微波干燥工艺中的应用

干燥技术与设备　２０１５年第ｌ３卷第４期　Ｄｒｙｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　・１３・　矩形脉冲式加热法在硫酸铜微波干燥工艺中的应用　董铁有，贾淞，邓桂扬，郭国柱　（河南科技大学农业工程学院，河南洛阳４７１００３）　摘要：采用具有微波吸收功率精准测定功能的微波干燥试验装置，进行了硫酸铜的干燥工艺特性试验研究。　结果表明采用该微波干燥工艺加工硫酸铜，可将含量在９５％左右的ＣｕＳＯ４Ｑ５｝ｌ　０，干燥至９６％到９８．６２０，即可将二级　硫酸铜干燥为一级硫酸铜。该工艺具有干燥时间短，产品质量均匀，能耗低和实现微风干燥等优势。　关键词：干燥工艺；微波脉冲加热；硫酸铜；加热装置　中图分类号：ＴＳ２５５．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１　７２７－－３０８０（２０１　５）０４－００１　３－０６　０前言　质变，又要防止温度达不到预计要求。这样不仅　五水硫酸铜（Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｕｌｆａｔｅ　Ｐｅｎｔａｈｙｄｒａｔｅ）　浪费能源，也使干燥时间变长，产品质量达不到　也称硫酸铜晶体、硫酸铜、俗称蓝矾、胆矾或铜　质量标准。　矾等，是目前重要的铜盐之一，在纺织、颜料、　传统干燥工艺方法（如热风干燥）不仅存在　防腐剂、电镀、催化剂、电镀、颜料、农药、印　设备占地面积大、干燥时间长、水分难以精确控制、　染及化工原料生产等方面有着广泛的应用。随着　能耗高、污染大等缺点，也由于受其自身难以精　工业发展和技术进步，许多领域对硫酸铜质量提　准控制等技术条件的限制，难以达到对干燥过程　出更高的要求。目前市场上对一级品质硫酸铜产　中的加热温度的精准控制，也就容易出现上述问　品（ＣｕＳ０４＂５Ｈ２０含量≥９６％）的需求量在逐渐上　题。　升，对二级硫酸铜产品（ＣｕＳ０４＂５Ｈ，０含量９５％左　右）的需求量大大减少，这就从根本上要求必须　提高硫酸铜干燥的工艺水平和质量ｎ　】。五水硫　酸铜在常温常压下很稳定，不潮解，在干燥空气　收稿日期：２０１５－０８—２０　作者简介：董铁有（１９６０－），男，河南科技大学教授，　中会逐渐风化，加热至４５￣Ｃ时失去二分子结晶水，　研究方向微波干燥技术与理论　ｌｌＯ℃时失去四分子结晶水，２００℃时失去全部结　河南省自然科学研究基金重点项目（０２１１０６２０００）；　晶水而成无水物状的无水硫酸铜。即，将物料温　教育部及河南省人事厅留学回国人员资助项目：河南　度控制在１１０℃以下是其最主要的干燥特性。根　省教育厅创新人才基金资助目。　据硫酸铜的这些性质特点，在硫酸铜的干燥过程　通讯地址：河南省洛阳市洛龙区开元大道２６３号，　邮编：４７１０２３：邮箱：ｔｙｄｏｎｇ＠ｈａｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ：手机：　中，要严格控制加热温度，既防止温度过高引起　】３５９２０２７７２１　‘１　４‘干燥技术与设备　Ｄｒｙｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　２０１５年第１３卷　微波干燥具有精确控制水分、温度等优势　。　排泄。　因此采用微波加热干燥新工艺，以快速降低硫酸　铜产品中的吸附水含量，克服传统干燥方式的上　②如前所述，在常温常压下很稳定，不潮解，　在干燥空气中会逐渐风化，加热至４５℃时失去二　述缺点ｎ，＂。本研究针对某厂家生产的硫酸铜，　经离心分离后ＣｕＳ０４＂５Ｈ，０含量为９５％左右，仅达　Ｎ－－级品标准，二级品中尚含一定量的吸附水，　通过干燥可提高产品等级。本试验研究此类化工　产品的微波干燥工艺特性特性，为进一步开拓硫　酸铜干燥新工艺创造条件。　１试验装置与试验方案　１．１试验装置　如图１所示。该研究所使用的微波干燥试验　装置的主体设备是谐振腔体。微波干燥试验台的　工作频率为（２．４５±０．０３）ＧＨｚ，输出功率可在０　～１．２ＫＷ范围内连续调节。通过该试验装置中的　双向耦合器、隔离器、环行器、水负载、三螺钉　调配器以及相关阳极电流表的配合使用，可以精　确测定被干燥物料所吸收的微波功率和反射功率，　同时使微波腔体中反射回来的微波被水负载吸收，　从而保护起到保护微波源的作用　】。三螺钉调配　器用于调节微波的入射功率和反射功率。通过对　其适当调节，可使微波腔体中的物料最大限度的　吸收微波，使微波的反射率降到最低，以提高微　波的利用率。　１徽渡发生器２隔禹器３双向耦台器４三螺钉调配器５干燥室６干燥床７衰减　器８同轴开关９微波功率仪　图１微波干燥试验装置结构示意图　１．２物料特性　试验物料硫酸铜的主要特性主要有：　①具有一定粒度的颗粒状晶体，即具有一定　的透气性便于物料层内的水分在干燥中向外蒸发　分子结晶水，１１０℃时失去四分子结晶水，２００℃　时失去全部结晶水而成无水物状的无水硫酸铜。　即，将物料温度控制在１１０℃以下是其最主要的　干燥特性。　③物料质量指标中最主要的硫酸铜含量与脱　水率之间的关系如式（１）所示，其中Ｘ为脱水率。　ＣｕＳ０４＂５Ｈ，０含量（％）＝原样品中硫酸铜的含　量／（１００％一Ｘ）　（１）　样品原料中硫酸铜的原始含量为９５％。一级　品要求硫酸铜含量大于９６％。　１．３试验方案　试验过程及步骤简介：在微波腔体内　的物料盘上，放置硫酸铜样品。试验装置中　的微波干燥室集合尺寸（长×宽×高）为　８６０ｍｍ×５００ｍｍ×４００ｍｍ，干燥床的几何尺寸（长　×宽）为８６０ｍｍ×５００ｍｍ，干燥床面距干燥室底　面的距离为８０ｍｍ，波导口距干燥床面的距离为　３２０ｍｍ。干燥床由１．５ｍｍ的薄干纸板做成，由于其　介电损失常数约比蒸馏水小两个数量级　，可以　最大限度地减少其对微波功率反射系数的影响。　将硫酸铜样品铺放在置于干燥室的该物料盘上，　进行试验。试验的设备的微波功率为８５０Ｗ。按不　同的物料质量和总干燥时间，分别进行了ｌ４组试　验。　１．３．１微波加热方式　１．３．１．１微波功率强度理想曲线　为保证在不致物料温度过高的前提下进行干　燥，本研究中采用如图２所示的矩形脉冲的方式　提供微波能进行加热干燥。即微波能以适当的功　率强度（单位质量物料所配置的微波功率，单位：　ｗ／ｇ或ｋｗ／ｋｇ）间歇地进行加热。即，以“加热区　间・间歇区间（即非加热区间）”为一个加热干　燥循环（如图２所示），如此往复进行干燥试验。　通过矩形脉冲式微波加热法，可使硫酸铜的温度　第４期　董铁有等，矩形脉冲式加热法在硫酸铜微波干燥工艺中的应用　・１　５・　保持在特定的温度上限之下，以保证其品质。　图２微波加热脉冲及物料温度理想曲线　在理想的矩形脉冲式间歇加热过程中，微波　发生器应按图２中的加热脉冲式辐射微波能，即　以“ａ—ｂ—Ｃ—ｄ—ｅ”为轨迹的矩形脉冲供能　曲线在０点（图２中的ａ点）和适当的输出功率　点（图２中的ｂ点）间脉冲式间歇变化。　１。３．１．２矩形脉冲的特点　在此研究中，微波干燥所施加的矩形脉冲式　微波能，其加热区间与间歇区间分配与一般现行　的通过脉动电路控制的脉冲式微波功率调节方法　不同。本次研究中，加热区间与间歇区间的时间　原则上均控制在３０ｓ，并随时检测物料温度，每　个循环升温时间为ｌｍｉｎ。在干燥试验后期，根据　物料温度调节微波辐射的时间长度，每个循环升　温时间为２ｍｉｎ、３ｍｉｎ不等。本试验脉冲时间不是　均等的，而是通过试验，根据所处理物料的实际　特性，作为工艺参数的主要组成部分。此外，需　要说明的是，一般现行的通过脉动电路控制的脉　冲式微波功率调节方法是通过电路控制来实现，　而本研究是通过微波干燥机内部机械结构的设计　来实现的。　１．３．１．３物料理想温度曲线　在微波干燥过程中的能量消耗主要分为：水　分蒸发消耗的能量Ｅ　、加热物料本身所消耗的能　量Ｅ　以及散热所损失得能量Ｅ　三个部分。且设定　微波源输出的功率为Ｅ０，则由于在加热区间能量　处于盈余状态，如式（２）所示，微波源输出的功　率大于物料干燥的总能耗　Ｅ０≥Ｅ　＋Ｅｂ＋Ｅ。　（２）　所以在加热区间的物料的温度曲线（即图２　中的“Ａ—Ｂ”段）处于上升状态。而在加热区间，　由于微波源停止了提供能量，所以在此区间的物　料的温度曲线（即图２中的“Ｂ—ｃ”段）处于下　降状态。　另一方面，由于整个干燥过程中物料中能量　有所聚集，所以每个加热脉冲周期过后物料温度　会有所上升。如图２中所示的物料温度理想曲线　中：第二个加热干燥脉冲周期结束点Ｅ点的温度　要高于第一个加热干燥脉冲周期结束点Ｃ点的温　度；第二个加热区间结束点Ｂ点的温度要高于第　一个加热区间结束点Ｄ点的温度。依次类推，物　料温度呈逐步上升趋势。　物料最高温度的控制通过调节加热区间、加　热区间时间以及微波功率强度来实现，以确保硫　酸铜的温度保持在特定的温度上限之下，进而保　证其品质。　这种矩形脉冲式间歇加热法的优点在于：一、　能有效地利用加热阶段的余热，使物料升温吸收　的能量继续利用。二、能有效地控制微波加热过　程中温度的直线上升，防止物料过热；三、有效　地利用余热，节约能源Ⅲ，提高设备的能效指标。　１．３．２通风排湿方式　在微波干燥中，通风的目的仅在于将蒸发释　放的水蒸气排出干燥室。风量过大反而会将微波　提供给物料的宝贵热能吹走，造成不必要的浪费。　因此应采用较小风量的通风排湿模式。　表１硫酸铜微波干燥试验结果　试验初始功率强干后最高温总干燥脱水硫酸铜　编号质量（ｇ）度（ｗ／ｇ）质量（ｇ）度（℃）时间（ｍｉｎ）率（％）含量（％）　１　５００．２　ｌ＿７　４９２２　６５　３５．５　１．６０　９６．．１１　２　５００．６　１．．４９８２　６４　３６．０　０．．４８　９５．５２　３　４１３．８　２．１　４１２．５　一　一０．３１　９６．９５　４　３５５．３　２．４　３５３．０　一　一０．６４　９７．７２　・１６・　干燥技术与设备　Ｄｒｙｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　２０１５年第１３卷　２试验结果分析　所进行的１４组试验结果如表１及图３所示。　温度始终没有超出该物料所特定的许用温度上限。　在微波干燥中应用矩形脉冲式加热法的优势　在于：　其中图３为较为典型的两个试验（编号分别为５　和９号的试验）中物料的温度及质量随干燥时间　变化的关系曲线。根据该试验结果，干燥后的平　均脱水率为０．８５％，干燥后样品的硫酸铜含量达　到９６．１１％以上，达到国家一级标准。　①节约能源：在间歇区间（即非加热区间），　利用加热区间物料自身所积累的热量（体现在其　自身的温度），仍然进行干燥；　②便于控制物料温度：由于在矩形脉冲式提　供微波能进行加热的“加热区间・间歇区间”的　图３典型试验温度及质量变化曲线　２．１物料的实际温度（升温）曲线及矩形脉冲加　热法的优势　从上述的试验数据及试验曲线可知，物料的　质量随着干燥时间的增加不断减少，而物料的温　度，在干燥试验过程中随着矩形脉冲的加热和间　歇周期循环高低起伏呈锯齿形变化，与图２所示　的在矩形脉冲式微波加热条件下的物料温度理想　曲线的变化趋势基本一致。即在矩形脉冲式加热　条件下，物料的实际温度曲线呈现锯齿状、逐步　升温、干燥温度较低（最高温度都在６２℃以下）　且远远没有超出许用温度上限（１１０℃）的特征。　即，采用矩形脉冲式加热法，在满足产品最　重要的质量指标（硫酸铜含量）要求前提下，其　干燥循环中有间歇区间的能量释放（即干燥排湿），　因此可以防止持续加热容易出现的物料温度的急　剧上升，通过适当预先的干燥工艺试验，就可以　很好地控制物料温度，防止出现质量问题；　③实现低温干燥：由于能够有效地控制物料　温度，所以也容易实现较低温度下的干燥。这又　为实现进一步的节能创造了条件。　２．２微风干燥的优势　如前所述，在微波干燥中，通风的目的仅在　于将蒸发释放的水蒸气排出干燥室。风量过大反　而会将微波提供给物料的宝贵热能带走，造成不　必要的浪费。因此在此应采用了较小风量的通风　排湿模式。　而与此相比，在传统的热风干燥过程中，通　风的主要的目在于提供干燥所需的热能，并附带　排湿，因此大量的热能被热风带走，造成了很大　的能量浪费。　微风干燥的主要优势在于热损失降低到最低　限度。另一个好处是，由于风速较低，也不易起尘。　这样一方面便于满足环境要求，也不易造成物料　损失。　２．３低温干燥的优势　由于本研究所采用“间歇加热”法，能很好　地控制干燥温度，同时也有效地降低了干燥温度。　干燥温度较低所带来的优势主要有：　①可有效地保证物料品质：　对于大多数物料而言，加工温度越低越能保　证其品质，因此在能够保证充分的干燥效率的前　第４期　董铁有等，矩形脉冲式加热法在硫酸铜微波干燥工艺中的应用　・ｌ７・　提下，干燥干燥温度越低越好；　②减少散热损失：　干燥温度越低，就意味着设备温度也越低，　当然对绝热的要求就降低，同时对环境的散热损　失和物料出口处的散热损失就越小。　③延长设备使用寿命：　干燥温度越低，就意味着设备温度也越低，　同时设备元器件所承受的温度当然也就越低，其　耐蚀性、绝缘性能都会有保证和提高，特别是对　于易腐蚀的零件和电磁元器件，其使用寿命就会　大大提高。　２．４功率强度与干燥时间的关系　从表１的数据也可看出，功率强度与干燥时　间成反比例关系的关系。即，在保证物料最终品　质的前提下，功率强度增加，干燥时间缩短。并　呈现出一定的线性关系。这里需要说明的是，此　结论的前提是：根据以往其它种类物料微波干燥　的经验，在本研究的试验中，物料的铺放厚度控　制在１０ｒａｍ以内，在干燥过程中物料层内部的水分　蒸发基本不受影响，此外物料层内的微波不均匀　性可忽略不计。　由于这方面的试验数据不是很充分，这方面　的问题还有待于进一步较为充分的试验数据进行　证明。　３结论　该自制的微波干燥装置，可调节微波功率进　行微波加热干燥作业，能对干燥过程中产生的水　蒸气进行及时的排除：应用该微波装置干燥硫酸　铜，微波功率８５０Ｗ，时间２ｍｉｎ，可将１５０ｇ的二　级硫酸铜干燥为一级硫酸铜，加热时间短，能耗　较低，产品质量均匀。微波加热干燥装置与微波　辐射干燥硫酸铜新工艺具有良好的发展前景。　功率短，能耗较低，产品质量均匀。微波加　热干燥装置与微波辐射干燥硫酸铜新工艺具有良　好的发展前景。　参考文献：　［１］潘永康，王喜忠，刘相东，等．现代干燥技术（第　二版）［ｉ］．北京：化学工业出版社，２００７．５０８—　５４８　［２］董铁有．均匀平铺载荷下微波干燥室内的能量分　布［Ｊ］．食品与机械，２００２，８８（２）：２４—２５．　［３］张世敏，彭金辉，张利波等．微波加热中试装置　及硫酸铜的干燥［Ｊ］．有色金属，２００３，５５（２）：４０－　４１．　［４］董铁有，木村俊范，吉崎繁，等．平铺载荷下　微波干燥室的反射特性［Ｊ］．农业机械学报，　２００３。３４（４）：７卜７３．　［５］董铁有，木村俊范，吉崎繁，等．Ｅｎｅｒｇｙ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｄｒｙｉｎｇ　ｏｆ　Ｒｏｕｇｈ　ａｎｄ　Ｂｒｏｗｎ　Ｒｉｃｅ（微波干燥稻谷和糙米的能量效率）　［Ｊ］．农业工程学报，２００２，１８（５）：４３—４７．　［６］ＤＯＮＧ　Ｔｉｅｙｏｕ，Ｔｏｓｈｉｎｏｒｉ　ＫＩＭＵＲＡ，Ｓｈｉｇｅｒｕ　ＹＯＳＨＩＺＡＫＩ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｄｒｙｉｎｇ　ｏｆ　Ｔｈｉｃｋ　Ｌａｙｅｒ　Ｒｏｕｇｈ　Ｒｉｃｅ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔ，Ｃｏｕｎｔｅｒ　ａｎｄ　Ｃｒｏｓｓ　Ｆｌｏｗ　Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕ１ｔｕｒａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，　Ｊｕｌｙ　２０００，６２（４）：８９—１０１．　［７］林培喜，李晓明．微波加热干燥法用于硫　酸铜中结晶水的测定［Ｊ］．茂名学院学报，　２００３，１３（３）：２２—２４　・１８・　干燥技术与设备　Ｄｒｙｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　２０１５年第ｌ３卷　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　Ｐｕｌｓｅ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｄｒｙｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｕｌｆａｔｅ　Ｐｅｎｔａｈｙｄｒａｔｅ　ＤＯＮＧ　Ｔｉｅ－ｙｏｕ，ＪＩＡ　Ｓｏｎｇ，ＤＥＮＧ　Ｇｕｉ－ｙａｎｇ，ＧＵＯ　Ｇｕｏ－ｚｈｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕ１ｔｕｒａ１　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ，４７１００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ￣Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒ　ｓｕｌｆａｔｅ　ｐｅｎｔａｈｙｄｒａｔｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｄｒｙｉｎｇ，ａ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｄｒｙｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｄｅｖｉｃｅ　ｗｉｔｈ　ａｂｓｏｒｂｅｄ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｄｒｙｉｎｇ　ｏｆ　ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ　ｐｏｗｄｅｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｐｕｌｓｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｄｒｙｉｎｇ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｕｌｆａｔｅ　Ｐｅｎｔａｈｙｄｒａｔｅ　ｆｒｏｍ　９５％ｔｏ　９６％　～９８．６２％，ｗｈｉｃｈ　ｍｅａｎｓ　ｉｔ　ｃａｎ　ｒａｉｓｅ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｌｅｖｅｌ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｕｌｆａｔｅ　Ｐｅｎｔａｈｙｄｒａｔｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｌｅｖｅ１．Ｔｈｉｓ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｄｒｙｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｏｗｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｓｈｏｒｔ　ｄｒｙｉｎｇ　ｔｉｍｅ，　ｌｏｗｅｒ　ｌｏｓｔ　ａｎｄ　ｄｕｓｔ　ｆｒｅｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｒｙｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ；ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｐｕｌｓｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｄｒｙｉｎｇ；ｃｏｐｐｅｒ　ｓｕｌｆａｔｅ　ｐｅｎｔａｈｙｄｒａｔｅ；ｈｅａｔｉｎｇ　ａｐｐａｒａｔｕｓ