第十一章生物工程设备课件.ppt

第十章干燥过程与设备,第一节气流干燥第二节喷雾干燥第三节沸腾干燥与沸腾造粒干燥第四节真空干燥和真空冷冻干燥,概论,利用热能除去固体物料中湿份的单元操作产品生产最后工序常用方法：对流干燥、冷冻干燥、真空干燥、微波干燥等主要内容：干燥设备和计算,分类方式,热能传递给湿物料的方式：直接干燥、间接干燥、介电加热干燥操作方式：连续操作和间歇操作,1.直接干燥,热空气与物料直接接触，物料干燥所需的热量主要依靠物料与热空气的对流传热。包括：表面干燥、气流干燥、喷雾干燥、振动干燥及沸腾造粒干燥热空气温度较高，干燥速度大，设备投资少，但热效率低应用最广泛,2间接干燥,物料干燥所需要的热量通过金属等材料直接传递干燥速度慢，设备造价高，但热效率高间接干燥设备有：真空干燥、冷冻干燥、辐射干燥,3介电加热干燥,高频高燥和微波干燥等,间歇操作,小批量生产，处理量少或多品种生产；与干燥衔接的前后工段生产不连续；物料的供给、成品的排出和物料在干燥器内连续输送有困难；干燥时间极长的物料设备简单，操作中故障少，投资和操作费用少；其缺点是物料受热时间长，不适用热敏物料；劳动强度大；自动控制比较麻烦,连续操作,热效率比间歇干燥高，容易实现自动化，操作人员少大量处理及热敏性物质的干燥,我国干燥设备现状,数百家干燥设备制造企业，干燥设备行业协会基本上已经满足国内市场的需求，某些型号的设备还出口到国外接近或达到90年代国际水平仍有差距,第一节气流干燥,一、气流干燥流程与设备二、气流干燥器的型式三、气流干燥的特点和适用范围四、气流干燥的计算,一、气流干燥流程与设备,概念：把含有水的块状或粉粒状物料，通过适当的方法使它们分散到热空气中，在与热气流并流输送的同时进行干燥而获得粉状干燥制品的过程。流程：湿物料加料斗加料器气流干燥管分离器固体产品锁气管出口9卸出，风机排走废气经,二、气流干燥器的型式,（一）按照加料方式分类直接加料型带分散机型带粉碎机型,（二）按干燥管形状分类直管式适用于比较容易干燥的物变径管式将颗粒等速运动段的直径扩大，使物料与气流的相对速度加大，有利于颗粒表面气膜更新,三、气流干燥的特点,可获得高度干燥的成品适用于热敏性物料的干燥热效率高热损失少设备简单，操作容易，投资少操作稳定，便于自动化。整个过程都是连续的，便于与前后工序衔接可以有很大的装置规模。,四、气流干燥的计算,（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：微粒平均直径，m，可用筛子分级，根据筛孔平均直径计算；微粒的平均密度，kg/m3；空气在干燥管内平均温度时的密度，kg/m3；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11-5所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。,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/（m2h）。,（2）微粒总表面积的计算设微粒为规则的球形，表面积为：式中每小时进入干燥管的微粒个数式中干燥器的生产能力，kg/h所以，m2/h,（3）干燥时间的计算物料与空气之间的平均温差为：，进入和离开干燥器的热空气的温度，；干燥时的微粒的温度，即湿球温度。空气传给物料的热量可用下列公式计算：空气加热器的热损失，kJ/h，；干燥器的热损失，kJ/h；当初始空气湿含量为，离开干燥器的温度为时的热焓量。初始空气的热焓量，kJ/h；通过物料平衡计算得到的空气量，kg干空气/h。干燥过程所需要的时间：,（4）干燥管的长度与直径干燥管长度，m；空气在干燥管内流速，根据物料性质选用，一般为1020m/s；颗粒悬浮速度，m/s；式中D干燥管的直径，m。,第二节喷雾干燥,喷雾干燥：利用喷雾器将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状，形成具有较大表面积的分散微粒同热空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分，在短时间内获得干燥。压力喷雾法（又称机械喷雾法）：利用往复运动的高压泵气流喷雾法：依靠的压缩空气通过喷嘴时产生的高速度，将液体吸出并雾化离心喷雾干燥法：利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予溶液离心力，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,气流喷雾干燥设备,气流喷雾干燥流程、特点组成：喷雾干燥塔、喷嘴外，还有空气加热器、压缩空气系统和空气过滤器等流程：压缩空气从切线方向进入喷雾器外面的套管，形成空气涡流，并在喷嘴处形成低压区，吸引液体混合并使之微粒化。热风从干燥塔的上部经空气分配盘进入，与喷雾后的液体微粒相遇，使之干燥，干燥后的物料由塔底部排出，废气沿回风管导入袋滤器或旋风分离器，收集随废气带走的粉末状产品，然后经排风机排入大气中。特点：结构简单，操作方便和可靠，获得的产品质量好,气流喷雾干燥塔的构造构成：干燥室、气流喷雾器、分配盘、螺旋排风管、回风管、袋滤器。各部件的功能：气流喷雾器：使料液雾化分配盘：使空气形成旋流与雾滴接触，提高干燥效果螺旋排风管：使气固两相分离回风管：尾气排放袋滤器：尾气过滤,（一）物料中水分的性质,物料含水性质：游离水和结合水游离水：细胞外或毛细管中，结合力弱，可以流动，容易除去结合水：渗透水、结构水分，结合力强，难以流动，难除去,（二）干燥机理,传热传质同时进行，空气为载热体和载湿体传质速率：内部向表面的扩散（湿度差）；汽化并被带走（表面气膜内与气流主体中水分蒸汽分压差）汽化控制（表面汽化速率小于内部扩散速率）和内部扩散控制（内部扩散速率小于表面汽化速率），可通过改善内、外部传递因素而强化,（三）恒速干燥和降速干燥,1.干燥速度（v）2.恒速干燥阶段3.降速干燥阶段,1.干燥速度（v）,v干燥速度；m1汽化水分量m2湿物料量；A干燥面积湿物料的湿含量（干基）t干燥时间,2.恒速干燥,湿物料表面温度等于空气湿球温度，温差不变，传热速率恒定，传质速率恒定；速度取决于表面汽化速率（外部干燥条件），表面汽化控制阶段游离水分为主,3.降速干燥阶段,低于临界点，升温下进行干燥速度取决于物料本身性质和干燥温度内部扩散控制阶段结合水为主,二、生物工业产品干燥的特点,热敏性物质快速高效，温度适宜，干燥时间要短，不应混入杂质干燥失活或变质：干燥温度、维持时间、活化能有关酶和蛋白质等的失活动力学：,失活方程,p,p0起始时刻及t时产物的活性E产物失活时的活化能Z频率因子Tt时刻的温度R常数,三、干燥设备的选型原则,处理物料的理化性质、生物化学性能及其生产工艺，热敏性而言的类型：瞬时快速干燥设备、低温干燥设备及其他原则：产品质量要求（活性）、产品纯度（无菌、密闭、灭菌设施）、物料的特性、产量及劳动条件干燥设备类型见表2-5-1，教材299面,第二节非绝热干燥设备,一、常压干燥设备麦芽干燥塔二、真空干燥设备,一、常压干燥设备麦芽干燥塔,（一）单层高效麦芽干燥塔结构与操作优点：生产能力大，机械化操作，自动控制；技术经济和热力指标良好；结构简单，造价低,（二）设计计算,1.生产能力：2.空气耗量（含水量大于10%）水分蒸发速率：3.热量计算：干燥初期热量消耗,3.热量与压力损失计算,3.干燥初期热量消耗Q1空气在加热器内吸收的热量Q2空气在第一小时内带走的热量Q3干燥塔热损失4.压力损失计算：厚0.3-1.5米，气流速度为0.3-15米/秒时,二、真空干燥设备,真空下，接触式干燥过程，热敏性、易氧化物料；设备：密闭干燥室、冷凝器和真空泵组成真空箱式干燥器：干燥室，中空盘架带式真空干燥器：液状浆状，耙式真空干燥器机械真空泵和蒸汽喷射泵,SZG系列双锥干燥机,SZG系列双锥干燥机示意图,YZJ真空干燥机,圆通真空干燥机,一、气流干燥原理及设备,（一）气流干燥原理热气流将物料在流态下干燥潮湿分散状态颗粒湿物料，悬浮在热气流中，特点：干燥强度大；干燥时间短；适用性广；结构简单等。,（二）气流干燥设备,长管式气流干燥器：空气过滤器、空气加热器、干燥管旋风式气流干燥器计算：,PG正负两级气流干燥机,流程示意图,QG系列气流干燥机,计算,1.颗粒悬浮速度：基尔比切夫准数与雷诺准数的关系（图2-5-10）：悬浮速度：,空气与物料对流传热系数,Nu可以按Re与Nu（努塞尔特准数）关系查出，图2-5-11，教材310为空气在干燥管内平均温度下的导热系数,（2）物料的总表面积和（3）干燥时间,（2）物料的总表面积；（3）干燥时间：,（4）干燥管长度和直径,长度：直径：,二、喷雾干燥原理及设备,（一）原理和特点喷雾器将原料喷成雾状，与热空气发生热量和质量传递的干燥过程特点：干燥速度快、干燥温度较低、产品分散性和溶解性良好流程见图2-5-12，313面,（二）喷雾干燥设备,关键：喷雾器；压力式喷雾器（压力喷雾干燥塔）气流式喷雾器（气流喷雾干燥塔）离心式喷雾器（离心喷雾干燥塔）,高速离心喷雾干燥机,压力喷雾式干燥机,1.气流式喷雾器（气流喷雾干燥塔）,结构见2-5-13以高速气流通过喷嘴（孔径1-4mm）时将料液吸入、雾化，内部混合式和外部混合式,2.离心喷雾干燥塔,酶制剂；高速旋转圆盘产生离心力将料液甩出，与空气摩擦等作用而成细雾状被干燥的过程热风盘和离心喷雾机,计算,1.喷雾干燥室直径：A.根据喷距半径：或,B.根据干燥强度,（三）附属设备,1.空气加热器：传热面积2.粉尘分离器：扩散式旋风分离器,三、流化床干燥原理及设备,（一）流化床干燥原理及特点原理：利用热空气使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程（空气流速与物料自由沉降速度相等）特点：传质速率大；干燥温度均匀，易控制；利于连续化、自动化操作，能耗小等。适用颗粒直径：30微米-6毫米,（二）设备,单层（单室和多室）和多层流化床干燥器、沸腾造粒干燥器干燥流程,1.单层卧式多室流化床干燥器,2.沸腾造粒干燥器,倒圆锥形，锥角30度造粒过程：料液水分完全蒸发，本身形成颗粒；附着在晶核后水分蒸发，种子表面形成薄膜；种子之间的碰撞粘连；影响因素：停留时间、摩擦作用、干燥温度,沸腾制粒干燥机,3.计算,（1）临界流化速度方法2,（2）操作流化速度,大于临界流化速度而小于带出速度,（3）流化床几何尺寸,Hs0.05-0.30米f0.55-0.75,已知流化速度时,设计时，H=2Hf扩大段高度和直径：以最小粉尘不被带出的速度计算干燥室直径：,（4）物料停留时间,第四节冷冻干燥及其他设备,一、冷冻干燥原理及设备二、微波干燥原理及设备,一、冷冻干燥原理及设备,（一）冷冻干燥原理及特点原理：升华干燥，将物料低温冷冻成固态，高度真空下，将固态水分直接升华为气态的过程水的三相点的压力为610.5Pa，温度为0.0098。三相点以下的水只有固态和气态，相变只在这两相间发生,固态的水可通过吸收外部提供的热能，无需经过液态直接升华为水蒸汽从物料中逸出，实现脱水。因此，真空冷冻干燥又被称为升华干燥。从理论上说，真空冷冻干燥的操作区域只需在水的三相点以下即可,冷却干燥过程,特点,温度低，高度热敏性物料，有效物质损失少挥发性成分损失少；限制微生物生长和酶的作用，保持原物料外观形状；体积结构不变；,速溶性和快速复水性良好脱水彻底（95-99%以上），可以长期储存真空下进行，氧气极少，易氧化的物质得到了保护。成本高，周期长等缺点,（二）流程及设备,两个阶段：直接升华（温度低于溶点）；逐渐升温使水汽化除去。系统由冷冻装置、真空装置、水气去除装置和加热部分流程见图2-5-23，教材323面,冷冻部分,蒸汽压缩式制冷、蒸汽喷射式制冷和吸收式制冷蒸汽压缩式制冷：压缩、冷凝、膨胀、蒸发制冷剂：氟里昂