粘胶短纤维的热风干燥特性研究

粘胶短纤维的热风干燥特性研究

宋楠 陈玉蕾 黄潇 黄波 李延年

新疆中泰纺织集团库尔勒纤维公司 841000

摘要：粘胶纤维作为一种常见而重要的原料，在工业生产和现实生活中应用广泛。目前，我国粘胶纤维的产量日益增加，干燥工序是生产过程中不可缺少的环节，也是能源消耗大户。为了节能减排，创造更好的经济效益，系统研究粘胶纤维的干燥过程具有重要意义。

关键词：粘胶短纤维；干燥性能；纤维层厚度；风速；含水率；温度；

粘胶短纤维的热风干燥过程可依次分为4个阶段，即蒸发预热段、表面自由水分干燥段、纤维内部自由水分干燥段和纤维内部结合水分干燥段;热风温度对纤维第2阶段干燥速率的影响很大，100～140℃的含水率相差37．3%，对后面阶段的干燥速率影响较小，最佳热风温度为120℃;纤维层厚度对粘胶短纤维的第3阶段干燥速率略有影响，纤维层厚度以12 cm为宜;热风速度对短纤维干燥速率的影响很大，热风速度以2．0 m/s为宜，纤维层含水率对第2和第3阶段的干燥速率影响较大。应尽量减少纤维层的表面含水率。

一、实验分析

1．仪器及设备。BL200S型电子天平:上海勤酬实业有限公司制;干燥设备:自行研制。干燥装置主要由压缩机、加热炉、干燥器(干燥器用保温棉进行保温处理)组成。空气由压缩机输送，经流量调节阀(调节风速)，转子流量计，进入加热炉后流入干燥室。干燥室上方依次装有温湿度传感器、压力传感器、和空气流速传感器。干燥室下方也安装有温湿度传感器、压力传感器和气流速度传感器，用以测量干燥室内的空气状况。传感器通过数据线连接到计算机中进行数据处理，可以得到干燥实验过程中测定点的温度、压力、湿度。干燥室下方排空，连通大气。

2.实验方法。先对粘胶短纤维进行预处理，通过蒸馏水配置各种含水率不同的黏胶短纤维层。采用电子天平称量物料质量，其称量范围为0～200 g，最小精度为0．001 g，误差不超过0．002 g。选择热风气流温度、纤维含水率，纤维层厚度和气流速度作为影响因素研究粘胶短纤维的干燥特性。

二、结果与讨论

1.热风温度。粘胶短纤维干燥可依次分为4个阶段:第1阶段为蒸发预热段;第2阶段为表面自由水分干燥段(0～30 s);第3阶段为纤维内部自由水分干燥段(30～180 s);第4阶段为纤维内部结合水分干燥段(180～480 s)。由于实验中粘胶短纤维的升温时间很短，导致蒸发预热段不易测定纤维含水率变化，纤维很快进入表面水分干燥段。所以，在干燥曲线上不能直观的反应出纤维干燥的第1阶段。在气流速度、纤维层厚度和纤维含水率恒定的情况下，干燥前30 s为第2阶段，随着温度的升高，干燥速率明显增加，140℃和100℃的含水率相差37．3%。其原因是根据热力学定理，热风温度越高，单位质量的热风所包含的能量愈多，热风传递给纤维层的热量也越多，纤维层表面水分的气化能力加强，从而纤维层内部水分向纤维层表面的扩散速率也随之加快。在干燥的第3阶段，干燥速率随随温度变化不明显，这个阶段的干燥曲线干燥速率最高与最低之间只相差8%，粘胶短纤维的干燥速率的增长幅度已经不大。这是因为温度将导致水分的表面张力以及黏度有所下降，内部的水分向表面的扩散受到了阻碍，相反的会促使其蒸汽压上升。粘胶短纤维内部的干燥过程是其内层的水分通过毛细作用和扩散作用到达纤维层的表层。水分在纤维层的表层进行蒸发，最终达到干燥的效果。在刚开始的阶段，纤维层中的表层水分和内部的自由水分含量都很高，导致水分的扩散速率较高，提高空气温度的同时也提高了传热传质推动力，干燥速率提高。但是随着干燥时间的增长，过高的热风温度会导致纤维层表面产生过干的现象，这样就会导致纤维层内部水分以较慢的速度向纤维层表层的传递。在第4阶段，干燥温度对纤维内部的结合水作用不明显，干燥曲线斜率相差不大。实验结果表明:纤维干燥的热风温度不宜过高，从经济成本和干燥效率角度考虑，本实验的纤维干燥热风温度为120℃最佳。

2．纤维层厚度。在干燥过程进行中的第2干燥燥段(0～30 s)，尽管3组粘胶短纤维层的厚度有所不同，但是它们的干燥速率基本相同。因为在此阶段，干燥过程主要进行的是自由水分的气化，热风与纤维层表面水分之间的传热和传质起到了主要作用，而水分传输阻力在此阶段是影响水分扩散速度阻力的主要因素。这个阶段是气化控制的阶段，所以在此阶段，气化失水速率也基本相同。但最小厚度纤维层(9 cm)在第3阶段的干燥速率略高于12 cm和15 cm厚度的纤维层的干燥速率。因为纤维内的自由水和结合水传输阻力在这个干燥阶段是主要阻力，也是水分扩散需要克服的阻力，水在纤维层内部向纤维层表层传递的速率决定了此阶段的物料干燥速率。而纤维层的厚度越厚，水分从内部向表层扩散的阻力越大，导致了干燥速率的减慢。不同纤维层厚度对粘胶短纤维的最终含水率几乎没有任何的影响。这是因为物料的最终含水率就是物料的平衡含水率，根据传热传质的理论，平衡含水率是由空气中的水蒸气分压决定。而在本实验中，热风的物理性质没有发生任何的变换，相对湿度、温度都没有变换，纤维能够被干燥的程度也不会发生变换，所以导致了最终含水率没有变化。

3.热风速度。在热风速度为1．2～2．0 m/s时，随着热风风速的提高，干燥速率也相应的加快，干燥速率可提高28．5%。在热风速度为2．0m/s时，粘胶短纤维在恒速阶段的干燥速率明显高于风速1．6 m/s和1．2 m/s条件下纤维的干燥速率。因为在第2、第3阶段的物料表面水分的气化速度决定了纤维层干燥的速率，风速越高，干燥气体流量越大，同纤维层表面交换的能源越多，纤维中的自由水分到达气化临界点条件的速率也就越快。同时，由于干燥气流流量的增大，纤维层表面的饱和湿空气被干燥气流快速带走，直接减小了纤维层表面饱和水蒸气层的厚度，使其传热传质的阻力减小，更加有利于水分的传递。

4.纤维层含水率。初始含水率为170%的粘胶短纤维层在第2和第3干燥段的干燥速率都大于初始含水率为130%和90%的纤维层。因为在这两个干燥段，进行的是自由水分气化为主的干燥过程，由于初始含水率为170%的纤维中含有大量的自由水分，液态和气态水分迁移阻力较小，内部水分很容易就能够通过扩散和毛细作用扩散到纤维层的表面，所以导致高含水率的纤维层在第2阶段干燥速率较高;而初始含水率为90%的粘胶短纤维层中大部分是毛细管结合水和吸附水，自由水分的含量较少，水分传递的阻力较大于高含水率的纤维层，因此，在第3干燥段的速率较小。

总之，粘胶短纤维的干燥过程可依次分为4个阶段:蒸发预热段、表面自由水分干燥段、纤维内部自由水分干燥段和纤维内部结合水分干燥段。粘胶短纤维在干燥过程中热风温度对其影响较大，在干燥的前30秒，随着温度的升高，干燥速率明显增加;在干燥的第3阶段，干燥速率随温度变化不明显;在第4阶段，干燥温度对纤维内部的结合水起的作用较小;纤维干燥温度以120℃为最佳。纤维层的厚度对粘胶短纤维的干燥速率的第2阶段影响不大，本实验中纤维层厚度选择12 cm为宜。热风速度为1．2～2．0 m/s时，随着热风速度的提高，干燥速率可提高28．5%，选择热风风速2．0 m/s为宜。纤维层的含水率对第2和第3阶段的干燥速率影响较大，所以尽量降低纤维的表面自由水分是提高其干燥效率的途径之一。

参考文献：

［1］刘志华．纺织行业的低碳经济路径．2019．

［2］张新利，关于粘胶短纤维的热风干燥特性研究.2020.