1、 doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2020.04.102 真空膜蒸馏真空膜蒸馏-过热过热蒸气蒸气干燥技术发展现状及展望干燥技术发展现状及展望 林家辉1, 2，张钰2，张化福2，杨俊玲2，张振涛*2，赵丹丹3，彭跃莲4 1 （1-上海海事大学，上海 201306；2-中国轻工业食品药品保质加工储运装备与节能技术重点实验室，中国科学院理化技术研究所，北京 100190；3-河北科技大学生物科学与工程学院，河北石家庄 050018； 4-北京工业大学，北京 100124） 摘摘 要要 过热蒸气干燥技术具有安全、节能和环保等优点，在逆转点温度以上干燥速率比热风干燥快，干燥品
2、质好。真空膜蒸馏-过热蒸气干燥基于热泵膜蒸馏技术，利用透过膜的过热蒸气加热物料，在物料与膜不直接接触的基础上兼顾了过热蒸气干燥的优点，并可通过强化辐射传热等方式提高系统热利用率。本文基于膜蒸馏和过热蒸气干燥的发展，对真空膜蒸馏-过热蒸气干燥的形成和发展进行了综述及展望。 关键词关键词 真空膜蒸馏；过热蒸气干燥；逆转点温度；强化辐射 中图分类号中图分类号：TB79; TK173 文献标识码文献标识码：A Development and Prospect of Vacuum Membrane Distillation and Superheated Steam Drying Technology
3、LIN Jiahui1,2, ZHANG Yu2, ZHANG Huafu2, YANG Junling2, ZHANG Zhentao*2, ZHAO Dandan3, PENG Yuelian4 (1-Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2-Chinese Key Laboratory of Food and Drug Processing, Storage and Transportation Equipment and Energy Saving Technology for Light Industry, Tec
4、hnical Institute of Physics and Chemistry CAS, Beijing 100190, China; 3-College of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, 050018, Hebei, China; 4-Beijing University of Technology, Beijing 100124, China) Abstract Superheated steam drying technology ha
5、s many advantages such as safety, energy saving, environmental protection. With this technology, the drying rate above the inversion temperature is faster than that of hot air drying, and the drying quality is better. Vacuum membrane distillation-superheated steam drying utilizes superheated steam t
6、o heat materials through the membrane. On the basis of no direct contact between materials and the membrane, the advantages of superheated steam drying are taken into account, and the heat utilization rate of the system can be improved by means of strengthening radiation heat transfer and so on. Bas
7、ed on the development of membrane distillation and superheated steam drying, the formation and development of vacuum membrane distillation and superheated steam drying are reviewed and prospected. Keywords Vacuum membrane distillation; Superheated steam drying; Inversion temperature; Radiation enhan
8、cement *张振涛（1968） ，男，研究员，博士。研究方向：智慧能源与除湿干燥技术。联系地址：北京市海淀区中关村东路 29 号，邮编 100190。联系电话：010-82543287。E-mail: 。 基金项目：国家重点研发计划（No. 2018YFD0700200） ，国家自然科学基金（No. 21878005） 。 0 引言引言 过热蒸气干燥技术有近百年历史，在逆转温度以上，其干燥速率快，废热便于回收利用，净能耗小1，国际干燥会议主席 Mujumdar 教授称其为一种未来的干燥技术2。常压下过热蒸气干燥温度过高且不能干燥热敏性物料3，因此学者对低压过热蒸气干燥做了进一步的研究。由于
9、热泵具有高效节第40卷 第4期 2020年8月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.40, No.4 Aug. 20209 能等特点， 常用来作为过热蒸气干燥系统中的热源,温区135215 的过热蒸气热泵干燥系统的比能耗最低可达约 850 kJ/kg4。在常规热泵干燥系统中添加真空泵和温度隔板等即可实现系统的低压运行，通过闪蒸现象将进入箱体的水变为水蒸气5。 膜蒸馏本来用于液体分离，但由于两侧分别需要热量和冷量导致热效率低，常将热泵与膜蒸馏耦合实现能量回收6。由于过程中会产生一定过热蒸气，ZHANG 等7提出不将其在外部
10、冷凝，进行一定的调控后将其作为低压过热蒸气干燥的介质，真空泵在物料侧抽吸，透过膜的过热蒸气加热物料，并带走汽化的水蒸气， 命名为真空膜蒸馏-过热蒸气干燥。干燥过程中膜仅起到产生过热蒸气的作用，物料干燥的过程本质上是过热蒸气干燥，可以通过强化复合膜的外壁辐射换热来加快干燥过程，实现过热蒸气过热度的调控。 本文对真空膜蒸馏-过热蒸气干燥发展历程及研究现状进行综述，并对今后研究的重点进行了展望。 1 真空膜蒸馏真空膜蒸馏 膜蒸馏（Membrane Distillation，MD）技术起源于 20 世纪 60 年代，它是与传统低温蒸发工艺相结合的一种新型膜分离过程8。由于膜为疏水性材料，在膜两侧的介质
11、不会以液体的形式发生跨膜传质9。可挥发物质（一般为水）从热侧膜面汽化穿过疏水膜孔进入到透过液侧冷凝，从而实现分离、提纯或富集的目标10-11。 膜蒸馏的传质过程大致分为 4 个阶段12：1）可挥发性物质扩散到达料液侧膜面；2）可挥发性物质在料液侧汽化；3）在蒸气压差的推动下，蒸气穿过膜孔到达透过液侧膜面；4）蒸气与冷却介质接触，冷凝成液体，并进入冷凝液主体。 根据冷凝液在透过侧蒸气的收集方式不同，将膜蒸馏工艺分为以下 4 种形式：直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏和真空式膜蒸馏13。真空式膜蒸馏（Vacuum Membrane Distillation，VMD）是在真空泵的抽吸作用下
12、，透过侧压力低于料液侧挥发性组分的平衡蒸气压，在此传质推动力的作用下，蒸气透过膜孔进入到透过侧，并在外部冷凝器中冷凝。由于膜两侧的压差较大，膜容易润湿，应采用较小孔径的膜，具有跨膜导热损失小、热效率较高和膜通量大的优势， 但由于 VMD 装置中需要有真空泵和外部冷凝器，使操作变得复杂。 2 过热过热蒸气蒸气干燥干燥 过热蒸气干燥（Superheated Steam Drying，SSD）是指利用过热蒸气作为带走水分和提供能量的介质，直接与被干燥物料接触而去除水分的干燥方式14。最早在 1908 年 Hausbrand 就提出 SSD 的概念15-16，直到 1978 年才出现了第一台工业用的过
13、热蒸气干燥机17，此后 SSD 受到了国内外学者越来越多的关注。 2.1 过热过热蒸气蒸气干燥干燥理论理论 过热蒸气干燥优越性是在一定的温度条件下才能体现出来的。在 SSD 中，存在某一温度使得水在干空气中的蒸发速度与在过热蒸气中的蒸发速度相同，在此温度以上，水在过热蒸气中的蒸发速度较大；反之则相反，这一现象在理论和实验上都得到了证明，称为“逆转点温度”18。YOSHIDA 等19给出了逆转点温度的新定义：局部逆转温度、表观逆转温度，并提出不同湿度的空气与纯过热蒸气相比较，得到的逆转温度不同。CHOW 等20主要探讨物理原因，认为逆转温度存在的原因是蒸气干燥的传热系数大，蒸气温度与界面温度之差
14、较小；空气传热系数小，但流体温度与干燥界面温之差较大，从而必然存在一个温度两者传递的热量恰好相等。SHEIKHOLESLAMI 等21通过木屑干燥实验验证了逆转点温度，并比较空气和过热蒸气的热物理特性参数解释原理。 连政国等22从干燥力学的角度说明了过热蒸气温度的提高对干燥速度的提高影响要大于对热风的影响。SEHRAWAT 等23做出另一种解释，即SSD 中不存在空气，水分蒸发在自身蒸气中不存在扩散阻力，在相同温度下过热蒸气干燥的传热性能优于空气，给出干燥速率与传热效率的函数关系。 由于逆转温度测量实验复杂，影响因素多，难以通过实验获取准确的逆转点温度。因此，学者选取不同物料建立过热蒸气干燥模
15、型及模拟研究。SA-ADCHOM等24建立一个预测物料内部水分和中心温度的变化半经验模型，对传质系数的估算方法具有通用性。PAKOWIKI 等25研究了石膏降速段的干燥速率，建立了物料表面温度和干燥速率的函数第40卷 第4期 2020年8月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.40, No.4 Aug. 202010 关系。 YANG 等26和 SHI 等27釆用欧拉-欧拉模型描述了流化床干燥室内的湍流流动，实验验证非稳态轴对称数学模型的可靠性。史勇春28建立了内部传质阻力褐煤过热蒸气干燥，并引入计算流体力学。 2.2
16、低压过热低压过热蒸气蒸气干燥干燥 常压 SSD 温度高， 干燥速率快， 但不适合干燥热敏性物料。 因此， 学者对低压过热蒸气干燥 （Low Pressure Superheated Steam Drying， LPSSD） 进行了进一步研究。SUVARNAKUTA 等29建立了描述低压过热蒸气干燥胡萝卜块的数学模型，模拟了内部热量和水分的变化特性，研究了 -胡萝卜素的变化。 KITTIWORRAWATT 等30在此基础上认为湿物料收缩速率随时间是非线性变化，并考虑了冷凝段，对模型的温度上升比实际缓慢，且在高温低压时物料中心温度预测值低于实际测量值，给出了未考虑内部蒸气的产生对内部湿分扩散的解释
17、。 从 SSD 干燥数学模型模拟方面的研究来看， 数值模拟法仍是研究 SSD 过程及物料内部传热传质行为特性的重要方法，但是大部分研究过程中为了简化计算，可能忽略了热辐射或物料的收缩等。国内外学者已经在腰果31、 白萝卜32和芒果33等多种物料上验证了 LPSSD 的优点，总体而言，优势包括以下几个方面34-35： 1） 可利用蒸气的潜热，热效率高，节能效果显著，热效率可高达 90%。 2） 干燥速率快。过热蒸气的热传递特性优于相同温度下的空气，是由于预热阶段初期，过热蒸气冷凝放热量大，换热系数高；蒸发产生的水蒸气的扩散几乎没有不同分子间传质的界面阻力，物料在恒速干燥段的干燥速率只取决于热传递
18、的速率，干燥周期可明显缩短。 3） 干燥质量好。用过热蒸气作干燥介质时，由于物料表面湿润、干燥应力小，不易产生开裂、变形等干燥缺陷；同时由于过热蒸气干燥无氧化反应，物料颜色不易产生酶促褐变；可以在低温高过热度下干燥，梅拉德反应褐变少，高热敏性、高活性物质劣变少，干燥品质好。 4） 安全性好。过热蒸气干燥避免了干燥室着火或爆炸的危险。过热蒸气干燥无空气存在，没有氧化和燃烧反应。一些通常不能用热风干燥的食品原料，可以用过热蒸气干燥。 5） 减少设备的体积和废气的净化量。过热蒸气的比热大，循环干燥介质用量少；不凝气少，可以减少设备的体积和废气的净化量。 6） 有利于保护环境。过热蒸气干燥是在密封条件
19、下进行，粉尘含量大大降低。 3 VMD-过热过热蒸气蒸气干燥干燥 常规的 LPSSD 系统通过水的闪蒸现象获得过热蒸气，不仅能耗高而且无法实现过热蒸气过热度的精准调控，为此学者提出 VMD-过热蒸气干燥。 3.1 VMD-过热过热蒸气蒸气干燥的特点干燥的特点 VMD-过热蒸气干燥与已有的真空干燥和VMD 干燥有本质的不同，如图 1 所示。图 1(a)是真空干燥，将物料平铺在支撑板上，用真空泵抽吸使物料处于负压，加快物料中的水分挥发速率36。图1(b)是DRIOLI等37在2014年提出的一种新干燥方法，用疏水多孔膜取代真空干燥中的支撑板，真空泵在物料的另一侧抽吸，由于膜孔比物料的尺寸小，物料不
20、能透过膜，其中的水逐渐汽化，颗粒物料也逐渐浓缩和干燥。膜是物料和水蒸气间的屏障，物料与膜之间需要直接接触，会造成膜的物理损伤。图 1(c)是 VMD-过热蒸气干燥，真空泵在物料侧抽吸，透过膜的过热蒸气加热物料，并带走汽化的水蒸气。在这个干燥过程中，热侧的水温可人为控制，透过膜的水蒸气温度不会超过热水的温度，所以能实现低恒温干燥。物料处于负压状态，兼顾了真空干燥的特点。膜仅起到产生过热蒸气的作用，物料与膜可以不直接接触，对膜不会造成物理损伤。同时，SSD 的优点也能充分体现。 用 VMD 来产生过热蒸气时，热侧流体可以用纯水，有效避免了膜污染。出干燥器的蒸气冷凝后可以循环进入 VMD 热侧，实现
21、纯水的零添加。整个干燥过程只需补充少量热能。此外，由于复合膜内部流动的工质温度较高，因热传导作用使得复合膜外壁面也具有较高温度（相比于待干物料） ，此时如果复合膜的外壁面具有较高的发射率38，将强化复合膜的外壁与待干物料间的辐射换热量，进一步提升对物料的干燥效率。 第40卷 第4期 2020年8月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.40, No.4 Aug. 202011 支撑板物料蒸汽真空侧真空侧蒸汽物料疏水多孔膜c疏水多孔膜蒸汽物料真空侧热水 (a) 真空干燥 支撑板物料蒸汽真空侧真空侧蒸汽物料疏水多孔膜c疏水多孔
22、膜蒸汽物料真空侧热水 (b) VMD 干燥 支撑板物料蒸汽真空侧真空侧蒸汽物料疏水多孔膜c疏水多孔膜蒸汽物料真空侧热水 (c) VMD-过热蒸气干燥 图 1 三种干燥方法 3.2 强化强化辐射辐射换热换热 尽管过热蒸气干燥具有上述优点，仍然存在能量消耗大等问题。强化辐射换热可以弥补低压过热蒸气干燥的缺点，缩短干燥时间并减少干燥能耗。NIMMOL 等39-40对低压过热蒸气干燥 （LPSSD） 和红 外 耦 合 低 压 过 热 蒸 气 干 燥 （ Low Pressure Superheated Steam Drying and Far-Infrared Radiation ， LPSSD- F
23、IR ） 进 行 了 对 照 实 验 ，LPSSD-FIR 不仅干燥香蕉片的品质高于 LPSSD， 而且干燥时间和比能耗也明显减少。在干燥室压力7 kPa、温度 90 的工况下优越性最明显，干燥时间缩短 21.74%，真空电机的比能耗降低 21.77%，加热器和辐射板的比能耗降低 32.80%。 在讨论水蒸气的辐射换热问题时，气体光谱主要集中在红外部分，即有实际意义的波长范围是0.751,000 m， 因此适合采用宽谱带模型41和总体模型42进行分析研究。HAIJ 等43针对水分在过热蒸气中的蒸发速率存在很大差异的情况进行实验研究，分析了壁面热辐射的热效应，壁面热辐射能量约为传递的总热能的 5
24、%，还发现水分蒸发速率与质量通量无关。IYOTO 等44对过热蒸气干燥过程中的热辐射和对流组合传热的特性进行了详细研究，指出热辐射受设备形状和容积、蒸气供给情况的影响；热辐射的存在降低了过热蒸气的总体温度， 但提高了传热量； 热辐射对逆转温度也有影响，可降低逆转温度；热辐射效应随着蒸气流速降低而增强；考虑热辐射效应，局部传热系数较大，当入口处过热蒸气温度为 250 ，流速为 500 kg/(m2 h)时，考虑热辐射时的局部传热系数增加近 2 倍，当流速变为 1,400 kg/(m2 h)时，考虑热辐射时的局部传热系数约增加 1 倍，平均传热明显增强。 除了添加红外加热系统外，强化辐射换热的方法
25、还有很多。 KENNEDY 等45发现降低选择性吸收涂层的发射率是降低集热管热损失、提高集热管效率最直接有效的方法之一。龚广杰等46建立了Schott 2008 PTR70 的热损失模型， 模拟结果与实验结果比较，得出选择性吸收涂层的发射率越大，热损失越大。张业强等47采用准静态平衡法测得的热损失较大， 在高温时 （290 ） 是稳态平衡法的 1.18倍，槽式太阳能真空集热管的辐射散热射占到总热损失的 70%90%。 在膜辐射换热的研究中发现，膜的光谱特性起着重要的作用48，有利于提高热性能。WANG 等49使用均方根偏差模型模拟了新型太阳能集热管的辐射特性，外表面的太阳能选择性吸收涂层使热损
26、失降低了 23.4%。WANG 等50实验分析了具有透明氧化物涂层的膜组件热损失量相比传统组件减少了 8倍并模拟了最佳截止波长，指出理想的换热薄膜应具有较高的内表面反射率和较低的外表面辐射率。较低的辐射温度可满足多种干燥方式的干燥需求51，低温辐射耦合干燥不仅提升了干燥品质，还可达到节能的效果。 4 结论与结论与展望展望 VMD-过热蒸气干燥应用于食品等热敏性物料，避免了因操作温度高而影响产品品质的问题，作为一种新型干燥技术具有广阔的发展前景，对现有发展不足提出几点展望： 真空侧真空侧 真空侧真空侧 真空侧真空侧 蒸气蒸气 蒸气蒸气 蒸气蒸气 物料物料 物料物料 物料物料 支撑板支撑板 疏水多
27、孔膜疏水多孔膜 疏水多疏水多孔膜孔膜 第40卷 第4期 2020年8月 制 冷 技 术 Chinese Journal of Refrigeration TechnologyVol.40, No.4 Aug. 202012 1）精准工艺调控方法。VMD-过热蒸气干燥可以干燥高附加值指热敏性物质，且产品品质较好，进一步的研究应侧重于能源精准利用及精准工艺； 2）推进工业应用进程。VMD-过热蒸气干燥顺应了节能环保的能源发展趋势，具有很高的工业应用潜力，但目前专业的加工设备较少，LPSSD 的实际应用也很少，有必要加大推广； 3） 干燥模型研究及数据采集。 目前研究的 SSD模型大多为半经验模型，
28、存在有些实际不相符的假设，并且大部分忽略了气体辐射，所以有必要建立全面分析干燥热性的过热蒸气干燥模型。不同薄膜的膜通量不同，对干燥介质温度压力等的物理特性影响也不同，但现有的工作大多集中在薄膜的物理特性研究上，要想实现实际应用还需要对干燥介质进行研究。 参考文献： 1 潘永康, 王喜忠, 刘相东. 现代干燥技术M. 北京: 化学工业出版社, 2007. 2 MUJUMDAR A S. Mujumdars practical guide to industrial dryingM. Montreal, Canada: Sakamon Devahastin Exergex Corporation,
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