高宏华　张新儒　王永洪　刘成岑　王俊文　校现周　罗世巧

摘 要 为了解决天然橡胶加工中存在的干燥时间长、能耗高、环境污染和设备占地较大等问题，设计了一种热空气-微波耦合天然橡胶干燥机，以实现两种干燥方式优势互补，提升天然橡胶加工干燥技术水平。以胶乳级颗粒胶为研究对象，采用该设备研究了微波干燥和热空气-微波耦合干燥特性，及耦合干燥动力学。研究发现：当天然橡胶初始含水率高时，采用微波干燥容易使橡胶受热不均匀，从而发生内部局部过热，使胶粒发粘变坏，影响天然橡胶的性能；而采用热空气-微波耦合干燥，橡胶的干燥时间由单独用热空气干燥的415.8 min降至耦合干燥的107 min，且干燥过程传热比较均匀，得到的橡胶品质较好。根据天然橡胶的水分变化规律，建立了天然橡胶热空气-微波干燥动力学模型，其动力学模型为：MR=（1-a）exp（-0.0485t0.685）+（1-b）exp（-4.76×10-76t35.905）。

关键词 热空气-微波干燥；天然橡胶；耦合干燥机；干燥特性；干燥动力学模型

中图分类号 TK173 文献标识码 A

天然橡胶干燥是利用热能除去橡胶中湿分（水分或其它溶剂）的单元操作，其本质是湿分从物料表面向气相转移，得到固体生胶[1-3]。这是一个非常复杂的传质传热过程，这一过程不仅受到外部条件如空气温度、相对湿度、空气流速等因素的影响，还受到物料内部结构、物理化学性质等因素的影响[4]。而天然橡胶的干燥直接影响其性能和分子结构，甚至影响到天然橡胶的应用性能和使用范围，干燥条件控制不好，还有可能使橡胶失去使用价值[5-7]。因此，在天然橡胶加工生产中，为了不断提高天然橡胶的性能，干燥技术创新一直是研究的重要课题之一[8]。目前，国内天然橡胶颗粒胶的干燥方式主要以热空气干燥为主，虽然技术比较成熟，得到的固体干胶产品性能比较稳定，在广大天然橡胶加工厂中广泛使用，但是，其干燥时间比较长，且需要消耗大量能源，严重限制了天然橡胶加工的进一步发展[9]。微波干燥存在干燥速度快、干燥时间短，干燥均匀、设备占地面积少、热能利用率高，节省环保等优点，广泛应用于粮食、化工和药品等行业[10-12]。近年来，微波干燥技术在天然橡胶加工中的应用引起了人们的注意，但是，微波干燥时间过长会对操作人员身体产生损伤，以及橡胶性能不佳等问题，未能在工业中进一步发展[13-18]。为了充分的利用这一技术，本研究设计了一种热空气-微波耦合天然橡胶干燥机，具体操作为先用热空气干燥除去大部分结合水分，然后，采用微波干燥除去剩余橡胶内部比较难排除的自由水分和结合水分，实现优势互补，系统的研究了热空气-微波耦合干燥特性和动力学，得到能够描述其干燥过程的数学模型。通过本研究，可以深入的了解热空气-微波耦合干燥过程中胶粒内部水分和干燥速率随时间的变化规律，阐明干燥过程胶粒内部的传热传质过程，本研究对工程应用具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料

胶乳级颗粒胶：胶乳级颗粒胶为新鲜天然胶乳经酸凝固后，在压绉机上压绉一次制得胶片，后经造粒机造粒后，得到颗粒橡胶，中国热带农业科学院试验场橡胶加工厂提供。

1.2 热空气-微波耦合干燥机设计

为了实现热空气和微波联合干燥，设计了耦合干燥机，可实现热空气和微波干燥联合或单独使用，图1为其示意图，由中国热带农业科学院橡胶研究所与太原理工大学共同设计、组装完成。装置由微波干燥箱、热空气加热炉和热空气抽提泵组成，它们之间由热空气管相连接，并配有热空气流量调节阀。微波干燥箱用于提供微波源，热空气干燥的气源由一个加热炉产生，加热炉内排列着电热加热管。当只需要热空气干燥时，把工厂造粒生产的胶乳级颗粒胶装入微波干燥箱中，使微波干燥箱处于关闭状态，而热空气加热炉处于工作状态，其产生的温度和风速分别为80 ℃和1.4 m/s，此时，干燥时间为415.8 min。当橡胶达到干燥过程曲线的快速脱水和慢速脱水的分界点（即：干基含水率为5.92%）时，开启微波干燥箱，而使热空气加热炉停止工作，直至天然橡胶的含水率不变为止。分界点由单独采用热空气干燥得到。

1.3 测试方法

1.3.1 脱水速率测定 微波干燥脱水速率的测定：把称量好的湿物料放入微波干燥箱内，开启微波干燥箱，热空气加热炉处于关闭状态，干燥一定的时间，测定样品质量变化，直止物料恒重为止。

热空气-微波耦合干燥脱水速率的测定：先用热空气干燥把物料干燥至转换点含水率的质量，然后改用微波干燥，直至物料恒重为止。

含水率w=（mo-mg）/mg×100%（均以干基含水率计算）。

脱水速率v=△m/△t；

式中mg干物料质量，g；mo物料某一时刻质量，g；△m前后两次测量的失水质量，g；△t前后两次测量的时间间隔，min。

1.3.2 热空气-微波耦合干燥转换点的确定 对热空气干燥过程曲线两端点作切线外推，两条切线外推后得到的交点就干燥过程曲线的分界点，实验以该分界点作为微波和热空气干燥的分界点。本实验采用先用热空气干燥至该分界点，然后，再采用微波干燥至物料恒重为止。

2 结果与分析

2.1 微波干燥天然橡膠干燥特性研究

图2为不同微波功率下胶乳级颗粒胶干燥曲线。由图2可知，干燥特性曲线一共分两段，分别为快速脱水阶段和缓慢脱水阶段。陈美等[19]研究微波干燥天然橡胶也发现，干燥过程分为快速干燥和缓慢干燥两个阶段，且快速干燥阶段为大量水分脱出过程，与热空气干燥相比，微波干燥时间大幅度缩短，认为微波干燥是一种具有发展前景的天然橡胶干燥方式。在快速脱水阶段，随着干燥时间的增加，天然橡胶的含水率快速降低，且呈先快后慢的趋势，这一个阶段主要是去除橡胶表面的自由水分；在缓慢脱水阶段，含水率随着干燥时间的增加，呈缓慢降低的趋势，主要除去橡胶内部的结合水分和毛细管水分。从图2还可以看出，微波干燥功率越大，天然橡胶的含水率降低越快，微波功率为540 W时，物料达恒重，所需要的时间18 min；微波功率为900 W时，所需要的时间为10 min。因此，微波功率对天然橡胶的干燥影响比较显著，增加微波功率对提高干燥效率比较有效。图3为不同微波功率下胶乳颗粒胶脱水速率变化曲线，由图可知，干燥过程分为两个阶段，即快速脱水阶段和缓慢脱水阶段。在相同含水率条件下，微波功率越大，物料的脱水速率越快。这是由于当微波辐射功率增加时，物料中的水分能吸收更多的能量，温度升高，水分的蒸发速率加快；另外，物料内部快速的水分蒸发使细胞腔内形成更高的压力，与外界形成更大的总静压力差，在总静压力差的作用下，物料内部水分向表面迁移的速率大大加快。在这两方面的共同作用下，物料的干燥速率随着微波辐射功率的增加而增加[20]。

从微波干燥胶乳级颗粒胶的实验中，还可以观察到，微波干燥对胶粒质量有较大的影响。当微波功率为900 W时，物料达干燥恒重后，有部分白点难以除去，继续干燥，橡胶粒子比较容易烧焦发粘，使得天然橡胶的质量变坏。当微波功率为540 W时，干燥时间稍长，达干燥平衡时，仍有部分白点难以除去，继续干燥，依旧出现加热不均产生局部烧焦发粘现象。如果微波功率更低时，干燥时间相对较长，干燥后的胶粒质量比高功率和中功率好，但仍有局部烧焦发粘现象。因此，在本试验条件下，与热空气干燥相比，干燥时间虽然很短，但是干燥后产品质量欠佳。

2.2 热空气-微波耦合干燥天然橡胶干燥特性

针对微波干燥过程中存在高功率容易发粘、低功率干燥不完全等问题，为了有效提高生产率，保证产品的质量，设计了热空气-微波耦合干燥机，设备示意图如图1所示。实验先把100 g胶乳级颗粒胶在温度80 ℃，风速1.4 m/s条件下进行热空气干燥，分别干燥至干燥过程曲线的快速脱水和慢速脱水的分界点（即：干基含水率为5.92%），然后，以该分界点作为热空气与微波干燥的转换点，改用微波进行微波干燥，微波功率为900 W。图4为热空气-微波耦合干燥过程曲线。从图4可见，干燥过程曲线由两条比较平滑曲线组成，前半段热空气干燥部分呈缓慢降低的趋势，后半段微波干燥部分呈急剧降低的趋势，整个干燥过程含水率随干燥时间的增加而降低，干燥达到质量恒重时，干燥所需要的时间为130.6 min，与完全用热空气干燥相比，减少了285.2 min，缩短了68.6%的干燥时间。这说明采用微波参与干燥后，干燥效率得到了极大的提高。另外，采用此法得到的天然橡胶产品质量比较好，不存在发粘和白点，这是因为热空气干燥除去大量自由水分之后，换用微波干燥，不容易出现内部过热而使天然橡胶发粘。

图5为热空气-微波耦合干燥速率曲线。从图5可以看到，整个干燥过程分为3个阶段，分别为脱水速率缓慢降低阶段、快速增加阶段和快速降低阶段。在热空气干燥阶段，胶乳级颗粒胶的含水率比较高，脱水速率随水分含量的降低缓慢下降，除去了大量的自由水分和部分结合水分，干燥至热空气与微波干燥转换点时，胶乳级颗粒胶的脱水速率为0.036 7 g/min；转变为微波干燥后，脱水速率急剧升高；脱水速率升至最高点2.0 g/min后，脱水速率再次急剧下降，最后脱水速率降至0.6 g/min，这两个阶段主要去除难以排除的毛细管水分。

2.3 热空气-微波耦合干燥动力学模型

天然橡胶干燥受干燥介质温度、湿度、物料本身物理化学结构、外部形状等的影响，是一个复杂的传热、传质过程。构建天然橡胶干燥模型对研究干燥规律、预测干燥工艺参数有重要作用。目前，用来描述农业物料整个薄层干燥过程的模型一般有3种[21]：

单项扩散MR=Aexp（-rt） （1）

指数模型MR=exp（-rt） （2）

Page方程MR=exp（-rtN） （3）

式中MR=（Mt-Me）/（Mo-Me）（MR称为水分比）；t干燥时间；Mt t时刻物料干基含水率；Me平衡干基含水率；Mo初始干基含水率；A、r、N待定系数。因为微波干燥物料的平衡含水率Me资料很少，且实验获得很难，故把上述的水分比简化为： MR=Mt /Mo[22]。

为了便于分析，将式（1）、（2）、（3）取对数化成线性，分别为：

ln（MR）=lnA-rt （4）

ln（MR）=-rt （5）

ln[-ln（MR）]=lnr+N lnt （6）

根据热空气-微波干燥实验数据（条件为：温度为80 ℃，风速为1.4 m/s，胶乳级颗粒胶转换点含水率5.92%，微波干燥功率为900 W），分别作热空气-微波耦合干燥下的t--ln（MR）曲线（图6）和 lnt-ln[-ln（MR）]曲线（图7）。

由图6和图7可见，热空气-微波耦合干燥过程曲线分为热空气干燥和微波干燥两段，-ln（MR）与t呈非曲线性，ln（-lnMR）与lnt呈线性，这表明天然橡胶的热空气-微波耦合干燥动力学模型满足：Page方程 MR=exp（-rtN）。分别对热干燥部分和微波干燥部分别进行线回归分析，得到热干燥时的动学方程为：MR=exp（-0.048 5t0.685）；微波干燥时的动学方程为：MR=exp（-4.76×10-76t35.905）；得出最适用于热空气-微波耦合干燥天然橡胶的动力学方程为。

MR=（1-a）exp（-0.048 5t0.685）+（1-b）exp（-4.76×10-76t35.905）

式中a定義为热空气干燥转换系数，b微波干燥转换系数，取值为0、1，热空气干燥阶段a取0，b取1，微波干燥阶段a取1，b取0。

2.4 动力学模型的验证

为了验证模型值与实验值是否一致，对预测值和实验值进行了比较，进一步说明数据模型的准确度。图8为由天然橡胶热空气-微波耦合干燥数学模型所计算的预测值与实验值比较结果图。从图8可知，在整个实验过程中，实验值和预测值重合性比较好。因此，在本实验范围内，模型MR=（1-a）exp（-0.048 5t0.685）+（1-b）exp（-4.76×10-76t35.905）可以用来描述天然橡胶的热空气-微波耦合干燥过程。

3 讨论与结论

传统热空气干燥天然橡胶容易造成胶料表层先干燥，互相粘结熔融，而胶粒中心部分出现白心，表面出现大量白点，未干透现象，致使橡胶质量不稳定，因而引起很多学者和专业人士的关注[23]。微波干燥尽管干燥时间段、传热比较均匀，但水分含量高时容易出现烧焦现象[18]。针对现有天然橡胶加工干燥技术存在的问题，结合热空气干燥和微波干燥的优缺点，本研究设计了热空气-微波耦合干燥机，其具有生产效率高、占地小、环境友好和生产出的天然橡胶质量比较好等优点，有望在各大天然橡胶加工厂中推广使用。

研究发现，采用自行设计的热空气-微波耦合干燥机时，整个干燥过程分为脱水速率缓慢降低阶段、快速增加阶段和快速降低阶段，前一个阶段主要除去表面的自由水分，后两个阶段去除难以排除的自由水分和结合水分。干燥得到橡胶色泽和品质比较好，生产效率也比较高。通过对热空气-微波耦合干燥天然橡胶传热过程研究，发现热空气-微波耦合干燥动力学模型满足Page方程MR=exp（-rtN）方程。在本实验范围内，模型为MR=（1-a）exp（-0.048 5t0.685）+（1-b）exp（-4.76×10-76t35.905）。

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