干燥及其设备概要

干燥及其设备概要第1页/共35页2）水分活度把湿物料表面附近的水蒸气压P与同温同压下水的饱和气压之比定义为湿物料的水分活度，aw=P/Pst。相对湿度的定义为=Pw/Pst若aw

>，则P>Pw，水分将从物料向湿空气中传递，此乃物料的干燥过程，即解湿、含水量减少。若aw

<，则P<Pw，水分将从湿空气向物料中传递，此乃物料的吸湿，含水量增加。若aw=，则P=Pw，水分交换达到平衡状态，物料的含水量不再发生变化。此时，相对物料来说，称为平衡相对湿度；相对空气来说，物料的含水量称为平衡含水量。物料的水分活度与其相应的湿空气平衡相对湿度在数值上相等；而平衡含水量是在这种湿空气条件下物料干燥所能达到的极限。第2页/共35页水分活度大小取决于：水存在的量、温度、水中溶质的浓度、物料成分、水与非水部分结合的强度。没有水微生物不能生存水分活度低，微生物生长率低，aw

低于0.6时微生物不能生长。酶需要水分才能有活性水分减少，酶的活性降低，水分降到1%以下，aw

<0.3，酶的活性完全消失。将物料（食品）中的水分活度降到一定程度，使物料（食品）能在一定的保质期内不受微生物利用而腐败，同时能维持一定的质构不变及控制生化反应及其它反应。第3页/共35页3）物料水分的测定既要保证样品的代表性，又要保证从取样到测定过程中，样品中水分不变。直接测定：样品置于烘箱中加热，除去水分至恒重，简单、准确，时间较长。间接测定：利用物料的某一特性与其所含水分的关系，水分测定仪。4）平衡水分曲线与干燥曲线在一定温度下，得到的平衡水分与周围介质平衡相对湿度的关系曲线，称为平衡水分曲线。第4页/共35页通常把物料的含水量、表面温度与干燥时间的关系曲线称为干燥曲线。

dM(t)/dt=-k[M(t)–Mde]M(t)=[M0–Mde]e-kt+Mde式中dM(t)/dt为物料的降水速率，Mde为物料的平衡水分（干基），k为干燥常数，M0为初始干基水分。恒速干燥物料含水量随时间成直线下降的关系，即降水速率为常数。降速干燥随物料中含水量的下降，干燥速率也不断下降，直至达到平衡水分，这个过程称为降速干燥。第5页/共35页二、干燥方法1）对流干燥也称为热风干燥。直接以高温热空气为热源，借对流换热将热量传给物料，使其中的水分蒸发，蒸发出来的水分由空气带走。热空气既是载热体又是载湿体。特点是干燥介质的温湿度容易控制，设备简单操作容易，但干燥过程较缓慢。干燥过程的核心问题将热量传递给物料，并促使物料组织中的水分向外转移。既有热的传递，又有物质（水分）的迁移。2）传导干燥也称接触干燥。物料与发热表面直接接触而获得热量蒸发水分。物料层很薄或物料很湿时，采用该法较适宜。该法干燥慢，而且不均匀，温湿度不易控制。第6页/共35页4）冷冻干燥也称升华干燥。先将物料冷冻，使其中的水分预先成冰，然后在极低的压力下（1-10N/m3)，使之直接升华转为气相达到干燥的目的。此法能耗较高。5）真空干燥通过降低气压，促使物料中的水分向外迁移。3）辐射干燥利用阳光、红外线和微波等能源，将热能量传给物料来进行干燥。水分扩散方向由内向外。物料中的热扩散方向视情况不同而不同。第7页/共35页三、干燥机理湿物料进行干燥时，将逐渐形成从内部到表面的湿度梯度，此乃水分向表面迁移的推动力。温度梯度也可以使物料内部的水分发生传递，称为热湿导，方向是由高温向低温进行。

W=Wm+Wt

对于热风干燥和一般的辐射干燥，物料内部的温度梯度与湿度梯度方向相反，温度内低外高，湿度内高外低；而对于接触干燥和微波加热干燥，两种梯度方向一致，内高外低。

物料的干燥过程，一般是水分由内部扩散到表面，然后在表面汽化。水分的内部扩散和表面汽化是同时进行的。

第8页/共35页1）表面汽化控制表面汽化速率小于水分的内部扩散速率，内部水分能迅速到达物料层表面，使表面在干燥过程中保持充分湿润的状态。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，必须努力改善影响外部传递的因素，如提高空气温度，降低其相对湿度，改善空气与物料的接触和流动情况，均有助于提高干燥速率。2）内部扩散控制表面汽化速率大于水分的内部扩散速率，水分无法扩散至表面以供汽化，此时干燥过程为水分的内部扩散所控制。要提高干燥速率，可采取减小物料厚度，缩短水分的扩散距离，使空气与物料层穿流接触；搅拌物料使深层物料及时暴露于表面；利用接触加热或微波加热，使深层料温高于表面料温等措施。第9页/共35页四、影响湿热迁移的重要因素1）物料表面积物料表面积越大，干燥效果越好。增加物料和加热介质相互接触的表面积，增加物料与吸湿介质的接触面积。方法：分割成薄片或小片。缩短热量向物料中心传递的距离和水分从物料中心外移的距离。

2）温度传热介质和物料间温差越大，热量向物料传递的速度也越大，水分外逸的速度越大。空气温度越高，在饱和前所能容纳的蒸汽量越多，空气相对饱和湿度下降，这会使水分从物料表面扩散的驱动力更大。物料温度，水分扩散速率也加快，使内部干燥加速。第10页/共35页3）空气流速若以空气作为加热介质，温度并非主要因素，因为物料中的水分以蒸汽状态从表面外逸时，将在其表面形成饱和水蒸汽层，若不及时排除掉，将阻碍物料内水分进一步外逸，从而降低水分的蒸发速度。增加空气流速，及时将物料表面的饱和湿气带走。物料表面接触空气的量增多，加速水分的蒸发。4）空气的干燥程度或空气湿度空气越干，物料的干燥速度越快。空气的干燥程度与其能吸收蒸发水分的能力有关，空气越湿，吸湿越少。空气湿度决定物料的干燥程度，因为空气将与物料间达到湿度平衡。第11页/共35页5）大气压力和真空度水的沸点与气压有关，气压越低沸点越低。在真空室内加热干燥，将加速物料内的水分蒸发，还能使产品具有疏松的结构。

6）蒸发和温度水分从物料表面蒸发时，其表面会冷却，温度下降。空气越干燥，蒸汽压越低，水分蒸发量越大，湿球温度下降越大。7）时间和温度延长时间和提高温度均可加速物料的干燥。高温短时的干燥工艺对物料品质的损害小于低温长时干燥。热敏物料脱水采用低温加热和缩短干燥时间对保证品质极为重要。第12页/共35页五、合理选用干燥工艺条件

干燥工艺条件主要由干燥过程中控制干燥速率、物料临界水分和干燥物料品质的主要参变数组成。最适宜的干燥工艺条件为：使干燥时间最短、热能和电能的消耗量最低、干燥物料的质量最高。

使物料表面的蒸发速率尽可能等于内部的水分扩散速率，同时力求避免在物料内部建立起和湿度梯度方向相反的温度梯度，以免降低物料内部的水分扩散速率。恒速干燥阶段，为了加速蒸发，在保证物料表面的蒸发速率不超过内部的水分扩散速率的原则下，尽可能提高空气温度。降速干燥阶段时，应设法降低表面蒸发速率，使它能和逐步降低了的内部水分扩散率一致，以免物料表面过度受热，导致不良后果。干燥末期干燥介质的相对湿度应根据预期干燥水分加以选用。第13页/共35页§4.2干燥工艺和设备一、对流干燥1）物料固定床式物料层静止不动，干燥介质作相对运动，烘干后卸出。2）物料移动床式物料一面与干燥介质接触，一面靠重力或机械方法自上而下流动，以增加与介质的接触面积，干燥较为均匀。根据气流与物料相对运动方向的不同，分为横流式、逆流式和并流式三种。第14页/共35页4）喷雾干燥通过机械的作用将欲干燥的液体或浆状物料雾化，喷到干燥室内，并立刻与热风接触，导致其迅速干燥，获得粉末物料。该法的特征是干燥时间短，一般1~20秒以及相对低的干燥温度。3）物料流化床式所谓流化是指固体颗粒被流体吹起呈悬浮状态，粒子相互分离，并作上下、前后运动。流化干燥就是在干燥介质作用下，使物料处于流化状态进行干燥的过程。流化床干燥器有单层圆筒型、多层圆筒型、卧式多室型、振动型等。第15页/共35页二、干燥机械第16页/共35页第17页/共35页第18页/共35页第19页/共35页第20页/共35页第21页/共35页滚筒干燥机第22页/共35页第23页/共35页第24页/共35页第25页/共35页第26页/共35页第27页/共35页第28页/共35页振动流化床干燥-冷却机由悬挂在两侧的振动电机产生激振力，使物料沿孔板跳跃前进，气流从孔板下穿过物料层，使物料在振动和气流双重作用下呈流化状态，通过气流温度（冷风或热风）实现干燥、冷却操作。第29页/共35页第30页/共35页第31页/共35页第32页/共35页§4.2干燥的衡算一、物料的衡算解决水分蒸发和干燥介质消耗量问题。设单位时间进入烘干室的物料质量流为‘m1，离开烘干室的质量流为’m2，其湿基水分由M1降到M2，但物料中干物质的质量流‘md是恒定的。‘md=‘m1(100%-M1)=‘m2(100%-M2)物料所失水分的质量流量为‘mw=‘m1M1–‘m2M2,‘m1=‘mw+‘m2单位时间的降水率

W=(‘m1–‘m2)/’m1=(M1–M2)/(100%-M2)

物料的干燥过程既有热交换又有质交换，因此，干燥过程的衡算应包括物料衡算和热量衡算两部分。第33页/共35页二、热量衡算设h0为干燥介质进入加热器前的焓值，h1为干燥介质进入烘干室前的焓值，Q为加热器供给干燥介质的热量，则有‘mdah1=‘mdah0+Q烘干室的热平衡方程为‘mdah1+‘m1c1t1=‘mdah2+‘m2c2t2+GL

式中’m1和’m2为烘干前后物料质量流，t1和t2，c1和c2分别为物料烘干前后的温度和比热容，h1和h2为干燥介质进入和离开干燥室的焓值。