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第十二章蒸发浓缩与干燥技术第二节干燥技术,第六组王珊宁、吴永娴、何风、范培钦、曾卫鹏、郑晓岸,一、概述,干燥的应用范围很广，所处理的物料种类多，物料的性质差异很大。它几乎是生产所有固态产品在包装前的最后一道工序。因此，相应的干燥方法、干燥器的种类和类型也比较多。,干燥方法的分类,按照热能供给湿物料的方式不同，干燥科分为以下几类。1.导热干燥。热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料，让载热体不与湿物料接触，使其中的水分汽化，然后，所产生的的蒸汽被干燥介质带走，或用真空泵抽走的干燥过程。2.辐射干燥。热能以电磁波的形式由辐射器传至湿物料表面后，被物料所吸收化为热能，而将水分加热汽化，达到目的。,3.对流干燥。对流干燥过程中，传热和传质同时发生。热能由干燥介质的主体，以对流方式传给固体物料的表面，然后再由物料表面传至固体的内部，而水分却由固体内部向固体表面扩散，被汽化后由固体表面扩散至气相介质的主体。4.介电加热干燥。介电加热干燥是将需要干燥的物料置于高频电场内，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。,干燥的基本概念和原理,1.固体物料中的湿分由于湿物料是干燥对象，而热空气仅是干燥条件，因此干燥过程的各种不同特性首先取决于湿物料的性质。物料中所含湿分的性质，一般按如下方式进行分类按照物料和水分子间的结合方式分类。按物料中水分去除难易程度分为结合水和非结合水。根据干燥法去除水分分类可分为平衡水和自由水,2.干燥的基本过程,固体物料的干燥包括两个基本过程：首先是对固体加热，以湿分汽化的传热过程：然后是汽化后的湿分蒸汽由于其蒸汽分压较大而扩散进入气相的传质过程，而湿分从固体物料内经扩散等作用而源源不断被输送到达固体表面是一个物料内部的传质过程。因此干燥过程的特点是传热和传质过程同时并存，两者相互影响又相互制约，有时传热可以加速传质过程的进行，有时传热又能减缓传质的效率。对于干燥过程中湿分在物料内部的传递迁移机制，目前主要有“扩散迁移运动机制”和“毛细管迁移运动机制”两种理论，但都有较大的局限性。而物料的导热系数也随着物料湿含量的变化而变化，因此目前为止，扔不能用数学关系式来描述干燥速率与相关因素的关系。,1）干燥速率干燥速率是干燥时单位干燥面积、单位时间内气化的水量，其受以下几方面因素的影响。物料的性质、结构和形状干燥介质的温度和湿度干燥操作条件干燥器的结构形式,2）干燥曲线和干燥速率曲线,在一般情况下，干燥曲线是随湿物料与水分结合情况的不同而不同，图12-21所示仅为在恒温干燥条件下物料干燥速率曲线的一种类型，但对于任何一种干燥速率曲线，下列的特征是共同的：均有一段干燥速率R为常数的BC段，BC段由于干燥速率恒定，故称之为恒速干燥阶段。均有一段干燥速率随干燥时间增长，而不断减小CD段，由于CD段干燥速率下降，故称之为降速干燥阶段。,在恒速干燥段结束，降速干燥段开始处，曲线均有一明显的转折点C，此点处物料的湿含量称之为临界湿含量0，0湿物料干燥过程的一个重要参数。对于某些干燥过程中表现形成外皮的吸湿性物料干燥或在干燥过程中产生体积收缩的物料，其干燥速率曲线具有第二降速率，因此也就是第二临界点,3）干燥过程分析,（1）恒速干燥阶段。湿物料表面为非结合水所湿润，物料表面温度是该空气状态下的湿球温度，因此，传热推动力（温度差）以及传质推动力（饱和蒸气压差）是一个定值，因此，干燥速率也是一个定值。实际上，该阶段的干燥速率取决于物料表面水分汽化的速率以及决定于水蒸气通过干燥表面扩散到气相主体的速率。因此，又称为表面汽化控制阶段，此时的干燥速率几乎等于纯水的汽化速率，与物料湿含量、物料类别无关，影响因子主要有：空气流速、空气湿度、空气温度等外部条件。,（2）降速干燥阶段。物料湿含量降至临界点以后，便进入降速干燥阶段。在降速干燥阶段，非结合水已经蒸发，继续进行干燥，只能蒸发结合水，结合水的蒸汽压恒低于同温下纯水的饱和蒸汽压，传质、传热推动力逐渐减小，干燥速率随之降低，干燥空气的剩余能量被用于加热物料表面，物料表面温度逐渐升高，局部干燥。在这一阶段，干燥速率取决于水分和蒸汽压在物料内部的扩散速率。因此，降速干燥阶段亦称为内部扩散控制阶段，与外部条件关系不大。主要影响因素为物料结构、形状和大小。,总之。如果物料内部的水分能有足够的速率流向表面，及时补充被干燥的水量，则物料表面依然可以保持湿润，干燥速率也不变：若内部水分流出的速率低于物料表面的汽化速率，则将使物料温度升高，或部分表面变干，从而进入降速干燥阶段。随着物料的不断干燥，其内部水分越来越少，这样，水分内部表面传递的速率就越来越慢，干燥速率也就越来越小，表面物料温度则随之不断升高,4）干燥和副作用,物料的收缩。物料的收缩主要是由于水分子的除去造成的，有些物料在不同方向收缩时不同的。因此，要注意干燥过程因物料收缩造成的物料体积缩小、形状变化和表面裂纹。化学变化。结晶无机物在强烈干燥时会失去它们的结晶水，热敏性有机物在热空气中干燥时，容易发生某些氧化和热分解。这些会影响干燥后物料的品质和收得率生化变化。在干燥过程中，由于物料湿度的升高和结合水分的失去，具有生理活性和生化特性的物料都会发生不同程度的不可逆变化。全部或部分失去生理活性和生化特性，复水时不能完全恢复原来的性质。干燥过程中的氧化也是常见的,二、干燥设备及干燥工艺,（一）干燥设备物料的干燥是由干燥系统来完成。不同干燥系统的设备组成是不同的，但是其核心设备是干燥设备。,（二）干燥工艺,1.干燥工艺的确定干燥操作分为单批间歇操作和连续操作，采用哪种操作形式要根据所处理物料的数量和性质决定。被干燥物料的状态和物料化学性质是决定干燥介质种类、干燥方法和干燥设备的重要因素，也是决定干燥工艺的重要因素。根据物料的不同状态，可把物料分为：溶液及泥浆状物料、冻结物料、膏糊状物料、粉粒状物料、块状物料、棒状物料、短纤维状物料、不规则形状的物料、连续的薄片状物料、零件及设备涂层等。,决定干燥工艺需要了解的被干燥物料的理化性质主要有以下几方面。物料的化学性质，如组成、热敏性（软化点、点熔或成分解点）、物料的毒性、可燃性、氧化性和酸碱性、摩擦带电性、吸水性等。物料的热性质，如物料含水性、假密度、真密度、比热容、导热系数及粒度和粒度分布。对于原料液还应知道，原液的浓度、黏度及表面张力等。其他性质，如膏糊状物料的粘附性、触变性（即膏糊状物料在震动场或在搅动条件下，物料可从塑性状态过渡到具有一定流动性的性质），这些性质在设计干燥器及加料时可以加以利用。,在充分了解被干燥物料性质的基础上，还应综合所选干燥器的类型，进一步了解在干燥过程中物料及干燥介质的变化情况。对于在干燥过程中有热敏性的物料，还应找到物料变质最小的最适宜温度，总之，干燥过程是一个影响因素非常多的过程，在决定干燥设备和干燥工艺时，应充分注意这些因素对物料品质和收得率的影响。当然，干燥过程的经济效益也是必须考虑的，以便干燥系统能在最为经济合理的条件下运行。,2.干燥设备的选型,工业上被干燥物料的种类及其繁多，物料特性千差万别，这就相应地决定了干燥设备类型的多样性。由于干燥装置组成单元、供热方法、干燥器内空气与物料的运动状态的差别等决定着干燥设备结构的复杂性，因此，到目前为止，干燥器还没有统一的分类方法。干燥设备的选择是非常困难而复杂的问题，它成为确定干燥工艺的一个重要步骤。干燥设备选型是否恰当合理，是所确定的干燥工艺成功的关键。这是因为被干燥物料的特征、供热的方法和物料干燥介质系统的流体动力学等必须全部考虑。由于被干燥物料种类繁多，要求各异，所以只能选用最佳的干燥方法和干燥设备类型。干燥设备选型所要考虑的因素与决定干燥工艺基本相同。,在选择干燥设备类型时必须遵循以下原则,被干燥物料的性质：湿、干物料的物理特性、腐蚀性、毒性、可燃性、粒子大小及磨损性。物料的干燥特性：湿分的类型（结合水、非结合水）、初始和最终湿含量、允许的最高干燥温度、产品的色泽、光泽等。粉尘及溶剂回收。安装上的可行性。干燥上应用的干燥设备很多，特定的原料和产品性质决定了适用的干燥设备类型。生物物质干燥的主要特点是热敏性和黏稠性。这对干燥过程及设备具有一定的特殊要求,（三）生物工业常用的干燥技术,1.气流干燥技术气流干燥技术是利用热气流将物料在流态状态下进行干燥的过程。它把呈泥状、粉粒状或块状等的湿物料送入热气流中，与之并流，从而得到分散成粒状的干燥产品。气流干燥是对流干燥的一种。在气流干燥中，除一般使用干燥介质为不饱和热空气外，在高温干燥时可以采用烟道气。为避免物料被污染或氧化，也可采用过热水蒸汽。对含有机溶剂的物料干燥，也可采用氮或溶剂的过热蒸汽作干燥介质。,气流干燥基本流程,湿物料自螺旋加料器进入干燥管，空气由鼓风机鼓入，经加热器加热后与物料汇合，在干燥管内达到干燥目的。干燥后的物料在旋风除尘器和袋式除尘器得到回收，废气经抽风机由排气管排出。,气流干燥特点：,（1）干燥强度大。（2）干燥时间短。（3）热效率高。（4）处理量大。（5）设备结构简单。（6）应用范围广。由于气流速率较高。粒子有一定的磨损和粉碎，因此对于要求有一定形状的颗粒的产品不宜采用。对于易于沾壁的、非常黏稠的物料及需要干燥至临界湿含量以下的物料也不宜采用。在干燥时要产生毒气的物料，以及所需的风量比较大的情况下也不宜采用气流干燥。,2.喷雾干燥技术,1）喷雾干燥的原理将溶液、乳浊液、悬浊液或浆料在热风中喷雾成细小的液滴，在它下落过程中，水分被蒸发而成为粉末状或颗粒的产品，称为喷雾干燥。物料干燥分等速阶段和减速阶段两个部分进行。等速阶段水分蒸发是在液滴表面发生，蒸发速率由蒸汽通过周围气膜的扩散速率控制，主要的推动力是周围热风和液滴的温度差，温度差越大，蒸发越快，水分通过颗粒的扩散速率大于蒸发速率，当扩散速率降低而不能再维持颗粒表面的饱和时，蒸发速率开始减慢，干燥进入减速阶段。此时，颗粒温度开始上升、干燥结束时，物料的温度接近于周围空气温度。,喷雾干燥流程,在干燥塔顶部导入热风，同时将料液泵送至塔顶，经过雾化器喷成雾状液滴。这些液滴群的变面积很大，与高温热风接触后水分迅速蒸发，在极短时间内便成为干燥产品，从干燥塔底部排出。热风与液滴接触后温度显著降低，湿度增大，作为废气由排风机抽出。废气中夹带的微粉用分离装置回收,2）喷雾干燥的特点,（1）干燥速率快。（2）干燥过程中液滴的温度不高，产品质量较好。（3）产品具有良好的分散性、流动性和溶解性，产品纯度高。（4）生产过程简化，操作控制方便。（5）适宜于连续化大规模生产，干燥产品经连续排料，在后处理上可结合冷却器和风力输送，连续生产。,喷雾干燥的主要缺点,（1）当热风温度低于150时，热容量系数低h=23120J/(m3，蒸发强度小，干燥塔的体积比较庞大，热量消耗多，一般蒸发1kg水分约需6000kJ热量，相当于消耗2.53.5kg的蒸汽。（2）废气中回收微粒的分离装置要求较高。在生产径小的产品时，废气中夹带有20%左右的微粒，需要选用高效的分离装置，结构比较复杂，费用较贵。而对于有毒气、臭气物料。则必须采用封闭循环的生产流程，将毒气、臭气焚烧，以防止大气污染，改善生产环境。,3.冷冻干燥技术,冷冻干燥的基本原理使被干燥的液体在极低的温度下，冷冻成固体；然后，在低温、低压下利用水的生华性能，使冰升华汽化而除去，以达到干燥的目的；冷冻干燥法适用于绝大多数生物产品的干燥和浓缩，可以最大限度地保证生物产品的活性。,冷冻干燥的工艺过程（1）预冷即将待处理样品完全冻结。在这个过程中，样品称为冰晶和分散的溶质。为了提高干燥速率，应尽可能提高制品升华的表面积，以提高冻干的速度。,（2）升华干燥又称一级干燥或一次干燥。制品冻结温度通常为-50-25。为了保持升华表面与冰凝器之间的温差，冻干过程中必须对制品提供足够的能量，但不能使制品的温度超过制品自身的共熔点温度。对于生物制品来说，理想的升华干燥压力控制在2040Pa。此时90%以上水分已被除去。,（3）解吸附干燥又称二级干燥或二次干燥。此过程是为了出去以吸附方式存在的残留水分。残留水分包括化学结合水与物理结合水。对于生物制品，其水分含量低于或接近2%较好，原则上不超过3%。此阶段压强在1030Pa较合适。,2)冷冻干燥设备的一般特点,（1）因物料处于冷冻状态下干燥，水分以冰的状态直接升华成水蒸气，故物料的物理结构和分子结构变化极小。（2）由于物料在低温真空条件下进行干燥操作，故热敏感的物料，也能在不丧失其酶活力或生物式样原来性质的条件下长期保存，故干燥产品十分稳定。（3）因为干燥后的物料在被除去水分后，其原组织的多孔性能不变，故若添加水或汤，即可短时间内基本上完成恢复干燥前的原来状态。（4）因干燥后物料的残存水分很低，故若防湿包装优良，可在常温条件下长期保存。,3)冷冻干燥设备,冷冻干燥设备的形式按处理的物料不同而分类为:（1）医药品用冷冻干燥设备（2）食品用冷冻干燥设备,三、干燥的应用及节能,（一）干燥过程的节能物料的干燥时能耗很大的单元操作。因此，降低干燥的能耗对降低产品的成本有重要的意义。降低干燥过程的消耗，应考虑干燥过程的各个方面及各个环节，在保证产品收得率和质量的前提下，从总体上达到最佳的节能效果。,有关干燥节能的技术方法,应用高效节能的干燥装置，改善保温，防止热风泄漏、防止物料过度干燥以提高温度物料的干燥速率和节能效果。扩大干燥介质的种类。应用干燥基础理论，如湿分在物体内部迁移机制，以改进有关干燥过程。在干燥前尽量降低物料的湿含量。,干燥过程中废气带走的热量占总热量支出的比例很大，若能降低这一热量的输出，则能大大提高干燥过程的热效率。在保证物料质量的前提下，尽量采用高干燥。其他的措施。例如，改善保温，防止热风泄漏，防止物料的过度干燥，采用部分废气循环和対废热气进行回收，以及采用热泵干燥设备等。,（二）干燥技术的应用,由于生物技术产品多是热敏性物料，某些产品还具有生物活性，因此，在干燥过程中控制干燥温度和干燥时间特别重要。物料停留时间短、温度较低的干燥技术在生物技术中特别适用，因此气流干燥和喷雾干燥目前在生物技术领域得到广泛应用。而对于某些特殊的生物制品，只有采用冷冻干燥才能保证制品的品质，如某些酶制剂。,蒸发浓缩与干燥技术典型案例,第三节,啤酒生产中采用减压蒸发的新式柔和煮沸系统,德国某公司开发出新式柔和煮沸系统，与传统煮沸系统相比，该系统既能明显节能又能保证8%的总蒸发量，同时还兼顾传统煮沸在不同温度下的物质转化要求。该系统分为热保温和煮沸两个步骤。,该系统比传统煮沸系统优势在于：,糖化收得率得到保证，特别是洗槽水指标达到要求有效地驱除二甲基硫保护了对泡沫有利的中分子蛋白质有较低的热负荷，煮沸需要的第一能源节约量超过50%,乳粉的喷雾干燥,原理：将浓缩乳借用压力或离心的方法，通过喷雾干燥器将牛乳分散为雾状的乳滴（直径为1015m），大大增加了其表面积，同时送入热风与雾滴接触，浓乳中的水分在0.010.04S的瞬间内蒸发完毕，雾滴被干燥成球形颗粒落入干燥室的底部，水蒸气被热风带走，从干燥室排风口排出。,奶粉喷雾干燥工艺流程,空气过滤鼓风加热（130180可达200）浓缩乳储存(4550）高压泵（压力喷雾）、乳泵（离心喷雾）（10200m）喷雾干燥（1/1001/20S，60）出粉冷却筛粉储粉气粉分离排风,乳粉分为两个阶段干燥,1阶段将预处理过的牛乳浓缩至乳固体含量40%左右2阶段将浓缩乳泵入干燥塔中进行干燥：将浓缩乳雾化成液滴液滴与热空气流接触，牛乳中的水分迅速干燥将乳粉颗粒与热空气分开,本章小结,蒸发过程特点：溶液沸点升高，物料的工艺特性，能量利用与回收生物工业常用干燥方法：对流干燥（固定床干燥、流化床干燥、气流干燥、喷雾干燥）、冷冻干燥、真空干燥、微波干燥,谢谢,