過熱蒸汽干燥技術(shù)

1、過熱蒸汽干燥技術(shù)基礎(chǔ)認(rèn)識過熱蒸汽干燥是最近發(fā)展起來的新技術(shù)，與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥相比具有節(jié)能、環(huán)保、干燥產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，國內(nèi)研究較少，尚處于實驗室研究階段。其用于食品干燥是近 20 年發(fā)展起來的，尤其是用低壓過熱蒸汽干燥食品等熱敏性物料，避免了過熱蒸汽干燥操作溫度較高，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題，具有廣闊的發(fā)展前景。過熱蒸汽干燥是指用過熱蒸汽直接與被干燥物料接觸而去除水分的干燥方式。與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥相比，這種干燥以水蒸汽作為干燥介質(zhì)，干燥機(jī)排出的廢氣全部是蒸汽，利用冷凝的方法可以回收蒸汽的潛熱再加以利用。因此，其干燥介質(zhì)的消耗量明顯減 少，故單位熱耗低 。國際干燥協(xié)會主席

2、 M ujum dar把過熱蒸汽干燥稱為在未來具有巨大潛力和發(fā)展前景的干燥新技術(shù)。1. 過熱蒸汽的性質(zhì)當(dāng)蒸汽溫度超過相應(yīng)壓力下的飽和溫度，稱為過熱蒸汽。過熱蒸汽相對與飽和蒸汽具有更高的溫度。過熱蒸汽的獲得一般有兩種方法：a. 使飽和蒸汽通過換熱面繼續(xù)加熱；b. 干飽和蒸汽減壓。2. 過熱蒸汽干燥的基本原理2.1. 干燥逆轉(zhuǎn)點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)，利用過熱蒸汽進(jìn)行干燥時，存在一個溫度點(diǎn)，在此溫度以上時，用過熱蒸汽蒸發(fā)的速率大于用干空氣蒸發(fā)的速率；在此溫度以下時，則正好相反。此溫度叫做“逆轉(zhuǎn)點(diǎn)”，如圖 1 所示。圖 1 過熱蒸汽干燥蒸發(fā)速率與介質(zhì)溫度的關(guān)系Taleb 通過試驗研究證實了逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的存在，還證實過熱

3、蒸汽在不同條件下逆轉(zhuǎn)點(diǎn)不是唯一 的，其中影響因素最大的是蒸汽的流態(tài)。專家分析認(rèn)為：造成逆轉(zhuǎn)溫度存在的原因主要是干燥介質(zhì)不同的基本熱力學(xué)特性及其在不同操作條件下不同的變化規(guī)律、低溫和高溫時兩種介質(zhì)溫度與物料表面溫度差以及兩種介質(zhì)對流換熱系數(shù)隨溫度升高的改變情況不一樣等。2.2. 過熱蒸汽干燥的蒸汽壓和平衡水分過熱蒸汽干燥用蒸汽作干燥介質(zhì)，傳質(zhì)阻力小，無表面結(jié)殼現(xiàn)象，物料溫度達(dá)對應(yīng)壓力下沸點(diǎn)溫度，介質(zhì)和物料的平衡水分較低。Beeby 和 Potter 認(rèn)為，過熱蒸汽干燥，由于只有一種氣態(tài)成分，干燥機(jī)內(nèi)的蒸汽壓等于總的壓力，如果要去除物料中的水分，必須使周圍的蒸汽壓小于自由水分的蒸汽壓，溫度應(yīng)高于水

4、分在對應(yīng)壓力下的沸點(diǎn)。過熱蒸汽干燥的傳熱介質(zhì)有學(xué)者研究表明在過熱蒸汽干燥過程中，并不改變干燥過程的一般特性，即一般干燥過程的 3 個階段：一是加熱升溫期，這個時期濕物料吸收熱從喂入溫度上升到開始蒸發(fā)水分；二是恒速干燥期，恒速干燥條件下，只要物料表面保持濕潤，水分蒸發(fā)速度就不會改變；三是當(dāng)水分降到不足使表面保持濕潤時，進(jìn)入降速干燥期。但是過熱蒸汽干燥在這 3 個階段又有著不同于熱風(fēng)干燥的特性。過熱蒸汽干燥中干燥發(fā)生在介質(zhì)對應(yīng)壓力下的沸點(diǎn)溫度，因此在加熱段涉及到大量的熱傳遞。研究表明，加熱段會產(chǎn)生蒸汽凝結(jié)在濕物料的表面，凝結(jié)的數(shù)量取決于被干物料的熱擴(kuò)散率、含水量及蒸汽的過熱度。恒速干燥段表面溫度保

5、持在干燥機(jī)操作壓力下的沸點(diǎn)溫度，高于熱風(fēng)干燥，故水分?jǐn)U散系數(shù)大；并且干燥速率不受顆粒表面水分蒸發(fā)的影響，主要取決于介質(zhì)和物料的溫度差和傳熱系數(shù)。Nom ura 和 Hyodo等人研究表明，在過熱蒸汽干燥中恒速段比熱風(fēng)干燥段要長，其主要原因是在過熱蒸汽條件下，水分子更活躍。3. 過熱蒸汽干燥的優(yōu)點(diǎn)1) 可利用蒸汽的潛熱，熱效率高，節(jié)能效果顯著。英國 Thom as 用盤式過熱蒸汽干燥機(jī)干燥陶瓷粉、染料 ，每噸染料汽耗花費(fèi)從 20 英鎊降低到 2 英鎊，節(jié)能達(dá) 90% 。瑞典的一種過熱蒸汽干燥機(jī)干燥泥炭土單位蒸發(fā)量的能耗僅為熱風(fēng)干燥的 1 /6 1 /7。2) 干后產(chǎn)品品質(zhì)好。用過熱蒸汽干燥的主要

6、原因是產(chǎn)品的質(zhì)量得到改善。Davahastin 等研究過熱蒸汽干燥胡蘿卜塊，發(fā)現(xiàn)復(fù)水性、顏色、維生素保留量優(yōu)于真空干燥。李業(yè)波等研究表明過熱蒸汽撞擊干燥后樣品的內(nèi)部孔隙少于熱風(fēng)撞擊干燥，截面也比較平滑，樣品的淀粉糊化度高于熱風(fēng)撞擊干燥。3) 過熱蒸汽傳熱系數(shù)大。Potter和 Keogh用流化床干燥機(jī)干燥煤炭得出過熱蒸汽干燥時傳熱系數(shù)為200500W2·K，而熱風(fēng)攪拌式干燥其傳熱系數(shù)僅為 2050W2·K。4) 過熱蒸汽的比熱大 ，蒸汽用量少 ，這就可以減少設(shè)備的體積和廢氣的凈化量。5) 無爆炸和失火危險。過熱蒸汽干燥無空氣存在，沒有氧化和燃燒反應(yīng)。一些通常不能用熱風(fēng)干燥的

7、食品原料，可以用過熱蒸汽干燥。6) 過熱蒸汽干燥有利于保護(hù)環(huán)境。過熱蒸汽干燥是在密封條件下進(jìn)行的，粉塵含量大大降低。用過熱蒸汽干燥可以消除城市垃圾、污泥等的臭味。7) 過熱蒸汽具有滅菌消毒作用。過熱蒸汽干燥物料的溫度是操作條件下水的沸點(diǎn)溫度，在干燥有滅菌要求的食品原料和藥品原料同時，能消滅細(xì)菌和其他有毒微生物。4. 過熱蒸汽干燥的缺點(diǎn)1) 過熱蒸汽干燥設(shè)備投資大。從原理上講，熱風(fēng)干燥機(jī)均可改為過熱蒸汽干燥機(jī)。然而，過熱蒸汽干燥喂料和卸料不能有空氣滲入，喂入和產(chǎn)品收集系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)和維修費(fèi)用高。2) 過熱蒸汽干燥喂料易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象 。過熱蒸汽干燥，溫度超過 100 , 當(dāng)喂入大氣溫度條件下的物

8、料時，開始會有凝結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生，這就意味著干燥時間要加長。3) 過熱蒸汽干燥不適合熱敏性物料。由于過蒸汽干燥物料溫度超過 100 , 對一些熱敏性物料是不適宜的。在真空條件下操作雖會使產(chǎn)品的質(zhì)量得到保證，又會提高設(shè)備的成本和操作的復(fù)雜性；但過熱蒸汽干燥過程中如果廢氣沒有被充分利用，這種干燥的節(jié)能優(yōu)勢是不存在的 。5. 過熱蒸汽在食品行業(yè)的應(yīng)用5.1. 過熱蒸汽用于食品干燥的優(yōu)點(diǎn)在食品、藥品等熱敏性物料的干燥過程中，為了保持物料中的有效成分，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，必須采用較低的干燥溫度，通常采用冷凍干燥來干燥此類物料。但是冷凍干燥時間長、能耗大、經(jīng)濟(jì)效益低。因此急需尋找一種低溫、高速、能量利用率高的干燥方

9、法。過熱蒸汽用于食品干燥是近20年來發(fā)展起來的，但是由于溫度過高影響熱敏性物料的適應(yīng)性，最近又提出了用低壓過熱蒸汽干燥食品，并進(jìn)行了研究。用低壓過熱蒸汽干燥羅勒 (又名蘭香 )葉子，發(fā)現(xiàn)干燥過程不改變物料成分，且物料內(nèi)芳香成分保留量在 80 % 以上，而熱風(fēng)干燥只能保留初始含量的60% 。用過熱蒸汽和真空干燥胡蘿卜塊發(fā)現(xiàn)，過熱蒸汽干燥產(chǎn)品維生素 c的保留量高于真空干燥，其原因是在過熱蒸汽干燥過程中維生素c的氧化較少。大量學(xué)者對不同的食品如土豆片、面條、大豆、稻谷、蔬菜、蝦米、雞肉、各種水果片等進(jìn)行了過熱蒸汽干燥的研究，研究表明過熱蒸汽干燥食品和熱風(fēng)干燥相比，除了節(jié)能環(huán)保等上述優(yōu)點(diǎn)，還突出表現(xiàn)在

10、干燥時間短、物料收縮變形小、顏色保持新鮮、多孔、復(fù)水性好和維生素含量高等方面 。5.2. 過熱蒸汽干燥食品存在的問題盡管過熱蒸汽用于食品干燥具有明顯的優(yōu)勢，但是干燥過程中物料溫度能夠達(dá)到操作壓力下的沸點(diǎn)溫度，可能會損害一些熱敏性物料的有效成分。因此，對一些要求溫度很低的食品物料不適合，但是對于可以承受較高溫度的食品來說又能起到較好的殺菌消毒作用，近來提出的低壓過熱蒸汽干燥通過調(diào)節(jié)不同的操作壓力，可以降低干燥溫度，從而拓寬了過熱蒸汽干燥的適用范圍。同時，還可以結(jié)合不同的干燥方式 (如干燥強(qiáng)度很大的撞擊流干燥 ) 來減少干燥時間，從而限制物料的溫升，保證產(chǎn)品質(zhì)量。由于過熱蒸汽干燥不能有氣體泄漏，喂

11、料和卸料不能有空氣滲入，這就需要有密封的喂料系統(tǒng)和卸料系統(tǒng)，為了達(dá)到節(jié)能的目的，還要有相應(yīng)的廢氣收集系統(tǒng)，因此設(shè)備復(fù)雜、費(fèi)用高。同時，由于某些物料可能會引起設(shè)備腐蝕和銹蝕，因此對設(shè)備材料要求也較高。設(shè)備的復(fù)雜性也導(dǎo)致了維修費(fèi)用的提高。5.3. 過熱蒸汽應(yīng)用于食品干燥的發(fā)展趨勢現(xiàn)有的各種過熱蒸汽干燥機(jī)，如過熱蒸汽陶瓷盆干燥機(jī)、過熱蒸汽流化床干燥機(jī)、帶式過熱蒸汽干燥機(jī)、管式過熱蒸汽干燥機(jī)、常壓蒸汽干燥機(jī)、連續(xù)式無空氣干燥機(jī)、過熱蒸汽輸送式干燥機(jī)等，經(jīng)對不同的物料進(jìn)行了實驗研究，均取得了較好的干燥效果。中 國農(nóng)業(yè)科學(xué)院的研究員用過熱蒸汽對撞流干燥玉米餅也取得優(yōu)于熱風(fēng)對撞流干燥的產(chǎn)品質(zhì)量。這種干燥方式

12、利用了撞擊流干燥瞬間干燥的特點(diǎn)，從而避免了溫度高對物料有效成分的破壞，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。近來國外學(xué)者致力于結(jié)合不同的前處理過程如滅活、冷凍等物理處理過程和把物料在 NaCl、甘油、離子和非離子的表面活性劑中浸漬后再用過熱蒸汽干燥，發(fā)現(xiàn)前處理過程可以提高干燥速度，尤其是在溫度較低的干燥狀況下對干燥速率影響更大。另有不少學(xué)者把過熱蒸汽干燥同其它干燥方法如熱泵干燥等結(jié)合起來對物料進(jìn)行干燥，雖然干燥時間有所延長，但是取得了比單純的過熱蒸汽干燥更好的產(chǎn)品質(zhì)量。過熱蒸汽干燥與其它干燥方式結(jié)合起來以滿足各種物料不同干燥階段對操作參數(shù)的要求，從而在節(jié)能的同時保證產(chǎn)品質(zhì)量；研究最多的還是利用低壓過熱蒸汽干燥不同的物料，因為這種方法結(jié)合了過熱蒸汽和負(fù)壓甚至真空干燥的優(yōu)點(diǎn)，避開了常壓過熱蒸汽干燥物料溫度過高的劣勢，擴(kuò)大了過熱蒸汽干燥對熱敏性物料的適應(yīng)性。6.