生物工程设备——09干燥设备

生命科学与工程学院,陕西科技大学,生物工程设备,生命科学与工程学院,第九章,干燥设备,生命科学与工程学院,主要内容,固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点非绝热干燥设备绝热干燥设备冷冻干燥,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,干燥是将湿物料的湿分（水分或其他溶剂）除去的加工过程，往往是整个生物加工过程中在包装之前的最后一道工序。干燥目的：(1)减少体积，便于贮藏和运输(2)降低水分，避免失活,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,根据传热方式，干燥分为：热传导干燥：真空干燥冷冻干燥辐射干燥：红外干燥对流干燥空气为热源,电加热,汽加热,固定床干燥,气流干燥,沸腾干燥,喷雾干燥,苹果,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,固定床干燥：物料不动，空气流动热传导缺点：物料表面有一层气体膜，热量需要穿透厚，才能接触物料；蒸汽也需要穿透气膜才能蒸发，如麦芽干燥，需16h气流干燥：高速热气流将颗粒悬浮于气流中，一边与热气流并流输送，一边进行干燥。如青霉素，味精等缺点：空气流速需克服物料重力，才能使物料流动，气体需要量大,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,沸腾干燥：物料膨胀处于漂浮状态，其表面气膜被破坏。缺点：水分蒸发，物料膨胀，空隙越来越大，中间易沸腾，两边阻力大，造成干燥不均匀喷雾干燥：利用不同的喷雾器，将需干燥的物料喷成雾状，形成具有较大的表面积的分散微粒，同热空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分，在几秒至几十秒内获得干燥。,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,沸腾干燥：物料膨胀处于漂浮状态，其表面气膜被破坏。缺点：水分蒸发，物料膨胀，空隙越来越大，中间易沸腾，两边阻力大，造成干燥不均匀喷雾干燥：利用不同的喷雾器，将需干燥的物料喷成雾状，形成具有较大的表面积的分散微粒，同热空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分，在几秒至几十秒内获得干燥。,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,喷雾干燥：利用不同的喷雾器，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，在几秒至几十秒内获得干燥。成品以粉末状态沉降于干燥室底部，连续或间断从卸料器排出。,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,喷雾干燥优点：直接干燥溶液状态的物料，特别是粘稠液；可控制成品含湿量；可以得到空心球状产品；时间短，在常压下能干燥热敏物质；规模效益，规模越大成本越低效益越高。缺点：堆积比重小，体积庞大，占地大；粒度小，收集贮存要求高；热容量大，设备庞大，占地大；雾化时对物料的浓度、粘度一定要求。,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,喷雾干燥器,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,一、固体物料的干燥机理1.物料中水分的性质游离水结合水哪一种容易干燥呢？平衡水分：达到平衡时物料或空气中的水分。,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,一、固体物料的干燥机理2.干燥机理热量由气体传递给湿物料，温度升高，物料内部的水分向表面扩散，汽化被气流带走，空气既是载热体，又是载湿体，干燥速率与传质速率和传热速率有关。若表面汽化速率内部扩散速率则干燥受表面汽化速率控制若表面汽化速率内部扩散速率则干燥受内部扩散速率控制,干燥前期,干燥后期,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,一、固体物料的干燥机理2.干燥机理干燥前期，受表面汽化控制，这与空气流速和空气的含水量有关，因此可：增加空气流量大气流干燥降低空气湿度干燥后期，受内部扩散控制高温小气流干燥,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,一、固体物料的干燥机理3.干燥速率定义：单位时间内于单位干燥面积上所能汽化的水分量数学式：,干燥速度，kg/(m2s)；m汽化水分量，kg；m1湿物料量，kg；mc湿物料中的绝干物料是量，kg；A干燥面积，m2；c湿物料的湿含量（干基）；kg/kg干料；干燥时间，s,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,一、固体物料的干燥机理3.干燥速率AB预热BC恒速CN降速,N,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,一、固体物料的干燥机理3.干燥速率(1)恒速干燥阶段（BC）恒温干燥：物料表面温度为空气的湿球温度Q=tw如活性奶粉喷雾干燥排出非结合水受表面汽化控制低温大气流干燥低湿度空气干燥,生命科学与工程学院,用普通的温度计测得湿空气温度为其真实温度。为了与下面讨论的湿球温度相区别，称为干球温度，用t表示。,湿球温度tW(wetbulbtemperature)如图，用水保持润湿的纱布包在温度计的汞感温部分，纱布下端浸在水中以保持润湿状态，此种温度计称为湿球温度计。若将湿球温度计置于一定温度和湿度的湿空气流中，达到平衡或稳定时的温度称为该空气的湿球温度。,空气,温度t,tW,湿度H,干球温度和湿球温度,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,一、固体物料的干燥机理3.干燥速率(2)降速干燥阶段（CN段）升温干燥排结合水受内部扩散控制高温小气流干燥,生命科学与工程学院,第一节固体物料干燥机理及生物工业产品干燥的特点,二、生物产品干燥的特点1.热敏性：如酶制剂易失活2卫生要求：防止微生物污染及其它杂物混入,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔麦芽干燥的目的绿麦芽42-45%1.5-3.5%以前：三层麦芽干燥塔现在：单层高效麦芽干燥塔,排水分,除根,除生腥味，产生香味,保持酶的活力,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔1.结构与操作结构翅片式加热器加热室空气循环系统,单层高效干燥塔装置,1塔体2刮板机3干燥室4支撑柱5空气混合室6排料口7烘床8热风进口9废气出口10排风口11进风口12冷却风进口13回风口14余热回收养15空气加热器16风机17风道18传动装置,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔1.结构与操作操作工艺参数：前期：恒速，42-4610%干燥温度55后期：降速，10%3-3.5%干燥温度约为85,单层高效干燥塔装置,1塔体2刮板机3干燥室4支撑柱5空气混合室6排料口7烘床8热风进口9废气出口10排风口11进风口12冷却风进口13回风口14余热回收养15空气加热器16风机17风道18传动装置,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔优点：产量高，麦层高质量好缺点：不能搅拌水分滞后，3-4h温度滞后,单层高效干燥塔装置,1塔体2刮板机3干燥室4支撑柱5空气混合室6排料口7烘床8热风进口9废气出口10排风口11进风口12冷却风进口13回风口14余热回收养15空气加热器16风机17风道18传动装置,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔2.设计计算生产能力,h绿麦芽厚度A面积，m2V1m3绿麦芽/t大麦=3.2m3/t大麦V2m3干麦芽/t大麦=1.42m3/t大麦堆密度=550kg/m3,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔2.设计计算空气耗量,L每小时所需的绝干空气量，kg/h；x0进入麦层的空气湿含量，kgH2O(kg干气)；xe离开麦层的空气湿含量，kgH20(kg干气)；W每小时蒸发的水分量，kgh。,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔2.设计计算空气耗量,S蒸发表面积，m2；k蒸发系数，kgH2O（hm2x）；xg空气离开麦层温度下的饱和湿含量，kgH2O(kg干气)；x空气在麦层中的湿含量，kgH2O(kg干气),仅适用于恒速干燥,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔2.设计计算空气耗量又含水量越高，S越大,仅适用于恒速干燥阶段（42-4610%）,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔2.设计计算热量消耗,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔2.设计计算热量消耗加热器面积：,翅片式加热器：K=165KJ/（m2h）,蒸汽消耗量,为蒸汽潜热,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,一、单层麦芽干燥塔2.设计计算压力降P,h麦芽层厚度，m；空气流速，m/s,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,二、真空干燥设备(一)原理真空干燥都是使物料处于真空状态下，使物料中所含水分由液态变成气态而除去。(二）适用范围热敏性产品易氧化产品,生命科学与工程学院,第二节非绝热干燥设备,二、真空干燥设备(三)类型真空箱式干燥器带式真空干燥器耙式真空干燥器,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备1气流干燥原理及流程利用高速的热气流将物料在流态下进行干燥的过程，热空气与粉状或颗粒状湿物料在流动过程中充分接触，气体与固体物料之间进行传热与传质，从而使湿物料达到干燥的目的。,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备2气流干燥原理及流程,加热器袋滤器,干燥管风机,空气过滤器旋风分离器卸料器,加料器,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备2气流干燥特点体积传热系数大(Ka)420013000kJ/m3h粒子在干燥器内的停留时间短，味精：57s结构简单，适用性强(粒径0.110mm、含水量10-40%)处理量大，高可达15t/h对粘性物料不适用设备结构简单、占地面积小。,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备3气流干燥设备(1)干燥管干燥直管：多级串联，总长符合要求即可脉冲管：可增加物料和空气的速度差旋风式气流干燥器：Pe308(2)空气加热器：螺旋翅片式、列管式(3)空气过滤器：丝网（浸油）(4)加料器：螺旋加料器，文丘里加料器,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备4空气干燥设备的计算（半经验半理论）管长l干燥管直径D干燥时间,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备4空气干燥设备的计算计算方法计算颗粒悬浮速度(自由沉降速度)确定对流传热系数确定传热面积确定干燥时间确定干燥管的长度和直径,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备4空气干燥设备的计算计算颗粒悬浮速度,Ki基尔比切夫数ds物料平均直径，ms物料密度，kg/m3空气在干燥管内平均温度下的密度，kg/m3,空气在干燥管内平均温度下的运动黏度，m2/s=/空气在干燥管内平均温度下的黏度，Pas,得到Re浮,u0=Re浮/ds,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备4空气干燥设备的计算确定对流传热系数,Nu,根据左边的Re浮-Nu图,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备4空气干燥设备的计算确定总传热面积FF=nds2,n每小时进入干燥管的颗粒数F物料的总表面积，m2/hG干燥器的生产能力，kg/h,则：,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备4空气干燥设备的计算,干燥时间,生命科学与工程学院,第三节绝热干燥设备,一气流干燥设备(例题P342,P349)4空气干燥设备的计算干燥管的长度l及直径D,生命科学与工程学院,第四节冷冻干燥,一原理及特点1.原理被干燥物先降温冻结成固体，然后在真空的条件下，适当加热使水蒸汽直接升华出来，而物质本身留在冻结时的冰架中。其操作区域在水的三相点以下。,生命科学与工程学院,第四节冷冻干燥,一原理及特点2.特点优点(1)低温，适于热敏性物质；(2)挥发性成分损失很小；(3)微生物的生长和酶的作用无法进行；(4)体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。(5)疏松多孔，呈海绵状，复水性好。(6)高度真空下操作，适于易氧化的物质；(7)产品能长期保存。缺点：(1)干燥速度慢，干燥时间长(2)附加值高(3)能耗大,生命科学与工程学院,第四节冷冻干燥,二设备冷冻干燥系统主要由四部分组成：(1)冷冻部分(2)真空部分(3)水汽去除部分(4)加热部分干燥室,生命科学与工程学院,作业,平均粒径为210m，密度为1800kg/m2的某生物制品在直管气流干燥管中干燥。已知物料初始含水量为25