蒸發(fā)與干燥技術

蒸發(fā)與干燥技術第一頁，共五十頁，2022年，8月28日蒸發(fā)與干燥技術第一節(jié)蒸發(fā)第二節(jié)干燥

第二頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)一、蒸發(fā)過程1．蒸發(fā)的基本流程蒸發(fā)的根本目的是使溶劑與溶質分離。從蒸發(fā)過程的機理看，溶劑的分離是靠供給溶劑汽化需要的熱量使溶劑變成蒸汽，而從溶液中分離出來。因此蒸發(fā)過程的兩個必要組成部分是加熱使溶液沸騰汽化和不斷排除水蒸汽。與此相應的蒸發(fā)系統(tǒng)是由蒸發(fā)器和冷凝器兩部分組成的。蒸發(fā)器實質上是一個換熱器，它由加熱室和氣液分離器兩部分組成。加熱沸騰產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)氣液分離器與溶液分離后引出。為了防止液滴隨蒸汽帶出，一般在蒸發(fā)器的頂部設有汽液分離用的除沫裝置。從蒸發(fā)器蒸出的蒸汽稱為二次蒸汽，以便與加熱用的蒸汽(加熱蒸汽)相區(qū)別。冷凝器實際上也是換熱器，它有直接接觸式和間接式兩種類型。第三頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)二次蒸汽進入冷凝器直接冷凝，冷卻水從冷凝器頂加入，與上行的水蒸汽直接接觸，將它冷凝成水從下部排出。二次蒸汽中含有的不凝性氣體從冷凝器頂部排出。不凝性氣體的來源有以下兩方面：料液中溶解的空氣和當系統(tǒng)減壓操作時從周圍環(huán)境中漏入的空氣。蒸發(fā)系統(tǒng)總的蒸發(fā)速度是由蒸發(fā)器的蒸發(fā)速度和冷凝器的冷凝速度共同決定的，蒸發(fā)速度或冷凝速度發(fā)生變化，則系統(tǒng)總的蒸發(fā)速度也相應發(fā)生變化。因此，操作時必須保證蒸發(fā)器和冷凝器均工作正常。料液在蒸發(fā)器中蒸發(fā)到要求的濃度后，稱為完成液，從蒸發(fā)器底部放出，是過程的產(chǎn)品。如果溶液的沸點很高，不能用飽和水蒸汽加熱，可以采用其它的加熱方法，如高溫載熱體加熱、熔鹽加熱、煙道氣直接加熱或電加熱等。第四頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)

2.蒸發(fā)過程應考慮的因素液體在任何溫度下都可以蒸發(fā)，而且蒸發(fā)現(xiàn)象只發(fā)生于液體表面。因此蒸發(fā)過程中應該考慮以下一些因素：（1）液體蒸發(fā)面的面積在一定溫度下，單位時間內一定量蒸汽蒸發(fā)速度與蒸發(fā)面的大小成正比，即蒸發(fā)的表面積愈大，蒸發(fā)速度愈快。故常壓蒸發(fā)時應采用直徑大、鍋底淺的廣口蒸發(fā)鍋。（2）加熱溫度與液體溫度應有一定的溫度差根據(jù)熱傳導與分子動力學理論，汽化是由于分子受熱后振動能力超過分子間內聚力而產(chǎn)生的。因此要使蒸發(fā)速度加快，必須使加熱溫度與液體溫度間有一定的溫度差，以使溶媒分子獲得足夠能量而不斷汽化。第五頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)（3）攪拌液體的汽化在液面總是最大的。由于熱量的損失，液體的溫度下降最快，加之液體的揮發(fā)，濃度的增加也較快。液面溫度下降和濃度升高造成液面粘滯度增加，因而液面往往產(chǎn)生結膜現(xiàn)象。結膜后不利于傳熱及蒸發(fā)，通過經(jīng)常攪拌可以克服結膜現(xiàn)象，使蒸汽發(fā)散加快，提高蒸發(fā)速度。（4）液面外蒸汽的濃度在溫度、液面壓力，蒸發(fā)面積等因素不變的前提下，蒸發(fā)速度與蒸發(fā)時液面上大氣中的蒸汽濃度成反比。蒸汽濃度大，分子不易逸出，蒸發(fā)速度就慢，反之則快。故在蒸發(fā)濃縮的車間里應使用電扇、排風扇等通風設備，及時排除液面的蒸汽，以加速蒸發(fā)的進行。第六頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)（5）液面外蒸汽的溫度蒸發(fā)速度可隨著蒸發(fā)溫度的增加而加快，例如15℃時1m3充分飽和的空氣含12g水蒸汽，50℃時可含82g、75℃時則可含234g，即溫度愈高，在單位體積的空氣內，可能含有的水蒸汽愈多；反之，如將較高的溫度下降及已飽和的蒸汽重新冷卻，則一部分蒸汽又重新冷結為液體。因此，在蒸發(fā)液上部通入熱風可促進蒸發(fā)。如片劑包糖衣時鼓入熱風，即可加速水分的蒸發(fā)。（6）液體表面的壓力液體表面壓力越大，蒸發(fā)速度越慢。所以，有條件者可以采用減壓蒸發(fā)，即可加速蒸發(fā)，又可避免藥物受高溫而破壞。第七頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)二、蒸發(fā)的操作方法

1.常壓蒸發(fā)與減壓蒸發(fā)根據(jù)操作壓力的不同，蒸發(fā)過程可分為常壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)(真空蒸發(fā))。常壓蒸發(fā)是指冷凝器和蒸發(fā)器溶液側的操作壓力為大氣壓或略高于大氣壓，此時系統(tǒng)中不凝性氣體依靠本身的壓力從冷凝器中排出。真空蒸發(fā)時冷凝器和蒸發(fā)器溶液側的操作壓力低于大氣壓，此時系統(tǒng)中的不凝性氣體必須用真空泵抽出。采用真空蒸發(fā)的基本目的是降低溶液的沸點。與常壓蒸發(fā)相比，它有以下優(yōu)點：①溶液沸點低，可以用溫度較低的低壓蒸汽或廢蒸汽作加熱蒸汽；②溶液沸點低，采用同樣的加熱蒸汽，蒸發(fā)器傳熱的平均溫度差大，所需的傳熱面?。虎廴芤悍悬c低，有利于處理熱敏性物料，即高溫下易分解和變質的物料；④蒸發(fā)器的操作溫度低，系統(tǒng)的熱損失小。第八頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)真空蒸發(fā)的缺點：①溶液溫度低，粘度大，沸騰的傳熱數(shù)小，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)?。虎谡舭l(fā)器和冷凝器的內壓力低于大氣壓，完成液和冷凝水需用泵或大氣腿排出；③需用真空泵抽出不凝性氣體，以保持一定的真空度，因而需多耗能量。真空蒸發(fā)的操作壓力(真空度)取決于冷凝器中水的冷凝溫度和真空泵的能力。冷凝器操作壓力的最低極限是冷凝水的飽和蒸汽壓，所以它取決于冷凝水的溫度。真空泵的作用是抽走系統(tǒng)中的不凝性氣體，真空泵的能力越大，冷凝器內的操作壓力可以越接近冷凝水的飽和蒸汽壓。一般真空蒸發(fā)時，冷凝器的壓力為（10～20）kPa。

第九頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)2.單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)

根據(jù)二次蒸汽是否用來作為另一蒸發(fā)器的加熱蒸汽，蒸發(fā)過程可分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。圖10-1單效蒸發(fā)流程圖第十頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)單效蒸發(fā)的流程如圖10-1所示，二次蒸汽在冷凝器中用水冷卻，冷凝成水而排出，二次蒸汽所含的熱能沒有利用，而是隨冷卻水直接排放至環(huán)境中。因為蒸發(fā)器中依靠加熱蒸汽冷凝放出熱量使溶液中的水汽化。多效蒸發(fā)中，第一個蒸發(fā)器(稱為第一效)中蒸出的二次蒸汽用作第二個蒸發(fā)器(第二效)的加熱蒸汽，第二個蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個蒸發(fā)器(第三效)的加熱蒸汽，如此類推。二次蒸汽利用次數(shù)可根據(jù)具體情況而定，系統(tǒng)中串聯(lián)的蒸發(fā)器的數(shù)目稱為效數(shù)。多效蒸發(fā)中，第一個蒸發(fā)器(稱為第一效)中蒸出的二次蒸汽用作第二個蒸發(fā)器(第二效)的加熱蒸汽，第二個蒸發(fā)器蒸出的二次蒸汽用作第三個蒸發(fā)器(第三效)的加熱蒸汽，如此類推。二次蒸汽利用次數(shù)可根據(jù)具體情況而定，系統(tǒng)中串聯(lián)的蒸發(fā)器的數(shù)目稱為效數(shù)。第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日第一節(jié)蒸發(fā)

圖10-2所示為三效蒸發(fā)的流程圖。多效蒸發(fā)的優(yōu)點是可以節(jié)省加熱蒸汽的消耗量。如果按1kg蒸汽冷凝可以從溶液中蒸發(fā)出1kg水估算，二效蒸發(fā)中1kg加熱蒸汽可以從溶液中蒸出2kg水，即蒸出1kg水需消耗0.5kg加熱蒸汽，n效蒸發(fā)中，1kg加熱蒸汽可以蒸出nkg水，即蒸出1kg水，需要1／nkg加熱蒸汽?？梢娦?shù)愈多，每蒸出1kg水所需要的加熱蒸汽量愈少。圖10-2三效蒸發(fā)流程圖

第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥一、基本原理干燥是指通過氣化而使?jié)裎锪现兴殖サ姆椒?。物料的干燥程度與物料中水分的存在狀態(tài)有關。濕物料中水分與物料的結合有如下三種方式：（1）化學結合水如晶體中的結晶水，這種水分不能用干燥方法去除?；瘜W結合水的解離不應視為干燥過程。（2）物化結合水如吸附水分、滲透水分和結構水分。其中以吸附水分與物料的結合力最強。（3）機械結合水如毛細管水分，孔隙中水分和表面潤濕水分。其中以潤濕水分與物料的結合力最弱。物料中水分與物料的結合力愈強，水分的活度即愈小，水分也就愈難除去。反之，如結合力較小，則較易除去。第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥因此，又可以根據(jù)水分除去的難易，將水分大體分為非結合水分和結合水分。（1）非結合水存在于物料的表面或物料間隙的水分，此種水分與物料的結合力為機械力。屬于非結合水分的有上述機械結合水中的表面潤濕水分和孔隙中的水分，結合較弱，易用一般方法除去。（2）結合水存于細胞及毛細臂中的水分，主要是指物化結合的水分及機械結合中的毛細管水分，由于結合力使結合水所產(chǎn)生的蒸汽壓低于同溫度下純水所產(chǎn)生的蒸汽壓，所以降低了水氣向空氣擴散的傳質推動力。此水分與物科的結合力為物理化學的結合力，由于結合力較強，水分較難從物料中除去。第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥當濕物料與濕空氣接觸時，如空氣中的水蒸汽分壓低于濕物料的平衡水蒸汽壓，則濕物料中的水分將汽化，物料被干燥，這一過程進行到濕物料的含水量降低到其水蒸汽壓等于空氣中的水蒸汽分壓為止，這時濕物料的含水量稱為平衡水含量。濕物料中高于平衡水含量的水稱為自由水含量?？梢?，自由水含量是用—定溫度和濕度的空氣干燥濕物料時，可以從濕物料除去的水分的最大量。平衡水分的數(shù)值不僅與物料的性質有關還受空氣濕度的影響。濕空氣的相對濕度愈大，或溫度愈低，則平衡水分的數(shù)值愈大。由此可見，在一定條件下，無限制地延長干燥時間也不能改變物料的濕度。此外，干燥的物料應密封保存，否則物料將吸收濕空氣中的水分，使平衡水分的數(shù)值增大。第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥

1.干燥速率干燥速率U是指單位時間內被干燥物料所能汽化的水分量，而干燥速度則是指單位時間內于單位干燥面積A上所能汽化的水分量。干燥速率受以下幾方面因素的影響：（1）物料的性質、結構和形狀物料的性質和結構不同，物料與水分的結合方式以及結合水與非結合水的界線也不同，因此其干燥速率也不同。物料的形狀、大小以及堆置方式不僅影響干燥面積，而且影響干燥速率。（2）物料的濕度和溫度物料中水分的活度與濕度有關，因而影響干燥速度。而物料溫度與物料中水分的蒸汽壓有關，并且也與水分的擴散系數(shù)有關，一般溫度愈高，則干燥速度愈大。第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥（3）干燥介質的溫度和濕度干燥介質的溫度越高，濕度越低，干燥速度越大。但干燥介質的溫度過高，最初干燥速率過快不僅會損壞物料，還會造成臨界含水量的增加，反而會使后期的干燥速率降低。（4）干燥操作條件干燥操作條件主要是干燥介質與物料的接觸方式，以及干燥介質與物料的相對運動方向和流動狀況。介質的流動速度影響干燥過程的對流傳熱和對流傳質，一般介質流動速度愈大，干燥速度愈大，特別是在干燥的初期。介質與物料的接觸狀況，主要是指流動方向。流動方向與物料汽化表面垂直時，干燥速度最快，平行時最差。凡是對介質流動造成較強烈的湍動，使氣—固邊界層變薄的因素，均可提高干燥速度。例如塊狀或粒狀物料堆成一層一層地、或在半懸浮或懸浮狀態(tài)下干燥時，均可提高干燥速度。第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥（5）干燥器的結構型式烘箱、烘房等因為物料處于靜態(tài)，物料暴露面小，水蒸汽散失慢，干燥效率差，干燥速率慢。沸騰干燥器、噴霧干燥器屬流化操作，被干燥物料在動態(tài)情況下，粉粒彼此分開，不停的跳動，與干燥介質接觸面大，干燥效率高，干燥的速率大。需要指出，由于影響干燥的因素很多，所以物料的干燥速度與濕度的關系必須通過具體的實驗來測定。第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥

2.干燥過程干燥過程是指水分從濕物料內部借擴散作用到達表面，并從物料表面受熱氣化的過程。帶走氣化水分的氣體叫干燥介質。通常為空氣。大多數(shù)情況下干燥介質除帶走水蒸汽外，還供給水分汽化所需要的能量。在一般情況下，干燥速度曲線是隨濕物料與水分結合情況的不同而不同的，圖10-3所示僅為恒定干燥條件下物料干燥速度曲線的一種類型。在此種情況下，依據(jù)干燥速度的變化，干燥過程可分為預熱階段、恒速階段、降速階段和平衡階段。圖10-3u-ω曲線圖第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥（1）預熱階段當濕物料與干燥介質接觸時，干燥介質首先將熱量傳給濕物料，使?jié)裎锪霞捌渌鶐臏囟壬?，由于受熱水分開始汽化，干燥速度由零增加到最大值。濕物料中的水分則因汽化而減少。此階段僅占全過程的5％左右，其特點是干燥速度由零升到最大值，熱量主要消耗在濕物料加溫和少量水分汽化上，因此水分降低很少。（2）恒速階段干燥速度達最大值后，由于物料表面水分蒸汽分壓大于該溫度下空氣中水蒸汽分壓，水分從物料表面汽化并進入熱空氣，物料內部的水分不斷向表面擴散，使其表面保持潤濕狀態(tài)。第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥只要物料表面均有水分時，汽化速度可保持不變，故稱恒速階段。該階段的特點是，干燥速度達最大值并保持不變，BC平行于橫坐標；物料的含水量迅速下降；如果熱空氣傳給濕物料的熱量等于物料表面水分汽化所需熱量，則物料表面濕度保持不變。該階段時間長，占整個干燥過程的80％左右，是主要的干燥脫水階段。預熱階段和恒速階段脫除的是非結合水分，即自由水和部分毛細管水。恒速階段結束時的物料含水量ω稱為第一臨界含水量，常簡稱為臨界含水量，以ω0表示。第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥（3）降速階段達到臨界含水量以后，隨著干燥時間的增長，水分由物料內部向表面擴散的速度降低，并且低于表面水分汽化的速度，干燥速度也隨之下降，稱為降速階段。在降速階段中，根據(jù)水分汽化方式的不同又分為兩個階段，即部分表面汽化階段和內部汽化階段。①部分表面汽化階段進入降速階段以后，由于內部水分向表面的擴散速度小于表面水分汽化的速度而使?jié)裎锪媳砻娉霈F(xiàn)干燥部分，但水分仍從濕物料表面汽化，故稱部分表面汽化階段。這一階段的特點是，干燥速度均勻下降，且潮濕的表面逐漸減少、干燥部分越來越多，由于汽化水量降低，需要的汽化熱減少，故使物料溫度升高。第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥②內部汽化階段隨物料表面干燥部分增加溫度越來越高，熱量向內部傳遞而使蒸發(fā)面向內部移動，水分在物料內部汽化成水蒸汽后再向表面擴散流動，直到物料中所含水分與熱空氣的濕度平衡時為止，稱內部汽化階段。這一階段的特點是，物料含水量越來越少，水分流動阻力增加，干燥速度甚低，物料溫度繼續(xù)升高。(4)平衡階段當物料中水分達到平衡水分時，物料中水分不再汽化的階段。第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥二、干燥方法按照供能特征即供熱的方式可將干燥分為接觸式、對流式、輻射式干燥。在接觸干燥時，熱量通過加熱的表面(金屬方板、輥子)的導熱性傳給需干燥的濕物料，使其中的水分汽化，然后，所產(chǎn)生的蒸汽被干燥介質帶走，或用真空泵抽走的干燥操作過程，稱為接觸干燥。根據(jù)這一方法建立起來的，并且用于微生物合成產(chǎn)品干燥的干燥器有單滾筒和雙滾筒干燥器和廂式干燥器。該法熱能利用較高，但與傳熱壁面接觸的物料在干燥時易局部過熱而變質?，F(xiàn)在已被其他干燥方法建立起來的干燥器所取代。第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥對流式干燥是指熱能以對流給熱的方式由熱干燥介質(通常是熱空氣)傳給濕物料，使物料中的水分汽化，物料內部的水分以氣態(tài)或液態(tài)形式擴散至物料表面，然后汽化的蒸汽從表面擴散至干燥介質主體，再由介質帶走的干燥過程稱為對流干燥。對流干燥過程中，傳熱和傳質同時發(fā)生。干燥過程必需的熱量，由氣體干燥介質傳送，它起熱載體和介質的作用，將水分從物料上轉入到周圍介質中。這個方法廣泛地應用在微生物合成產(chǎn)物上，主要有氣流干燥器、空氣噴射干燥器、噴霧干燥器和沸騰床干燥器。第二十五頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥輻射干燥是指熱能以電磁波的形式由輻射器發(fā)射至濕物料表面后，被物料所吸收轉化為熱能，而將水分加熱汽化，達到干燥的目的。紅外輻射干燥比熱傳導干燥和對流干燥的生產(chǎn)強度大幾十倍，且設備緊湊，干燥時間短，產(chǎn)品干燥均勻而潔凈，但能耗大，適用于干燥表面積大而薄的物料。有電能輻射器(如專供發(fā)射紅外線的燈泡)和熱能輻射器，在輻射干燥時，即紅外線干燥時，熱從能源(輻射源)以電磁波形式傳入。輻射源的溫度通常在700℃到2200℃，這個加熱方法應用在微生物合成產(chǎn)物的升華干燥上。第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥除了上述列舉的干燥方法以外，利用高頻電磁場來干燥同樣是可能的，但這種方法設備價格高，耗能相當大和使用復雜，所以未應用在干燥微生物合成產(chǎn)品上。目前，對于干燥微生物合成產(chǎn)物，最廣泛應用的干燥方法主要是對流給熱的干燥方式(氣流、空氣噴射、沸騰床、噴霧等)，對于活的菌體、各種形式的酶和其他熱不穩(wěn)定產(chǎn)物的干燥，可使用冷凍干燥。1.氣流干燥氣流干燥是指利用濕熱干燥氣流或單純的干燥氣流進行干燥的一種方法。氣流干燥的原理是通過控制氣流的溫度、濕度和流速來達到干燥的目的。第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥氣流干燥器結構流程如圖10-4所示。物料由加料斗1經(jīng)螺旋加料器2送入氣流干燥管3的下部。空氣由風機4吸入，經(jīng)預熱器5加熱到一定溫度后送入干燥管。達到干燥要求的物料經(jīng)旋風分離器6分離后，由卸料口排出包裝，廢氣通過濕式除塵器除塵后排入大氣中。1-加料斗；2-螺旋加料器；3-干燥管；4-風機5-預熱器；6-旋風分離器；7-濕式除塵器圖10-4氣流干燥器流程第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥氣流干燥器具有下列特點：（1）干燥強度大氣流干燥由于氣流速度高，粒子在氣相中分散良好，可以把粒子的全部表面積作為干燥的有效面積，因此，干燥的有效面積大大增加。同時，由于氣速較高，一般達20m/s～40m/s，空氣渦流的高速攪動，使汽化表面不斷更新，減小了傳熱和傳質的阻力，因此，干燥的傳熱、傳質過程強度較大。例如，旋風式氣流干燥器的干燥強度可達2.69kg水／(m2·h)。如果以單位體積干燥管內的傳熱來考慮干燥速率，則容積傳熱系數(shù)可達2.3～7.0W/（m3K），比轉筒干燥器大20～30倍。尤其是在干燥管前端或底部因機械粉碎裝置或鼓風機葉輪的粉碎作用，效果更顯著。第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥（2）干燥時間短大多數(shù)物料的氣流干燥只需0.5～2秒，最長不超過5秒。物料的熱變性一般是溫度和時間的函數(shù)，所以特別適宜于熱敏性物料的干燥。（3）占地面積小，投資省由于干燥器具有很大的容積傳熱系數(shù)及溫差，對于完成一定的傳熱量所需的干燥器體積可以大大地減小，即可以實現(xiàn)小設備大生產(chǎn)的目的。因此占地小，投資省。與回轉干燥器相比，占地面積減少60％，投資約省80％。同時，可以把干燥、粉碎、篩分、輸送等單元過程聯(lián)合操作，不但流程簡化，而且操作易于自動控制。第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥（4）熱效率高由于干燥器散熱面積小，所以熱損失小，最多不超過5％，因而熱效率高。干燥非結合水時熱效率可達60％左右，干燥結合水時可達20％左右。（5）成本低可以省去專門的固體輸送裝置。因此，干燥器的活動部件少，結構簡單，易建造，易維修，成本低。（6）操作連續(xù)穩(wěn)定可以有機地把干燥、粉碎、輸送、包裝等組成一道工序，整個過程可在密閉條件下進行，減少物料飛揚，防止雜質污染。既改善了產(chǎn)品質量，又提高了回收率。（7）適用性廣可使用各種粉狀物料，粒子最大可達10mm，濕含量可達10%～40%。第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥氣流干燥也有很大的不足，其缺點是：（1）由于全部產(chǎn)品由氣流帶出，因此分離器的負荷大。（2）由于氣速較高，粒子有一定的磨損，所以對晶形有一定要求的物料不宜采用。也不適用于需要在臨界濕含量以下干燥的物料以及對管壁粘附性強的物料。（3）由于氣速大，全系統(tǒng)阻力很大，因而動力消耗大。（4）在干燥時要產(chǎn)生毒氣的物料，以及所需的風量比較大的情況下也不宜采用氣流干燥。（5）最主要缺點是干燥管較長，一般在10m或10m以上。第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥為了降低氣流干燥器的高度，在國內外都陸續(xù)出現(xiàn)了不少新型的氣流干燥設備。如環(huán)形氣流干燥器、旋風氣流干燥器、套管式氣流干燥器、脈沖式氣流干燥器、多級氣流干燥器等，由于篇幅的原因這里就不詳細介紹。1.

噴霧干燥噴霧干燥是以單一工序，將溶液、乳濁液、懸浮液或膏糊狀物料加工成粉狀、顆粒狀干制品的一種干燥方法。它是液體通過霧化器的作用，噴灑成極細的霧狀液滴，并依靠干燥介質與霧滴均勻混合，進行熱交換和質交換，使水分(或溶劑)汽化的過程。第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥圖10-5是一個典型的噴霧干燥裝置流程。由圖可知，原料由泵送至霧化器，空氣經(jīng)加熱器加熱后，作為干燥介質送到干燥室。經(jīng)霧化器霧化的液滴與熱空氣接觸，將大部分水分汽化掉，作為干燥產(chǎn)品從底部收集?？諝饨?jīng)旋風分離器回收產(chǎn)品粉末后排人大氣。1-料液槽；2-過濾器；3-泵；4-霧化器；5-空氣加熱器；6-風機；7-空氣分布器；8-干燥室；9-旋風分離器；10-排風機圖10-5噴霧干燥流程圖第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥噴霧干燥過程可分為4個階段：料液霧化為霧滴；霧滴與空氣接觸(混合和流動)；霧滴干燥(水分蒸發(fā))；干燥產(chǎn)品與空氣分離。噴霧干燥具有如下幾方面的特點：(1)干燥速度快，時間短由于料液被霧化成幾十μm大小的液滴，所以液體的比表面積很大．例如，若平均直徑以50μm計，則每升牛奶可分散成146億個微小霧滴，其總表面積達5400m2，有這樣大的表面積與高溫熱介質接觸，故所進行的熱交換和質交換非常迅速。一般只需幾秒到幾十秒鐘就干燥完畢，具有瞬間干燥的特點。第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥

(2)干燥溫度較低雖然采用較高溫度的干燥介質．但液滴有大量水分存在時，它的干燥溫度一般不超過熱空氣的濕球溫度（對奶粉干燥，約為50～60℃），干燥產(chǎn)品質量較好。例如不容易發(fā)生蛋白質變性、維生素損失、氧化等缺陷。(3)制品有良好的分散性和溶解性根據(jù)工藝要求選用適當?shù)撵F化器，可使產(chǎn)品制成粉末或空氣球．因此，制品的疏松性、分散性好，不粉碎也能在水中迅速溶解。(4)產(chǎn)品純度高由于干燥是在密閉的容器中進行的．雜質不會混入產(chǎn)品中，而且還改善了勞動條件。第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥(5)生產(chǎn)過程簡單、操作控制方便即使含水量達90%的料液．不經(jīng)濃縮同樣也能一次獲得均勻的干燥產(chǎn)品．大部分產(chǎn)品干燥后不需粉碎和篩選，簡化了生產(chǎn)工藝流程。而且，對于產(chǎn)品粒度和含水量等質量指標，可通過改變操作條件進行調整，且控制管理都很方便。(6)適宜于連續(xù)化生產(chǎn)：干燥后的產(chǎn)品經(jīng)連續(xù)排料，在后處理上結合冷卻器和氣流輸送，組成連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)線，有利于實現(xiàn)自動化大規(guī)模生產(chǎn)。第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥噴霧干燥的主要缺點有：（1）單位產(chǎn)品的耗熱量大，設備的熱效率低。在進風溫度不高時，一般熱效率約為30%～40%。每蒸發(fā)lkg水分約需2kg～3kg蒸汽，且介質消耗量大。（2）容積干燥強度小。它的容積傳熱膜系數(shù)約為（25～l00）W/m3K，所以干燥器的體積龐大，基建費用大。（3）廢氣中回收微粒的分離裝置要求較高。在生產(chǎn)粒徑小的產(chǎn)品時，廢氣中約夾帶有20％左右的微粒，需選用高效的分離裝置，結構比較復雜，費用較貴。而對于有毒氣、臭氣物料，則必須采用封閉循環(huán)系統(tǒng)的生產(chǎn)流程，將毒氣、臭氣焚燒，以防止大氣污染，改善生產(chǎn)環(huán)境。第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥

3.冷凍干燥

冷凍干燥是將被干燥物料冷凍成固體，在低溫減壓條件下利用冰的升華性能，使物料低溫脫水而達到干燥目的的一種方法，所以又稱升華干燥。冷凍干燥的原理可以由水的相圖來說明，如圖10-6所示。圖10-6水的三相點圖第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥圖中OA線是固液平衡曲線；OC是液氣平衡曲線(表示水在不同溫度下的蒸汽壓曲線)；OB是固氣平衡曲線(即冰的升華曲線)；O為三相點。由圖10.6可知，凡是三相點O以上的壓力和溫度下，物質可由固相變?yōu)橐合?，最后變?yōu)闅庀?；在三相點O以下的壓力和溫度下，物質可由固相不經(jīng)過液相直接變成氣相，氣相遇冷后仍變?yōu)楣滔啵@個過程即為升華。例如冰的蒸汽壓在－40℃時為13.33Pa，在－60℃時為1.33Pa，若將－40℃冰面上的壓力降低至1.33Pa，則固態(tài)的冰直接變?yōu)樗羝?，并在?0℃的冷卻面上復變?yōu)楸?。同理，如果將?0℃的冰在13.33Pa時加熱至－20℃，也能發(fā)生升華現(xiàn)象。

第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥制品的冷凍干燥過程包括凍結、升華和再干燥三個階段。（1）凍結先將欲凍干物料用適宜冷卻設備冷卻至2℃左右，然后置于冷至約－40℃(13.33Pa)凍干箱內。關閉干燥箱，迅速通入制冷劑(氟利昂、氨)，使物料冷凍，并保持2～3小時或更長時間，以克服溶液的過冷現(xiàn)象，使制品完全凍結，即可進行升華。（2）升華制品的升華是在高度真空下進行的，凍結結束后即可開動機械真空泵，并利用真空閥的控制，緩慢降低干燥箱中的壓力，在壓力降低的過程中，必須保持箱內物品的冰冷狀態(tài)，以防溢出容器。第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥待箱內壓力降至一定程度后，再打開羅茨真空泵(或真空擴散泵)，壓力降至1.33Pa，－60℃以下時，冰即開始升華，升華的水蒸汽，在冷凝器內結成冰晶。為保證冰的升華，應開啟加熱系統(tǒng)，將擱板加熱，不斷供給冰升華所需的熱量，熱量的供給需給于控制在一定的范圍之內。過多的熱量會使凍結產(chǎn)品本身的溫度上升，使產(chǎn)品可能出現(xiàn)局部熔化甚至全部熔化，引起產(chǎn)品的干縮起泡現(xiàn)象，整個干燥就會失敗。第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥（3）再干燥在升華階段內，冰大量升華，此時制品的溫度不宜超過最低共熔點，以防產(chǎn)品中產(chǎn)生僵塊或產(chǎn)品外觀上的缺損，在此階段內擱板溫度通?？刂圃凇?0℃之間。制品的再干燥階段所除去的水分為結合水分，此時固體表面的水蒸汽壓呈不同程度的降低，干燥速度明顯下降。在保證產(chǎn)品質量的前提下，在此階段內應適當提高擱板溫度，以利于水分的蒸發(fā)，一般是將擱板加熱至30-35℃，實際操作應按制品的凍干曲線(事先經(jīng)多次試驗繪制的溫度、時間、真空度曲線)進行，直至制品溫度與擱板溫度重合達到干燥為止。

第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥冷凍干燥有如下特點：①因物料處于冷凍狀態(tài)下干燥，水分以冰的狀態(tài)直接升華成水蒸汽，故物料的物理結構和分子結構變化極小；②由于物料在低溫真空條件下進行干燥操作，故對熱敏感的物料，也能在不喪失其活力或生物試樣原來性質的條件下長期保存，故干燥產(chǎn)品十分穩(wěn)定；③因為干燥后的物料在被除去水分后，其原組織的多孔性能不變，所以冷凍制品復水后易于恢復原來的性質和形狀；④干燥后物料的殘存水分很低，如果防濕包裝效果優(yōu)良，產(chǎn)品可在常溫條件下長期貯存；⑤因物料處于冷凍的狀態(tài)，升華所需的熱量可采用常溫或溫度稍高的液體或氣體為加熱劑，所以熱量利用經(jīng)濟。干燥設備往往無需絕熱，甚至希望以導熱性較好的材料制成，以利用外界的熱量。第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥三、干燥過程應用實例由于生物技術產(chǎn)品多是熱敏性物料，某些產(chǎn)品還具有生物活性，因此，在干燥過程中控制干燥溫度和干燥時間特別重要。物料停留時間短、溫度較低的干燥技術在生物制品的干燥中特別適用。而對于某些特殊的生物制品，只有采用冷凍干燥才能保證制品的品質，如某些酶制劑等。1．人參的冷凍干燥法研究人參在加工過程中經(jīng)過長時間的日曬、水蒸汽蒸、高溫干燥等受到影響而大大降低其有效成分含量，并影響其外觀色澤以及成品率等。為了改變這種情況，提高人參的加工質量，王貴華研究了用真空冷凍干燥法加工人參的方法，為商品人參提供了一個新的加工工藝。第四十五頁，共五十頁，2022年，8月28日第二節(jié)干燥

（1）材料、設備、儀器試驗用人參均采用黑龍江省6年生鮮園