干燥及其設(shè)備概要

干燥及其設(shè)備概要第1頁/共35頁2）水分活度把濕物料表面附近的水蒸氣壓P與同溫同壓下水的飽和氣壓之比定義為濕物料的水分活度，aw=P/Pst。相對濕度的定義為=Pw/Pst若aw

>，則P>Pw，水分將從物料向濕空氣中傳遞，此乃物料的干燥過程，即解濕、含水量減少。若aw

<，則P<Pw，水分將從濕空氣向物料中傳遞，此乃物料的吸濕，含水量增加。若aw=，則P=Pw，水分交換達到平衡狀態(tài)，物料的含水量不再發(fā)生變化。此時，相對物料來說，稱為平衡相對濕度；相對空氣來說，物料的含水量稱為平衡含水量。物料的水分活度與其相應(yīng)的濕空氣平衡相對濕度在數(shù)值上相等；而平衡含水量是在這種濕空氣條件下物料干燥所能達到的極限。第2頁/共35頁水分活度大小取決于：水存在的量、溫度、水中溶質(zhì)的濃度、物料成分、水與非水部分結(jié)合的強度。沒有水微生物不能生存水分活度低，微生物生長率低，aw

低于0.6時微生物不能生長。酶需要水分才能有活性水分減少，酶的活性降低，水分降到1%以下，aw

<0.3，酶的活性完全消失。將物料（食品）中的水分活度降到一定程度，使物料（食品）能在一定的保質(zhì)期內(nèi)不受微生物利用而腐敗，同時能維持一定的質(zhì)構(gòu)不變及控制生化反應(yīng)及其它反應(yīng)。第3頁/共35頁3）物料水分的測定既要保證樣品的代表性，又要保證從取樣到測定過程中，樣品中水分不變。直接測定：樣品置于烘箱中加熱，除去水分至恒重，簡單、準確，時間較長。間接測定：利用物料的某一特性與其所含水分的關(guān)系，水分測定儀。4）平衡水分曲線與干燥曲線在一定溫度下，得到的平衡水分與周圍介質(zhì)平衡相對濕度的關(guān)系曲線，稱為平衡水分曲線。第4頁/共35頁通常把物料的含水量、表面溫度與干燥時間的關(guān)系曲線稱為干燥曲線。

dM(t)/dt=-k[M(t)–Mde]M(t)=[M0–Mde]e-kt+Mde式中dM(t)/dt為物料的降水速率，Mde為物料的平衡水分（干基），k為干燥常數(shù)，M0為初始干基水分。恒速干燥物料含水量隨時間成直線下降的關(guān)系，即降水速率為常數(shù)。降速干燥隨物料中含水量的下降，干燥速率也不斷下降，直至達到平衡水分，這個過程稱為降速干燥。第5頁/共35頁二、干燥方法1）對流干燥也稱為熱風干燥。直接以高溫熱空氣為熱源，借對流換熱將熱量傳給物料，使其中的水分蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的水分由空氣帶走。熱空氣既是載熱體又是載濕體。特點是干燥介質(zhì)的溫濕度容易控制，設(shè)備簡單操作容易，但干燥過程較緩慢。干燥過程的核心問題將熱量傳遞給物料，并促使物料組織中的水分向外轉(zhuǎn)移。既有熱的傳遞，又有物質(zhì)（水分）的遷移。2）傳導(dǎo)干燥也稱接觸干燥。物料與發(fā)熱表面直接接觸而獲得熱量蒸發(fā)水分。物料層很薄或物料很濕時，采用該法較適宜。該法干燥慢，而且不均勻，溫濕度不易控制。第6頁/共35頁4）冷凍干燥也稱升華干燥。先將物料冷凍，使其中的水分預(yù)先成冰，然后在極低的壓力下（1-10N/m3)，使之直接升華轉(zhuǎn)為氣相達到干燥的目的。此法能耗較高。5）真空干燥通過降低氣壓，促使物料中的水分向外遷移。3）輻射干燥利用陽光、紅外線和微波等能源，將熱能量傳給物料來進行干燥。水分擴散方向由內(nèi)向外。物料中的熱擴散方向視情況不同而不同。第7頁/共35頁三、干燥機理濕物料進行干燥時，將逐漸形成從內(nèi)部到表面的濕度梯度，此乃水分向表面遷移的推動力。溫度梯度也可以使物料內(nèi)部的水分發(fā)生傳遞，稱為熱濕導(dǎo)，方向是由高溫向低溫進行。

W=Wm+Wt

對于熱風干燥和一般的輻射干燥，物料內(nèi)部的溫度梯度與濕度梯度方向相反，溫度內(nèi)低外高，濕度內(nèi)高外低；而對于接觸干燥和微波加熱干燥，兩種梯度方向一致，內(nèi)高外低。

物料的干燥過程，一般是水分由內(nèi)部擴散到表面，然后在表面汽化。水分的內(nèi)部擴散和表面汽化是同時進行的。

第8頁/共35頁1）表面汽化控制表面汽化速率小于水分的內(nèi)部擴散速率，內(nèi)部水分能迅速到達物料層表面，使表面在干燥過程中保持充分濕潤的狀態(tài)。水分的去除主要是表面水分汽化速率所控制。欲增加干燥速率，必須努力改善影響外部傳遞的因素，如提高空氣溫度，降低其相對濕度，改善空氣與物料的接觸和流動情況，均有助于提高干燥速率。2）內(nèi)部擴散控制表面汽化速率大于水分的內(nèi)部擴散速率，水分無法擴散至表面以供汽化，此時干燥過程為水分的內(nèi)部擴散所控制。要提高干燥速率，可采取減小物料厚度，縮短水分的擴散距離，使空氣與物料層穿流接觸；攪拌物料使深層物料及時暴露于表面；利用接觸加熱或微波加熱，使深層料溫高于表面料溫等措施。第9頁/共35頁四、影響濕熱遷移的重要因素1）物料表面積物料表面積越大，干燥效果越好。增加物料和加熱介質(zhì)相互接觸的表面積，增加物料與吸濕介質(zhì)的接觸面積。方法：分割成薄片或小片。縮短熱量向物料中心傳遞的距離和水分從物料中心外移的距離。

2）溫度傳熱介質(zhì)和物料間溫差越大，熱量向物料傳遞的速度也越大，水分外逸的速度越大?？諝鉁囟仍礁撸陲柡颓八苋菁{的蒸汽量越多，空氣相對飽和濕度下降，這會使水分從物料表面擴散的驅(qū)動力更大。物料溫度，水分擴散速率也加快，使內(nèi)部干燥加速。第10頁/共35頁3）空氣流速若以空氣作為加熱介質(zhì)，溫度并非主要因素，因為物料中的水分以蒸汽狀態(tài)從表面外逸時，將在其表面形成飽和水蒸汽層，若不及時排除掉，將阻礙物料內(nèi)水分進一步外逸，從而降低水分的蒸發(fā)速度。增加空氣流速，及時將物料表面的飽和濕氣帶走。物料表面接觸空氣的量增多，加速水分的蒸發(fā)。4）空氣的干燥程度或空氣濕度空氣越干，物料的干燥速度越快?？諝獾母稍锍潭扰c其能吸收蒸發(fā)水分的能力有關(guān)，空氣越濕，吸濕越少。空氣濕度決定物料的干燥程度，因為空氣將與物料間達到濕度平衡。第11頁/共35頁5）大氣壓力和真空度水的沸點與氣壓有關(guān)，氣壓越低沸點越低。在真空室內(nèi)加熱干燥，將加速物料內(nèi)的水分蒸發(fā)，還能使產(chǎn)品具有疏松的結(jié)構(gòu)。

6）蒸發(fā)和溫度水分從物料表面蒸發(fā)時，其表面會冷卻，溫度下降?？諝庠礁稍铮羝麎涸降?，水分蒸發(fā)量越大，濕球溫度下降越大。7）時間和溫度延長時間和提高溫度均可加速物料的干燥。高溫短時的干燥工藝對物料品質(zhì)的損害小于低溫長時干燥。熱敏物料脫水采用低溫加熱和縮短干燥時間對保證品質(zhì)極為重要。第12頁/共35頁五、合理選用干燥工藝條件

干燥工藝條件主要由干燥過程中控制干燥速率、物料臨界水分和干燥物料品質(zhì)的主要參變數(shù)組成。最適宜的干燥工藝條件為：使干燥時間最短、熱能和電能的消耗量最低、干燥物料的質(zhì)量最高。

使物料表面的蒸發(fā)速率盡可能等于內(nèi)部的水分擴散速率，同時力求避免在物料內(nèi)部建立起和濕度梯度方向相反的溫度梯度，以免降低物料內(nèi)部的水分擴散速率。恒速干燥階段，為了加速蒸發(fā)，在保證物料表面的蒸發(fā)速率不超過內(nèi)部的水分擴散速率的原則下，盡可能提高空氣溫度。降速干燥階段時，應(yīng)設(shè)法降低表面蒸發(fā)速率，使它能和逐步降低了的內(nèi)部水分擴散率一致，以免物料表面過度受熱，導(dǎo)致不良后果。干燥末期干燥介質(zhì)的相對濕度應(yīng)根據(jù)預(yù)期干燥水分加以選用。第13頁/共35頁§4.2干燥工藝和設(shè)備一、對流干燥1）物料固定床式物料層靜止不動，干燥介質(zhì)作相對運動，烘干后卸出。2）物料移動床式物料一面與干燥介質(zhì)接觸，一面靠重力或機械方法自上而下流動，以增加與介質(zhì)的接觸面積，干燥較為均勻。根據(jù)氣流與物料相對運動方向的不同，分為橫流式、逆流式和并流式三種。第14頁/共35頁4）噴霧干燥通過機械的作用將欲干燥的液體或漿狀物料霧化，噴到干燥室內(nèi)，并立刻與熱風接觸，導(dǎo)致其迅速干燥，獲得粉末物料。該法的特征是干燥時間短，一般1~20秒以及相對低的干燥溫度。3）物料流化床式所謂流化是指固體顆粒被流體吹起呈懸浮狀態(tài)，粒子相互分離，并作上下、前后運動。流化干燥就是在干燥介質(zhì)作用下，使物料處于流化狀態(tài)進行干燥的過程。流化床干燥器有單層圓筒型、多層圓筒型、臥式多室型、振動型等。第15頁/共35頁二、干燥機械第16頁/共35頁第17頁/共35頁第18頁/共35頁第19頁/共35頁第20頁/共35頁第21頁/共35頁滾筒干燥機第22頁/共35頁第23頁/共35頁第24頁/共35頁第25頁/共35頁第26頁/共35頁第27頁/共35頁第28頁/共35頁振動流化床干燥-冷卻機由懸掛在兩側(cè)的振動電機產(chǎn)生激振力，使物料沿孔板跳躍前進，氣流從孔板下穿過物料層，使物料在振動和氣流雙重作用下呈流化狀態(tài)，通過氣流溫度（冷風或熱風）實現(xiàn)干燥、冷卻操作。第29頁/共35頁第30頁/共35頁第31頁/共35頁第32頁/共35頁§4.2干燥的衡算一、物料的衡算解決水分蒸發(fā)和干燥介質(zhì)消耗量問題。設(shè)單位時間進入烘干室的物料質(zhì)量流為‘m1，離開烘干室的質(zhì)量流為’m2，其濕基水分由M1降到M2，但物料中干物質(zhì)的質(zhì)量流‘md是恒定的?！甿d=‘m1(100%-M1)=‘m2(100%-M2)物料所失水分的質(zhì)量流量為‘mw=‘m1M1–‘m2M2,‘m1=‘mw+‘m2單位時間的降水率

W=(‘m1–‘m2)/’m1=(M1–M2)/(100%-M2)

物料的干燥過程既有熱交換又有質(zhì)交換，因此，干燥過程的衡算應(yīng)包括物料衡算和熱量衡算兩部分。第33頁/共35頁二、熱量衡算設(shè)h0為干燥介質(zhì)進入加熱器前的焓值，h1為干燥介質(zhì)進入烘干室前的焓值，Q為加熱器供給干燥介質(zhì)的熱量，則有‘mdah1=‘mdah0+Q烘干室的熱平衡方程為‘mdah1+‘m1c1t1=‘mdah2+‘m2c2t2+GL

式中’m1和’m2為烘干前后物料質(zhì)量流，t1和t2，c1和c2分別為物料烘干前后的溫度和比熱容，h1和h2為干燥介質(zhì)進入和離開干燥室的焓值。