工业干燥的革新现状与研发需求 - 文章

工业干燥的革新现状与研发需求

作者：渐加坡国立大学 Arun S Mujumdar

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摘要：在过去的30年，全球干燥研发活动呈现出快速增长趋势。尽管热力干燥在几乎所有主要工业生产部门都是一个重要的单元操作，干燥基础和工业应用研究却是在上世纪70年代早期发生能源危机后才开始兴起。随后石油价格下跌，但人们已认识到改善干燥操作以节省能源、提高产品质量、减少环境影响的重要性；最近几年更增强了这种意识。新的干燥技术、更好的操作措施和干燥机控制策略、先进和可靠的放大方法，已经帮助生产出低成本和高质量的干燥产品。由于没有一个普遍适用的干燥理论，多数干燥数学模型仅适用于特定的产品和设备。本文将讨论革新在不同工业干燥部门如纸张、木材、农产品、废弃物等所发挥的作用，概述过去30年干燥研究的进展和面对的挑战，指出一些需要继续研究努力的干燥领域，举例讨论通过数学模型强化干燥器设计的革新，同时强调指出，学术界与工业界紧密互动是未来10年干燥研发获得成功的关键。
关键词：革新强化；数学模型；能源；环境影响；新型干燥机；研发需求

1 前言

热力干燥是一个重要的单元操作，耗能甚高，且对多数产品质量有着决定性的影响。能源价格的攀高，对环境友好和可持续发展技术的需求以及消费者对产品质量不断提高的要求，推动着工业界和学术界更努力于干燥技术和装置的研发。干燥领域的研发并不需要大量资金。的确，就当前世界范围的人力和财力资源来看，对干燥研发的支持已经达到了可持续发展的水平。西方发达国家研究兴趣向纳米科技转移而出现的干燥研究活动的疲软，已被新兴国家如中国、巴西、印度等所填补。就整体而言，尽管北美和欧洲的研究兴趣在急剧下降，但全球范围的干燥研发活动仍处于上升期。工业干燥能耗占发达国家工业能耗的12％一25％，因此能源的高价格迟早会带动干燥研发活动的进一步发展。成千上万种产品需要利用100多种不同干燥机进行干燥的事实，为干燥革新提供了大量机会。本文将先论述革新的定义和如何强化革新，然后对一些新技术与仍占市场主导地位的传统技术作比较，最后强调工业界与学术界的互动以及工业界的先期行为对干燥研发工作的重要性和必要性。

2 研发的需求和作用

学术界和工业界的研究人员及拨款机构一致认为，应当投入更多的研发资金，并认为研发资金是一种投资而不是无偿拨款，因而应当考虑经济效益与社会效益、投入与产出的比例。但是以国家拨款(或公共基金)为主要研发资金来源时(大多数国家是如此)，其本益比的判断是困难的。

许多学术文献研究了国家资助基础研究的经济回报问题(如A．J．Salter and Ben R．Martin，Research Policy，Vo1．30，2001，PP．509—532)。正如这些作者所指出的，研究结果可能是可用于经济目的的信息或知识。他们认为，国家资助研究结果具有信息型的特征，其所创造的知识是“非对立性的”和“非排他性的”。所谓非对立性，是指当他人利用该知识时，并不会造成该知识创造者的知识损失。所谓非排他性，是指任何人都可以利用该知识—— 即使竞争对手也能免费地接触到该知识。许多杂志(包括《干燥技术》)所传播的信息和知识都具有这些特征。

信息和知识是“免费的”，然而培养理解并利用这些知识以产生效益的专业人才，却需要大量投资。从这个意义上讲，科学知识并不是真正“免费的”，需具备必要能力的人才能利用它。1996年，一份OECD报告指出：“信息和知识是丰富的，而具有利用这些知识能力的人却是稀缺的”。每个人都可以接触到信息，但只有那些具有专业才能的人可以把信息转化为有用的知识并用于革新(或创新)。

我个人认为，技术革新的速度直接取决于信息与知识的产生速度以及知识的利用效率。后者是对知识消化吸收与利用能力的一种评价。知识的有效传播是重要的；培养利用知识的能力也同等重要。学术研究机构负有培养这种能力的责任。他们既能创造新知识，也能有效增强创新速度，从而推动国家的经济发展。

“可持续发展”是时下流行的一个很有意义的话题。如果所有的发展都是可持续的，世界将会变得更美好。我相信，“可持续”概念同样可应用于学术和工业界的研发活动。

面对世界范围研发资金比例的持续萎缩，我们深感忧虑。拨款机构用各种方式来削减这个蛋糕。通常，时下流行或时髦的研究领域能获得蛋糕的大部分，因而减少了许多关键或核心领域的资助，甚至停止了对许多所谓传统研究领域的资助。人们想当然地认为，传统领域已存在了很长时间，已经进行了足够的研发工作；同时认为新领域必然是革新的、有创造力的，因而对未来经济发展是有价值的。过去20年来，大量资金投入到了能源、环境、生化科技、信息技术等研究领域，最近又投入到纳米科学技术的研究。当然，所有这些研究领域是重要的，也值得资助。问题是不能顾此失彼，以免造成其他核心技术的失衡。这就需要考虑我所提出的维持“可持续研究”这一问题。我在想，如果全世界的研究机构都专注于研究纳米科学，那么是否会有足够的机会让如此多的研究者做出开拓性的贡献?市场是否足够大，能让这些投资都获得满意的回报?结果只能是少数具有人才和资金优势的研究机构得到了商机。与此同时，当前工业所需要的领域和能形成当前产业生命线的技术研发却被冷落了，因而会停滞不前。研究人员过分拥挤在某个研究领域，就像某个研究领域由于资助太少而造成研究人员流失一样危险。过度资助并不会保证创新理念的发展，甚至可能阻碍发展，因为赞助资金容易获得而变得没有竞争力，那种想靠新技术创造横财的愿望可能会落空。

据此，可以这样推论：对每个研究领域研发资金的资助都应该保持一个可持续发展的水平；低于该水平，研发投资的回报率将下降。如果不进行干燥研究，必将造成其他领域结构成本的增加。干燥被认为是一个成熟的领域，从许多方面来讲的确如此。然而，干燥仍有许多未解决的复杂问题，这些问题值得关注和重视。对干燥研究提供中等程度的资助是绝对必要的，因为该单元操作消耗能源甚多，并对产品质量和环境有直接影响。工业界和学术界应当更紧密合作。这种合作，不仅能培养出高素质的研究人员，而且能够发展更先进的技术，从而有利于工业发展和广大消费者。显然，没有干燥单元操作的工业几乎没有，因此，任何时侯对干燥研发的资助都可以获得有利的回报。将研究结果进行国际交流的一个有益结果是：不需要所有国家都涉及众多的科研领域，而可以根据各自的资源优势开拓自己的科研领域。

3 革新

1992年，Howard and Guile将革新定义为：“从某个发明开始，随着该发明的发展而进步，以新产品进入市场或引入生产与服务为结果的过程。”为了进入自由市场，革新必须具有成本效益。激发革新的因素对干燥而言，我认为有以下几个方面；

(1)到目前为止，未发明或制造的装备或产品；
(2)比当前技术具有更大的生产能力；
(3)更好的产品质量或质量控制措施；
(4)减少对环境的影响；
(5)更安全的操作；
(6)更高的生产效率(可导致更低成本)；
(7)更低成本(降低整体费用，更低的投资或运行费用)。

一些工业具有较短的产品或技术更新周期(或生命周期)，如一些电子和电脑产品更新周期不到2年。革新对其生存是至关重要的。一些工业具有长的更新周期，如典型干燥机的更新周期可达20—40年。在这些工业部门，革新进展缓慢并且不容易被接受，用更新颖设备替代现有硬件不会很频繁，其回报也不是很有吸引力。

革新可能是革命性的，也可能是渐进性的。渐进的革新通常基于适应性设计，有更短的酝酿期(孵化时间)，市场接受所需时间短，是典型的“市场推动”结果。“市场推动”意味着市场先有了需求，革新者可以在革新过程的线性模型基础上，在主要设计不变的情况下作局部设计的巧妙修改。而革命性的革新是比较少见的，酝酿期长，市场接受阻力大，通常是“技术推动”的结果。“技术推动”革新可以是受其他领域新技术发展的激发而导致本领域新产品设计或生产过程的革新。在这种情况下，革新者不得不自己培育市场需求。因此，革命性的革新具有很大的风险，通常需要较多的研发投资和持续的市场培育过程。革新技术，从概念到真正进入市场需要时间。众所周知，在第一架直升机试飞的500年前，直升机的概念就已经出现了。大约100年前，利用过热蒸汽作为干燥介质概念也是众所周知的，然而直到50年前，人们才第一次真正实现过热蒸汽的商业潜力，但还是未能充分利用它的潜力。事实上，到现在为止，过热蒸汽潜力仍然没有被充分了解。革新需要长酝酿期的一个最近例子是芬兰Jukka Lehtinen博士所提出的瓦楞纸板的冷凝带式干燥器。在这项技术的首次成功展示之前，其研发工作整整持续了20年。

也许有人会问，能否估算出一个用某项革新技术替代现有成熟技术的时间?著名的福思特“s”型曲线(Foster，1986)，是解决该问题的一个有效工具。该曲线描述了产品或过程的性能指标与投入到相关技术研究的资源之间的“s”型关系。每一项技术都有一个性能渐进线，当该技术的性能接近渐进线限制时，寻找替代技术的时机便已成熟。该替代技术不是在保持主要设计下的部分改进或提高，而应该是一个全新的概念。一旦替代技术的潜力得以全部开发，其性能将远高于现有技术所能达到的水平。

表l列举了一些由市场和技术推动的新型干燥技术。在两种类型间，要将一些技术进行完全的区分或分组是不可能的，因为技术在“市场推动”后的发展仍将要求“技术推动”来继承。例如，新材料的需要是冷凝带式或冲击纸张干燥过程成功应用的关键。

表1 由市场和技术推动的新型干燥技术
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革新已成为学术和工业界的时髦话题，在干燥研发领域也不例外。过去20年来，我们通过一系列IDS会议和干燥技术杂志(Drying Technology)来推动干燥领域的革新。然而，革新成就的定量评价仍然是很模糊的：目前还没有一个能被广泛接受的评价革新成绩的指标，也没有一个共同考察投资回报的综合指标。这些指标对革新管理是至关重要的。一些文献研究使用研发投入、专利数量、专利检索次数、新产品发布数量等作为在工业领域考核革新成绩的指标。在学术研究机构，革新成就的考核更加困难。学术机构经常注重于所发表(文章)内容的影响力，而这种影响力是很难评价的。

向大自然寻找一些解决复杂问题的真正创造性的方法是非常有趣的。《机械工程设计》(Mechanical en~neenng design，2004)有一篇文章讨论了投弹手甲壳虫。这种甲壳虫能够以高压、脉动喷雾方式向敌人喷射一种沸腾的有毒液体。在过去的20年，生物学家和生化学家已经深入地研究了该液体的化学成分和脉动喷射机理。康乃尔大学G．Eisner教授发现投弹手甲虫会产生过氧化氢酶和对苯二酚，当被敌人攻击时，它能够在一个微小的心型“燃烧室”(反应器)内混合两者，以产生苯醌和蒸汽；然后，混合物能够以脉冲射流的方式喷射出去，其温度高达100~C。英国利兹大学Mclntosh教授最近的研究已经发现该甲壳虫的独特心型反应器的最大喷射流量，这一点至关重要。该脉冲射流的频率为300Hz。能够作任何方向旋转的喷嘴形状也很重要。McIntosh教授期望通过对这种独特生物的深入研究，能够找到一种可以解决燃气涡轮飞机发动机在高空极低温下停机的重新点火问题。显然，自然界发生的奇迹能够帮助我们找到解决复杂问题的新的工程方法。

仿真自然机理是仿生学的一个特征。在仿生学中，科学家和工程师在学习那些早已在自然界使用的复杂而又巧妙的设计。的确，投弹手甲壳虫的基于脉动燃烧的自我防卫系统是一个特别复杂的设计。对该喷射机理的研究要有精密复杂的研究技术和多学科专家(生物学家，生化学家，化学家和工程师)的协作。我相信，脉动燃烧器更先进的设计可以导致更新型脉动燃烧干燥器的设计，从而可以对液体进行直接干燥。当然，该概念的可行性目前仍未有定论。

革命性的技术革新经常会遭遇工业界的怀疑甚至反对。每个人都希望在自己适宜的范围内工作；大部分行业是不愿意冒险的。因此，革命性的革新进入市场并被这些行业接受会相当困难。然而，当革新越过障碍后，便具有了爆发性的潜能，因为它们有潜力去替代甚至排挤现有技术。值得注意的是，在商业领域，大部分公司愿意当第二个而不是第一个进入市场的革新者。

只有在合适的孵化条件下，革新才会呈现欣欣向荣的局面。例如，美国被公认为是革新的最大发动机，美国的成功是由大量因素所促成的：包括思想和言论自由，崇尚独立思考，对多元文化和观念的包容，新移民带来的智力和思维方式，发达的金融市场和冒险精神，等等。世界其他地方很难复制这种成功。最近几十年，美国这种孵化体系在全球化市场方面带来了一系列革新理念。工作外包给发展中国家是一项来自美国公司的商业革新。外包不可能对美国经济产生长期的不良影响，因为工作外包将迟早会激发美国商业模式的革新。

1972年，气象学家Edward Lorenz发表了一篇文章，题为“一只巴西蝴蝶翅膀的拍动会引发德克萨斯的龙卷风吗?”。文章本质上概括了混沌理论。在复杂的非线性系统中，小扰动将导致大偏差，明显的随机事件(像翅膀的拍动与龙卷风)可能确切地遵守一些潜在的规律。真正的革新也遵循一个非线性路径。有这样一种可能性：即干燥机设计的一个小变动可能最终导致干燥技术的大提高，但目前我们还不能预见这种提高。基于这个原因，我们希望干燥技术的发展是混沌的。

最后，革新不一定要依靠新思想。一些旧思想也可以重新焕发生命力，例如利用过热蒸汽干燥。重新考虑一些旧思想在当前条件下的可行性也是很重要的。一些超前于当时所处时代的新颖想法可能会失败，但当时机成熟、条件具备时，该想法可重新焕发生命力。

4 革新的强化

2002年，Dodgson等提出通过应用数字技术以强化革新过程。通过数字技术，人们能够以一种成本低廉的方式来模拟、仿真、整合和强化革新过程，实现革新自动化。事实上，这就是所谓的“罗斯威尔的第五代革新过程”概念。基本上，超强的数值计算能力可提供一个新的“电子工具箱”，使各种信息的传递、转换和控制变得更加容易；而这些信息对新产品与生产过程的革新成功是必不可少的。

干燥技术的革新可能源于(a)不经意中发现新奇事物并受启发(运气)，f1))热质传递过程基本定律，(C)经验主义。通过经验所产生的革新本质上是渐进性的，是基于先前技术的小步提高。源于运气和基本原理的革新可能是渐进性的，也可能是革命性的。在基本定律的指导下，以数学模型来强化革新过程显然是可行的。通过利用可靠的数学模型，人们可以定量地或统计性地模拟热质传递过程。举例来说，喷雾干燥、闪速干燥、纸张的高温冲击干燥都允许计算机辅助设计和过程模拟。通过流体力学数学模拟，人们能够以最少费用和最小风险来评估喷雾干燥塔的新设计。计算机过程模拟能够极大地减少从概念到产品上市的时间与设计过程的费用。这和飞机制造工业所做的没有什么不同。不像以前的机型，波音—707的设计主要是通过计算机辅助模拟和设计完成的。然而，喷雾干燥室内的热质传递过程远比机体附近的气体流动现象复杂。

对于固体和液体干燥领域的革新，略过革新的具体类型和本质，我们有如下的观点与见解：

(1)干燥机的多数新设计本质上是小步提高，如2级或3级喷雾干燥。

(2)g新是基于现有技术的科学组合。例如，2级喷雾和流化床干燥机，蒸汽管道旋转干燥机，超声一喷雾干燥机等。

(3)到目前为止还未出现突破性的干燥技术(例如可替代传统干燥技术的革新)。

(4)与传统干燥技术有很大不同的新颖革新，不容易被工业界接受，如过热蒸汽纸张冲击干燥、挂面纸板的冷凝带式干燥、脉动燃烧干燥、利用液态金属浴干燥纸张、织物的可控燃烧干燥过程、淤泥的冲击流干燥等。

(5)干燥设备的更新通常受干燥设备长寿命所限制例如，多数干燥机的寿命是20～40年。因此，干燥设备更新需求往往是有限的。

(6)通常，第一个将新产品或生产过程引入市场的公司，并不一定能作为首个技术革新者而从市场上获利。这种现象阻碍了新技术的市场化。一个行动迅速的第二或者行动比较迟缓的第三个商家可能在市场上超越首个革新者。通过Teece的观察(1986)，对一些科技型公司来说，这种现象经常发生。这些企业通常有一种天真的想法，即满足顾客需求的新产品肯定能保证成功。这种现象的一个经典例子就是RC可乐公司。它首先将罐装可乐引入市场，然而却是可口可乐和百事可乐主导了市场。还有许多类似的例子，如口袋式计算器(鲍美尔被德州仪器、惠普和其他公司超越)、个人计算机(施乐被苹果超越)、喷气式飞机(德一哈威蓝一卡美特被波音707超越)，等等。在这些案例中，革新者是第一个进入市场，但不能维持甚至还达不到市场的主要份额。因此，很多公司不愿意第一个将新产品或生产过程引入市场。

(7)革新概念通常由学术研究者首先提出并发表在没有知识产权保护的公开文献上。然而，由于工业利用公开学术成果不会产生任何档案记录，也就没有所说的“侵权”问题，因此这种工业应用不会给学术研究人员带来利益。以作者的经验，这是一把双刃剑。一方面，学术思想可以被广泛和自由地传播，从而更大程度地有利于社会；另一方面，潜在的工业兴趣被削弱。因为这类革新是公众所知的，工业的进一步研发投资可能没有回报。可见，知识产权问题是必须解决的，这有利于鼓励学术界创新以及革新向工业化的转移。

(8)结合基本定律和数值模拟，可以强化革新；紧密的工业一学术交流也是一种有吸引力的与有效的强化革新的方法。人们在广泛阅读相关技术文献后会发现，许多源于学术界的新干燥机概念很少被工业界利用。其原因是必要的后续开发工作已经超越了学术研究的范围。没有研发中的开发，技术转移不可能发生；但如果没有研究，研发中的开发也无从谈起。研究对干燥的重要性是不言而喻的，没有研究，整个干燥行业将无法生存。

(9)干燥，与普通人的印象相反，是知识密集型技术。干燥机的制造加工技术通常不是很复杂并且大多数发展中国家都具备这种条件。设计一个具有成本效益的干燥系统来说，真正需要的是该干燥过程的“知识”以及“技术诀窍”(经验)。知识是无边界的，并且随着发展中国家信息技术的发展，其传播速度在加快。由于信息技术的发展，知识和技术诀窍容易被发展中国家的受过良好教育和有进取心的知识分子所消化吸收。据美国能源部一个承包商的估计，整个美国干燥机市场为5亿美元。这可能是一个低估的数字，但离实际数字不会太远。因此，干燥机的设计、操作和优化是干燥机行业的关键业务。很明显，这需要基础研究和应用研究。

(10)高效率干燥研发工作通常是学科交叉的。工业合作者能够有效地提供研发工作所涉及的产品知识和技术(经济方面)。

(11)国际交流、合作和竞争总体上有益于强化革新，可以给研发工作带来人力、财力、资源方面的协同优势，并可避免浪费。

表2 传统和革新干燥技术
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5 传统与新型干燥技术

要在传统和新型干燥技术之间做出明显的区分是很困难的，因为多数新技术是在传统技术基础上逐步发展的。这种渐进式的发展是“无缝式”的，人们不可能分辨出在何时以及何地发生。因此，下列讨论似应考虑干燥行业本身这种内在的模糊性。

1995年，Kudra和Mujumdar对不同的新型干燥器进行了分类与讨论：从实验室供研究用的小规模(如声波干燥，射流喷雾在热平板上的浆料干燥)、中试规模(如脉动燃烧干燥，超声喷雾干燥，冲击蒸汽干燥)，到完全商业规模的干燥机(如脉动流化床，过热蒸汽流化床，闪速干燥机，干燥气体注入旋转床的旋转干燥器)。有兴趣的读者可以参阅2002年出版的这本书。《工业干燥手册》(Mujudar，19951也有相关内容。

针对不同形状湿物料的干燥，表3概括和比较了传统与新型干燥机的主要特征。需要说明的是，新型干燥器不一定在所有产品干燥上都比传统干燥器表现好，但是新型干燥器在一些特定的应用场合却有特别的优势，因而是一种更好的选择。一些新型干燥器是传统干燥器的简单而巧妙的组合。由表3可以看出，新型或新兴干燥技术与常用传统干燥技术的能量来源相同，但在热量释放和向湿物料传递热量方面却有很大不同。

表3 传统和新型干燥机的主要特征
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在化学工业，通常需要将可泵送的液体(溶液，悬浮液和浆料)、薄或厚层糊状物(包括泥浆)或颗粒状固体进行干燥造粒。对于这种应用，喷雾和转鼓干燥机是首选。现在，喷雾干燥机不仅可以将可泵送的液体干燥成粉末，而且能生产出特定大小的颗粒结构(团块，细粒，或尺寸均一的球形颗粒)。干燥机现场及其附近工作安全，控制环境污染物排放，以最小的成本产出高质量的产品，这些都是现代喷雾干燥机设计考虑的重点。在计算机模拟的帮助下，干燥室形状与干燥室内空气流的优化设计将获得喷雾干燥机的最小颗粒沉降。喷雾干燥机用柔软帆布代替金属锥体部是一种革新。水平喷雾干燥室外形设计可通过流体力学计算进行模拟评价。

内置式可净化布袋过滤器的发展使细小颗粒截留在干燥室内成为可能。通过在喷雾干燥器顶部安装过滤器单元，可成功截留细小颗粒。在这种情况下，外部旋风分离器是不需要的。这种技术与现在流行的流化一喷雾干燥机(将流化床干燥机整合到喷雾干燥室的底部)相耦合，能够在比传统喷雾干燥器更低的温度条件下，有效地生产无灰尘的团块或细粒产品。

对于细粒或粒状固体干燥，目前最常用的干燥机是带有或没有内置蒸汽管的喷流旋转干燥机、气流干燥机、连续盘式干燥机、流化床干燥机(有或没有内置换热器)和振动床干燥机。仅以流化床干燥机为例，至少有20种变种。对粒径更大的颗粒，喷动床干燥比传统流化床表现要好。对不易流化的粘性颗粒或有广泛粒径分布的颗粒料，振动床要比传统流化床好，因为它允许使用一个较低干燥空气速度并且机械振动有助于固体的流态化。最近，发现脉冲流态化技术有类似于振动流化床的一些有趣应用。

在接近大气压力(粉煤的干燥)或更高压力(3xl0⁵-5x1O⁵Pa的甜菜废丝干燥)下，流化床干燥机已经能够成功使用过热蒸汽作为干燥介质。过热蒸汽的使用除了能消除火灾和爆炸的危险外，还允许通过冷凝、重新加热或压缩来利用废蒸汽。当然，废蒸汽经常在干燥过程被污染了，在重新利用之前应当加以净化。过热蒸汽干燥机的净能源消耗很低，为2900—4200kJ／kg蒸发水分。1990年，Mujumdar具体讨论了在不同工业部f-J~n纸张、处理过的食物、淤泥等过热蒸汽的干燥技术原理、实践和应用潜力。这本书引用了大量相关文献。过热蒸汽干燥技术被认为是未来的干燥技术。众所周知，低温过热蒸汽干燥机适合干燥热敏性物料，如水果、蔬菜、蚕茧等。过热蒸汽干燥产品的良好质量已由电镜扫描照片得到了证实。利用低温蒸汽干燥，阿根廷已经制造了容易复水的干水果，如草莓、梨、苹果。另外，真空蒸汽干燥可能是木材的最好干燥技术。发展中国家(如马来西亚，印度，泰国等)而不是北美的发达国家，已经大量投资于热空气窑式木材干燥机。该干燥机不容易转换到蒸汽操作。

使用微波和无线电场进行体积加热在化学工业应用不多。现在比较清楚的是：微波和无线电辅助干燥过程速度较快，相应的能源消耗较大，并且扩大生产能力较困难。这种干燥机预期只能在一个小范围内应用。真空远红外干燥已有商业规模的成功应用：某加拿大公司用于干燥木料和厚胶合板，还可进一步应用在化工产品、聚合体和食品。远红外干燥机结合热空气冲击流已经在商业上用于干燥涂料纸。电磁能量转换效率和电能的高费用是该技术商业化的主要障碍。在下一个lO年，组合干燥将在工业干燥大行其道。组合干燥技术是现有成熟技术的理性组合，因而风险较小。由于组合干燥既结合了各项技术的优点，同时也会结合各自的缺点，因此在设计组合干燥机时应多加留意。

将最新发展的气固接触器用作颗粒干燥机是一种更新型的干燥技术，像冲击流、旋转喷动床、脉冲流化床等。在断续干燥方式下，人们可利用多模式热输入来优化能量消耗和产品质量。断续方式可以是流场的改变(如静态和流态化)，也可以是干燥空气条件(空气速度，温度，湿度等)、操作压力(常压，高于或低于常压)和热量输入模式(对流，传导，辐射或微波、无线电波依次或联合使用)的变化。许多研究者都发现断续性操作提高了能量效率和热敏性物料的产品质量。干燥过程中，多个参数随时间变化时，我们称之为多断续模式。尽管多断续模式比较容易做到，但其理论研究仍不够透彻。许多传统干燥器，我们认为是在连续热输入条件下工作的，其实是断续操作的，如多圆柱纸张干燥机。另一方面，所有断续式干燥机要求有一个很长的干燥停留时间，经常是在随时间而变化的干燥条件下操作，如冷冻干燥、木材的窑式干燥等。

表4列举了一些干燥设备所面临的研发问题，表中内容比较简略。IDS系列会议和其他干燥会议(ADC，NDC，IADC等)的论文集和《干燥技术》有许多未来干燥研发工作的新思路。互联网搜索也能发现一些有价值的信息。总之，整个干燥领域远未成熟，现正处于一个思维活跃、百花齐放的阶段。

表4 一些干燥设备的研发问题
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6 干燥研发需求

概括所有类型工业干燥器的研发需求是不可能的。由于普遍适用的干燥理论还没有出现，所以干燥器放大仍主要依赖于仔细安排的实验和特定的模拟模型。多数干燥模型仅应用于特定产品(当然有不少例外)。大约6万种产品需要干燥，目前干燥机类型仅100余种，因此，干燥研发需求是巨大的。本文涉及的只是一些基本思路。

制作一个包罗所有研发课题的表是非常有价值的，也是很困难的。1990年我为一个演讲所制作的表，目前仍可供参考；由于不断增加的工业需求与干燥的复杂性，该表的内容实际上被大大地扩展了。随着数字计算机和新型分析仪器的不断发展，我们现在可以研究得更深，可以在微观水平上研究水分的迁移。新材料和纳米科技的进展也出现了干燥的新需求。过去，我们只对从小到更大规模的干燥机放大有兴趣。现在却有从小到更小规模的研发新需求。微量药品和高级材料的喷雾干燥属于这类例子。

基于实时质量检测的干燥器的控制是一大挑战，比如用一个智能“鼻子”定量感应气味并触发相应的控制动作。人们也可以想象一些聪明干燥机——它们能自动调整干燥条件，从而优化产品质量。干燥机小型化，可以减少设备投资和操作费用。使用人工神经网络、模糊控制、基于模型控制的干燥控制技术已经成为主流技术。随着对干燥过程更深入的了解，操作将变得更可靠和节约成本。如果能源价格持续上升，干燥将会是一种昂贵的单元操作，因此将激发更多的研发需求。

我的很多文章和主题演讲都列举了许多挑战性的想法。这些想法有益于学术研究人员和工业研发人员，限于篇幅，本文仅提及部分相关的想法及参考文献。

2004年，Wang等概括了有关纳米材料产品的干燥技术进展，包括喷雾干燥、超临界二氧化碳干燥、冷冻干燥等。他们发现了纳米颗粒产品的一些特殊问题。该类产品干燥的研发需求与未来趋势，读者可以参考Mujumdar(2002，2004)撰写的有关通过压电或热激励方法产生纳米级液滴并将其干燥成纳米颗粒的文献。Ashley等(1997)、Buskrik等(1988)和Chen等(1999)关于使用压电激励技术产生微细颗粒的讨论。惠普公司在生产热驱动喷墨打印机中，压电激励技术也得到了应用。惠普打印机利用了爆炸式沸腾原理，即高频率的热输人造成非常细小气泡的产生和破碎，而气泡的胀大将迫使纳米大小液滴从打印头喷出。这些技术可用于生产微米级或纳米级液滴。这些液滴被干燥以后可以得到纳米颗粒。显然，该项技术是新颖的，但成本昂贵，仅适用于高价值的产品，如药物调配。2005年，奥克兰大学Chen教授使用压电喷墨技术成功地制造了纳米颗粒。

过热蒸汽干燥现已被认同和接受。因为人们越来越关心能源价格、环境影响和产品质量。2005年，Devahastin等探讨了使用低压过热蒸汽干燥热敏性物料如水果、蔬菜等。该项技术对像煤一类材料的干燥也很重要。在有氧气的状态下干燥，煤很容易燃烧和发生爆炸。利用过热蒸汽作为干燥介质的流化床、闪速或旋转干燥器，特别适合干燥煤、纸浆、废渣、纸浆厂燃料等物料。

与过热蒸汽干燥一样，脉动燃烧也是一种传统技术。脉动燃烧用于干燥热敏性材料却相对较新；其脉动燃烧器还存在噪声和放大问题，在大规模商业应用之前有许多研究开发工作要做。2006年，和Mujumdar通过流体力学计算研究了在脉动燃烧器产生的脉动、高温、湍流气流中液滴的干燥过程。2004年，wu和Mujumdar探讨了基于投弹手甲壳虫喷射原理的新型脉动燃烧室设计的可行性。目前脉动燃烧及脉动燃烧干燥的一些关键问题还没有讨论，包括燃烧器在低压下的操作情况、可再生能源如生化汽油在脉动燃烧中的使用以及新型燃烧室的结构设计等。因此，开展更多试验和数值模拟研究是必要的。

最近，热泵辅助干燥技术的发展已经走向成熟。世界范围的供应商在售卖该类型干燥机，用于干燥木材、陶瓷、蔬菜、水果、调味料、海产品等物料。2005年，Sun进行了热泵辅助干燥蔬菜产品试验和数值研究，表明断续性对流和辐射热源的相间使用可节省能源和提高产品质量。Ogura等(2003年)在一系列文章中分析了使用化学热泵进行断续和半连续式干燥的潜力。尽管如此，继续研发工作对提高和发展现有机械和化学辅助热泵干燥技术仍然是需要的。比如通过耦合存储型热交换器来回收干燥器废热，有可能将废热用于预热该批或下一批新鲜空气，使干燥系统的热效率提高。利用相变材料(PCM)以融化热形式存储高密度热能，能为我们提供一种有吸引力的存储和释放热量的方法。

世界范围内，大约25000台喷雾干燥器在使用。喷雾干燥过程需要大量干燥介质(空气，过热蒸汽，烟道气)，该操作的能源利用率较低。喷雾干燥机从试验室到中试再到完全规模的放大也是非常困难的。这是因为干燥所涉及的现象是高度非线性的。多数设计和放大是基于技术诀窍(经验)而不是理论。然而，在最近几年已有利用计算流体力学软件来研究外形结构及流场参数对喷雾干燥性能影响的成功尝试。有兴趣的读者可参见黄立新博士该研究主题的系列文章。

限于篇幅，本文没有涉及有关的工业干燥器设计、分析、优化和控制数学模型。类似的模型，如果实际可用，必定是结合了物质的传递现象并达到了可预测的程度。最近几年，统计和多维模型逐渐被接受，但该领域的进展较小。尽管在多孔介质传递现象的研究方面发表了许多文章，但仅有部分被用于真实干燥过程。其中一个原因是干燥过程乃产品所特定，它可能涉及化学变化和物料变形；该变形是由于燥速度决定的并且经常是无法预测的。由于固体的湿分和热传递机理在干燥过程是可以改变的，因此即便是干燥过程与干燥器的基本模拟，经验也是很重要的。

7 结束语

尽管有关干燥技术和工艺文献在迅速增长，但仍未改变科学文献一贯滞后的局面。最近几年，人们发现一个新的趋势：出现了特定产品的许多具有一定质量的科学文献，特别是在新兴的生物科技和纳米科技领域以及在所谓成熟领域如食品、农业、纸张和木材干燥方面。本文所列举和引用的文献是随机的，仅仅为了说明的目的。有兴趣的读者可以找到大量类似本文的深度综述性文章。最重要的是，为了高效率干燥技术的研究和开发，有必要发展多学科研究小组。

像TRIZ一类技术，在利用以前的经验来寻找新问题的解决方案方面，也许能够发挥作用。但必须根据确定的目标而决定取舍。

过去2O年来，由于干燥器的长寿命和过去相对不变的燃料价格，干燥革新没有被加速。但是，干燥技术革新是连续的。真正革命性的、突破性的干燥技术还没有出现；在可预见的将来也不可能出现。许多革新是基于现有的知识，如利用热泵干燥热敏性物料使用不同的热输入模式。我们可以利用可靠的电子软件模拟和检验新设计而不用投入大量的时间、人力和资金，从而使革新得到强化。这表明扎实的理论基础是快速革新的先决条件。最后想强调的是：尽管一些新出现的干燥技术将慢慢替代同类型的传统技术，但在市场化之前仍需进行大量的研发工作。有兴趣的读者可以访问网页http：//www.geocifies.com/ASMujumdar，从中了解更多的最新资讯。

参考文献：(略)(吴中华翻译)(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/20/2009)


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