新版2011第八章生物产品干燥设备

第八章干燥过程与设备干燥：是利用热能除去固体物料中湿分（水分或其他溶剂）的操作。干燥的好处：物料易包装，易运输。提高生物的稳定性。本章重点

理解和掌握：1、干燥的作用与方法，2气流干燥的特点、流程及干燥器设计计算，4、喷雾干燥原理、方法，5、沸腾干燥器的结构及特点，6、空气加热器、粉尘分离器的选型及特点，7、其他干燥器的形式和特点，8、冷冻和微波干燥的原理。9、掌握气流干燥、喷雾干燥原理、沸腾干燥的计算。本章习题1、简述生物制品干燥的特点。2、阐述气流干燥系统及其主要设备的结构特点。3、沸腾和喷雾干燥系统的设备组成是怎样的？4、冷冻干燥系统有哪几部分构成？第一节干燥机理及

生物工业产品干燥的特点一、固体物料干燥机理

(一)物料中水分的性质

物料中所含水分根据物料中水分除去的难易程度，将其分为游离水分和结合水分。

游离水分多存在于生物产品的细胞外及多孔物料的毛细管中，它与物料的结合力极弱，水分的活度近似等于1。

结合水分主要有渗透水分、结构水分等，它与物料的结合力较强，水分的活度小于1。(二)干燥机理湿物料的干燥操作有2个基本过程同时进行：1、热量由气体传递给湿物料，使其温度升高；2、物料内部的水分向表面扩散，并在表面汽化被气流带走。

质量传递过程由两步构成：1、水分内物料内部向表面扩散；2、水分在物料表面汽化并被气流带走。物料在干燥过程按干燥速率控制方式可分为：表面汽化控制和内部扩散控制。二、生物工业产品干燥的特点⑴必须是快速高效的，加热温度不宜过高；⑵产品与干燥介质的接触时间不能太长；⑶干燥产品应保持一定的纯度，在干燥过程中不得有杂质混入。生物工业产品干燥方式：采用喷雾干燥、气流干燥、沸腾干燥和冷冻干燥。三、干燥过程的基本计算方法（一）湿空气的性质

1.

湿度H（绝对湿度，湿含量）：单位质量干空气所带的水汽质量，即2、

相对湿度：

水汽分压与水的饱和蒸汽压之比，即3、

比容vH:

单位质量干空气所具有的湿空气体积，即由

得

所以

4、

比热cH（湿热）：常压下1kg干空气和其所带的Hkg水汽升高1C所需的热量，即5、

焓I：1kg干空气和其所带的Hkg水汽的焓，即6、干球温度t和湿球温度tw

干球温度：真实温度将湿球温度计置于大量不饱和空气(t，H)中，设开始时水分与空气温度相同，因空气不饱和，水分必然汽化，汽化所需热量只能由水分本身温度下降放出显热而供给。水温下降后，与空气间出现温度差，空气又传递显热给水分，当空气传给水分的显热等于水分汽化所需的潜热时，水温维持稳定，该温度即为空气的湿球湿度tw。此时7、

绝热饱和温度tas

不饱和空气(t，H)在绝热饱和器中与大量的水充分接触，设开始时水与空气温度相同，因空气不饱和，水必然汽化，汽化所需热量来自空气温度的下降，以及水温的下降。当气温下降放出的显热等于水分汽化所需潜热时，出口气温和水温维持稳定，该温度即为空气的绝热饱和温度。

稳定后，汽化所需潜热完全来自气温下降放出的显热，同时水汽又以潜热的形式将显热带回气相，所以过程等焓或近似等焓。该过程也称为绝热降温增湿过程。8、露点td：不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度。由

所以露点就是以水汽分压作为饱和蒸汽压来确定的温度，即得

所以

不饱和空气

饱和空气湿空气的H-I图（湿焓图）

湿空气的状态由两个独立的性质确定，其他性质可以计算，但计算繁琐，有时还要式差。工程上为了计算方便，常用算图来表示湿空气各性质之间的关系。下面讨论常用的湿焓图(H-I图)。A、

等H线：与纵轴平行B、

等I线：与斜轴平行C、

等t线

D、等线E、水汽分压线

H-I图的说明与应用1．已知空气状态点A，求其他参数2．已知一对独立参数，求状态点(1)

t和tw

(2)

t和td

(3)

t和

(二)

干燥过程的物料衡算与热量衡算

湿物料中含水量的表示方法一、

湿基含水量w二、

干基含水量X

显然，

干燥系统的物料衡算

一、

水分蒸发量W

设L—干空气消耗量，kg干空气/s；

G—干物料流量，kg干物料/s；

W—水分蒸发量，kg/s；

G1、G2—湿物料进出干燥器时的流量，kg湿物料/s。对干燥器进行水分的物料衡算则二、

空气消耗量由上式得：或，单位空气消耗量，kg干空气/kg水分。三、

干燥产品流量G2对干燥器进行干物料衡算则所以

干燥系统的热量衡算

一、

热量衡算的基本方程

对预热器进行焓衡算则对干燥器进行焓衡算则

所以所以为方便，假定(1)

新鲜空气中水汽的焓等于废气中水汽的焓即(2)

湿物料进出干燥器时的比热相等，并可取其平均值即而由

相减并代入假定(1)，得又由相减，并代入假定(2)，得所以二、干燥系统的热效率而

所以

三、干燥速率和时间的计算（一）

恒定干燥条件下干燥实验和干燥时间1．干燥实验和干燥曲线干燥实验：与恒定干燥条件相近的间歇干燥实验。干燥曲线：由间歇干燥实验测出的X与及与之间关系曲线。2．干燥速率曲线干燥速率：单位时间内在单位干燥面积上汽化的水量，U，kg/(m2s)

即而所以

式中W’—一批操作中汽化的水分量，kg；

G’—一批操作中干物料的质量，kg。干燥速率曲线：U与X之间的关系曲线。由干燥速率曲线，可以将干燥过程分为两个阶段：(1)

恒速干燥阶段：物料预热阶段+恒速干燥阶段

(2)

降速干燥阶段：第一降速阶段+第二降速阶段

干燥机理：(1)

物料预热阶段，：空气传给物料的热量大于水分汽化所需热量，物料表面温度上升到空气的湿球温度，。(2)

恒速干燥阶段，：空气传给物料的热量等于水分汽化所需的热量，物料表面温度维持稳定，干燥速率维持恒定，表面维持润湿。(3)

第一降速干燥阶段，：水分的内部扩散速率小于水分的表面汽化速率，物料表面不能维持全润湿，出现部分“干区”，在干区空气传给物料的热量大于水分汽化所需的热量，平均表面温度缓慢上升。虽然单位润湿表面上的干燥速率不变，但由于实际汽化面积减少，从而以物料全部外表面积计算的干燥速率下降。该阶段可能是整个降速阶段，或根本不存在。(4）第二降速干燥阶段，：表面水分完全汽化后，水分的汽化面由表面向内部移动，空气传给物料的热量大于水分汽化所需的热量，表面温度加速上升，直至空气的温度，干燥速率加速下降，直至为零。此时物料含水量降到平衡水分。

显然，预热、恒速阶段为表面汽化控制阶段；降速阶段为内部迁移控制阶段3．临界含水量可通过减低物料层的厚度，来减小Xc。（二）恒定干燥条件下干燥时间的计算1．恒速阶段由恒速阶段的干燥速率等于临界干燥速率，及得

定积分

解之

Uc也可通过对流传热系数计算。2．降速阶段由定积分若U与X呈非线性关系，则可用数值积分法或图解积分法求得2。若U与X呈线性关系，则可设所以又所以第二节气流干燥器及其计算一、气流干燥原理及设备(一)气流干燥原理及特点

气流干燥：是指利用热气流将物料在流态下进行干燥的过程。

干燥操作原理：湿物料在热气流中呈悬浮状态，每个物料颗粒都被热空气所包围，因而使湿物料在流动过程中最大限度地与空气充分接触，气体与固体之间进行传热和传质，达到干燥的目的。

(二)气流干燥设备目前使用的气流干燥器形式：长管气流干燥器、短管气流干燥器和旋风气流干燥器等。应用：生物工业中味精、柠檬酸、四环类抗生素等的干燥。长管气流干燥流程

旋风式气流干燥管旋风式干燥器流程图旋风式气流干燥器加料器和卸料器对保证稳定的连续生产和成品质量很重要，下图所示的物种型式加料器适用于散状物料。为了防止在加料过程中物料结块，可采用震动加料器。气流干燥的计算

气流干燥的计算主要是计算干燥管的尺寸，即干燥管的长度与直径。确定干燥管长度的方法有两种，一种是按同类型产品的工厂在生产上查定数据为依据，如测定在生产中干燥管内的气流速度，物料与空气的接触时间来计算干燥管的长度。另一种方法，是按照理论进行计算，下面着重介绍此方法：（1）通过基尔比切夫准数求出物料的悬浮速度和干燥过程终空气与物料的给热系数α。基尔比切夫准数

式中d——微粒平均直径，m，可用筛子分级，根据筛孔平均直径计算；ρ粒——微粒的平均密度，kg/m3；ρ气——空气在干燥管内平均温度时的密度，kg/m3；v气——空气在干燥管内平均温度时的运动粘度，m2/s。求得准数Ki后，可根据图示的关系求出颗粒悬浮雷诺准数，这样便可以求出颗粒的悬浮速度。同时应用下图可以从雷诺准数来查出努塞尔特准数，这样就能确定空气与物料颗粒之间的给热系数。式中——在平均温度时，空气的导热系数，kJ/（m2·h·℃）。（3）干燥时间的计算物料与空气之间的平均温差为：（4）干燥管的长度与直径的确定

(5)干燥器长度和直径第三节沸腾干燥器及其计算沸腾干燥是利用流态化技术，即利用热的空气使孔板上的粒状物料呈流化沸腾状态，使水分迅速汽化达到干燥目的。在干燥时，使气流速度与颗粒的沉降速度相等，当压力降与流动层单位面积的重量达到平衡时（此时压力损失变成恒定），粒子就在气体中呈悬浮状态，并在流动层中自由地转动，流动层犹如正在沸腾，这种状态是比较稳定的流态化。沸腾干燥也称为流化床干燥。

沸腾造粒干燥是利用流化介质（空气）与料液间很高的相对气速，使溶液带进流化床就迅速雾化，这时液滴与原来在沸腾床内的晶体结合，就进行沸腾干燥，故也可看作是喷雾干燥与沸腾干燥的结合。沸腾干燥的特点是，传热传质速率高。由于是利用流态化技术，使气体与固体两相密切接触，虽然气固两相传热系数不大，但由于颗粒度较小，接触表面积大，故容积干燥强度为所有干燥器中最大的一种，这样需要的床层体积就大大减少，无论在传热、传质、容积干燥强度、热效率等方面都较气流干燥优良。干燥温度均匀，控制容易。干燥、冷却可连续进行，干燥与分级可同时进行，有利于连续化和自动化。由于容积干燥强度较大，所以设备紧凑，占地面积小，结构简单，设备生产能力高，而动力消耗少。

但是当连续操作时物料在干燥器内停留时间不一，干燥度不够均匀，对结晶物料有磨损作用。单层沸腾干燥器及其附属设备加料单层圆筒沸腾床干燥器至分离器出料热空气分布盘单层气体出口加料出料床内分离器第一层第二层热空气多层流化床干燥器（1）临界流化速度临界流化速度是指床层开始膨胀，达到初始流态化时的气体速度。由下式计算：（2）操作流化速度操作流化速度应大于临界流化速度而小于带出速度，可由下式求取：（3）流化床几何尺寸流化床层高度与操作时的床层空隙率有关，与原始床层高度及空隙率有关，由下列公式计算：设计时可取

H=2Hf干燥室直径D由下式计算

（4）物料在干燥器内停留时间：例题8-2

现用沸腾干燥器干燥红霉素湿晶体。已知，红霉素湿晶体的平均颗粒直径为0.55mm，初水分为0.4，堆积密度为560kg/m3，实密度为1080kg/m3。若加热空气温度为100℃，湿含量为0.006，物料进口温度为15℃

，要求干燥物料的含水量为0.01。设计一台处理量为30kg/h的红霉素晶体沸腾干燥器，求该干燥器的主要尺寸。解：由w1=0.4、w2=0.01得c1=0.667、c2=0.01011物料衡算2沸腾床内空气流速的确定设沸腾床内空气温度t2=72℃流化速度在wmf和wt之间，取w=1m/s3沸腾床高度计算4热量衡算（干燥器底面积及干空气用量计算）5干燥器具体尺寸的确定5多孔板的开孔率、孔径及孔数的确定取c=0.5孔径取5mm,共有小孔7热效率等技术经济指标第四节喷雾干燥塔（器）及其计算一、喷雾干燥原理及特点

喷雾干燥原理：将料液分散成极细的雾滴，因此料液能形成很大的比表面积，使雾滴同热空气产生剧烈的热质交换，在几秒至几十秒内迅速排除物料水分而获得干燥。成品以粉末状态沉降于干燥宰底部，连续或间断地从卸料器排出。喷雾干燥的特点是：

(1)干燥速度快、时间短，一般为3～30s。

(2)干燥温度较低。一般为50～60℃。

(3)制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。二雾化器的结构1.气流式喷雾器2.机械式喷雾器喷盘的型式有平板型、皿型、碗型、多翼型、喷枪型、锥型和圆帽型等，型式繁多，但目前用于酶制剂生产的有后三种，构造如下图。喷枪式是由一组喷嘴（一般为6个）伸在离心盘外，如同翼轮一样，中心形成负压，被喷物料容易卷起，粘在顶壁上，锥型和圆帽型可避免此问题，通过生产实践证明，后两种型式较好，圆帽式的喷孔出口向下倾斜45°，避免被喷物料向上翻。锥型喷盘是一组喷嘴装在离心盘内，避免中心形成负压，导致物料易粘顶壁。喷盘和喷嘴的材料均用不锈钢制造。3.喷雾干燥的三种流程三、喷雾干燥塔(器)的计算例题8-2

现欲设计一个气流式喷雾干燥塔，处理量为14L/h,干燥链霉素硫酸盐溶液。已知浓缩液的浓度为3.2×105单位/ml，成品含水量为3%，大气温度为20℃，相对湿度为80%，进入干燥室的温度为130℃，离开干燥室的温度为95℃，料液的相对密度为1.1，进入干燥室的温度为15℃，采用气流式喷嘴进行喷雾，干燥过程中临界水分为0.2kg/kg,平衡水分为0.02kg/kg。求干燥室的空气用量、预热量及干燥塔的主要尺寸。1.物料衡算若产品效价单位为720u/mg=720×103u/g2.热量衡算3.干燥塔尺寸的确定干燥塔总体积干燥塔高度(二)喷雾干燥设备

喷雾器的要求：喷雾粒子均匀，结构简单、产量大、能耗小。

喷雾器有：压力式喷雾器、气流式喷雾器和离心式喷雾器3种，

喷雾干燥设备有：压力喷雾干燥塔，气流喷雾干燥塔和离心喷雾干燥塔3类喷雾干燥设备。气流喷雾干燥塔2、离心喷雾干燥设备

离心喷雾干燥：是利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予料液以离心力，使其高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用形成细雾而干燥的过程。

离心喷雾干燥设备1、空气过滤器

2、加热器

3、热风分配器

4、干燥室

5、过滤器

6、泵

7、喷头

8、旋风分离器

9、风机

10、料液槽三、流化床干燥原理及设备(一)流化床干燥原理及特点流化床干燥(也称沸腾干燥)是利用流态化技术，即利用热空气流使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程。流化床干燥的特点：1、传热传质速率高；2、干燥温度均匀，控制容易；3、结构简单，可连续化、自动化生产。(二)流化床干燥设备流化床干燥器有单层，多层。单层的分单室、多室和有干燥室冷却室的二段沸腾干燥，其次还有沸腾造粒干燥。流化床干燥流程1、单层卧式多室流化床干燥器2、沸腾造粒干燥器沸腾造粒干燥塔构造特点：传热面积大、干燥均匀可连续进行、设备体积小。

沸腾造粒过程有3种情况：一种是料液在接触晶核之前，水分已完全蒸发，本身形成一个较大的固体颗粒；另一种是料液附在晶核的表面，然后水分蒸发，在种子表面形成一层薄膜，而使颗粒长大；第三种是雾滴附着在种子表面并与其他种子碰撞鼓连在一起而成为大颗粒。生产上以第二种造粒机理最为理想。

3、影响产品颗粒大小的因素

1、停留时间