塑料干燥方法的探讨

   塑料的干燥对于每一个塑料加工商来说都是不可避免的。同时，为了生产出高质量的产品，这一过程也是非常重要的。选择合理的干燥技术有助于节约成本、降低能耗，而对干燥技术和成本的正确评估对于选择合适的干燥技术具有重要的意义。 

    水含量的增加会逐渐降低物料的剪切黏度。在加工过程中，由于熔体流动性能的变化，产品的质量以及一系列的加工工艺参数也会随之发生相应的变化。例如，停滞时间过长会使残余水分含量太低从而造成黏度的增加，这将导致填模不充分，同时也会造成物料发黄。另外，某些性能的变化并不能直接用肉眼观察到，而只有通过对材料进行相关的测试才能发现，如机械性能和介电强度的改变。 

    在选择干燥过程时，鉴别材料的干燥性能具有至关重要的意义。物料可以分成吸湿性和非吸湿性两种。吸湿性物料能够从周围环境吸收水分，非吸湿性材料不能从环境中吸收水分。对于非吸湿性物料，任何环境中存在的水分都保留在表面，成为“表面水分”而易于被清除。不过由非吸湿性 物料制成的胶粒也可能因为添加剂或填料的作用而变得具有吸湿性。另外，对一个干燥工艺过程的能耗的计算，可能会与加工作业的复杂程度以及其他因素有关，所以这里所介绍的数值仅供参考。 

    对流式干燥 

    对于非吸湿性物料，可以使用热风干燥机进行干燥。因为水分只是被物料与水的界面张力松散地约束，易于去除。此类机器的原理是，利用风扇来吸收环境中的空气并将其加热到干燥特定物料所要求的温度，被加热后的空气经过干燥料斗，并通过对流的方式加热物料以除去水分。 

    对吸湿性物料的干燥一般分为三个干燥段：第一个干燥段是将物料表面的水分蒸发掉；第二个干燥段则将蒸发的重点放在材料内部，此时干燥速度缓慢降低，而被干燥物料的温度开始上升；在最后一个阶段，物料达到与干燥气体的吸湿平衡。在这个阶段，内部和外部间的温度差別将被消除。在第三段末端，如果被干燥物料不再释放出水分，这并不意味着它不含水分，而只是表明胶粒和周围环境之间已经建立起了平衡。 

    在干燥技术中，空气的露点温度是一个非常重要的参数。所谓的露点温度就是在保持湿空气的含湿量不变的情况下，使其温度下降，当相对湿度达到100％时所对应的温度。它表示空气达到水分凝结时所对应的温度。通常，用于干燥的空气的露点愈低，所获得残余水量就愈低，干燥速度也愈低。 

    目前，生产干燥空气最为普遍的方法是利用干燥气体发生器。该设备以由两个分子筛组成的吸附性干燥器为核心，空气中的水分在这里被吸收。在干燥状态下，空气流经分子筛，分子筛吸收气体中的水分，为干燥提供除湿气体。在再生状态下，分子筛被热空气加热至再生温度。流经分子筛的气体收集被除去的水分，并将其带至周围环境中。另一种生成干燥气体的方法是降低压缩气体的压力。这种方法的好处是供应网络中的压缩气体有着较低的压力露点。在压力降低以后，其露点达到0℃左右。如果需要更低的露点，可以利用膜式或吸附式干燥器在压缩空气压力降低之前进一步降低空气的露点。 

    在除湿空气干燥中，生产干燥气体所需的能量必须进行额外计算。在吸附式干燥中，再生状态的分子筛必须从干燥态的温度(约60℃)被加热至再生温度(约200℃)。为此，通常的做法是通过分子筛将被加热气体连续加热至再生温度，直至它在离开分子筛时达到特定温度。理论上再生所必要的能量由加热分子筛及其内部吸附的水所需要的能量、克服分子筛对水的附着力所需要的能量、蒸发水分和水蒸汽升温所必需的能量几个部分组成。 

    一般，吸附所得露点与分子筛的温度与水分携带量有关。通常，小于或等于30℃的露点可以使分子筛达到10％的水分携带量。为了制备干燥气体，由能量计算所得的理论能量需求值是0.004kWh/m3。但是，实际中这个数值必须稍高，因为计算没有把风扇或热量损失考虑在内。通过对比，不同类型的干燥气体发生器的特定能耗就可以被确定。一般来说，除湿气体干燥的能耗在0.04kWh/kg~0.12kWh/kg之间，这要根据物料和初始水分含量而变化。在实际操作中，也可能达到0.25kWh/kg或更高。 

    干燥胶粒所需的能量由两部分组成，一部分是将物料由室温加热至干燥温度所需要的能量，另一部分是蒸发水分所需要的能量。在确定物料所需的气体量时，通常是以干燥气体进入或离开干燥料斗时的温度为基础。一定温度的干燥空气通过对流的方式将热量输送至胶粒中也是一种对流干燥过程。 

    在实际生产中，实际能耗值有时要比理论值高得多。例如，物料可能在干燥料斗中的停留时间过长，完成干燥所消耗的气体量较大，或者分子筛的吸附能力未充分发挥等。?减少干燥气体的需求量从而削减能源成本的可行方法是采用两步法干燥料斗。在这种设备中，干燥料斗上半部的物料只是被加热而并未被干燥，所以可以用环境中空气或干燥过程的排气来完成加热。采用这种方法后，往往只需要向干燥料斗中供应通常干燥气体量的1/4?1/3，从而降低了能源成本。提高除湿气体干燥效率的另一种方法是通过热电偶和露点受控的再生，而德国Motan公司则利用天然气作为燃料来降低能源成本。 

    真空干燥 

    目前，真空干燥也进入到塑料加工领域当中，例如美国Maguire公司开发出来的真空干燥设备就已被应用到塑料加工之中。这种连续操作型的机器由安装于旋转传送带上的三个腔体组成。在第一腔体处，当胶粒被填满后，通入被加热至干燥温度的气体以加热胶粒。在气体出口处，当物料达到干燥温度时即被移至抽成真空的第二腔体中。由于真空降低了水的沸点，所以水分更容易变成水蒸汽被蒸发出来，因此，水分扩散过程被加速了。由于真空的存在，从而在胶粒内部与周围空气之间产生了更大的压力差。一般情况下，物料在第二腔体中的停留时间为20min?40min，而对于一些吸湿性较强的物料而言，最多需要停留60min。最后，物料被送到第三腔体，并由此被移出干燥器。 

    在除湿气体干燥和真空干燥中，加热塑料所消耗的能源是相同的，因为这两种方法是在同样的温度下进行。但是在真空干燥中，气体干燥本身并不需要消耗能源，但需要用能源来创造真空，创造真空所需的能耗与所干燥物料的量以及含水量有关。 

    红外线干燥 

    干燥胶粒的另一种方法是红外线干燥工艺。在对流加热中，气体与胶粒之间、胶粒与胶粒之间以及胶粒内部的热导率都很低，因此热量的传导受到极大的限制。而采用红外线干燥时，由于分子受到红外线辐照，所吸收的能量将直接转换成热振动，这意味着物料的加热比在对流干燥中更快。与对流加热相比，在干燥过程中，除了环境空气和胶粒中水分的局部压力差以外，红外线干燥还有一个逆向的温度梯度。通常，干燥气体和受热微粒之间的温度差愈大，干燥过程就愈快。红外线干燥时间通常在5min~15min。目前，红外线干燥过程已经被设计为转管模式，即顺着一只内壁有螺纹的转管，胶粒被输送和循环，在转管的中心段有数个红外线加热器。在红外线干燥中，设备的功率可以参照0.035kWh/kg?0.105kWh/kg的标准进行选择。 

    如前所述，物料含水量的不同将会导致工艺参数的差別。一般，残余水分含量的不同可能是因为不同物料的流通速率不同，所以干燥过程的中断或机器的启动、停机都会引起停留时间的不同。在气体流量固定的情况下，材料流通量的不同一般表现为温度曲线的变化和排气温度的变化。干燥机制造商们以不同方法进行测量，并将干燥气体流量与被干燥物料的量相匹配，进而调整干燥料斗的温度曲线，从而使胶粒在干燥温度下经历稳定的停留时间。 

    另外，物料不同的初始水分含量也会导致残余水分含量的不稳定。因为停留时间是固定的，初始水分含量的明显变化必将导致残余水分含量发生同样明显的变化。如果需要稳定的残余水分含量，就需要测量初始或残余的水分含量。由于相关的残余水分含量低，在线测量不易进行，而且物料在干燥系统中的停留时间较长，把残余水分含量当作输出信号会引起系统受控的问题，所以干燥机制造商们开发出来一种新的控制概念，能实现稳定的残余水分含量这一目标。这种控制概念以保持残余水含分量的稳定为目的，将塑料的初始水分量、进入和流出气体的露点、气体流动量和胶粒流通率等工艺参数作为输入变量，从而使干燥系统能够根据这些变量的不同进行及时调整，以保持稳定的残余水分含量。 

    红外线干燥和真空干燥是塑料加工中的新技术，这些新技术的应用极大地缩短了物料的停留时间并降低了能源消耗。但是，创新的干燥工艺其价格也相对较高。因此，近些年来，人们也在努力地提高传统除湿气体干燥的效率。所以，在做出投资决策时，应当进行精确的成本评估，不仅要考虑采购成本，还要考虑管路、能源、空间和维修保养等，以使最小的投资得到最大的回报。