干燥及其设备分析

1、第四章第四章 干燥及其设备干燥及其设备 降低或除去物料中的水分称为干燥。它是农产品加工过程中降低或除去物料中的水分称为干燥。它是农产品加工过程中非常重要的单元操作，它能保持和改善农产品的品质，有利于非常重要的单元操作，它能保持和改善农产品的品质，有利于贮藏和加工，并提高某些农产品的附加值。贮藏和加工，并提高某些农产品的附加值。4.1 4.1 干燥原理和方法干燥原理和方法一、物料的水分一、物料的水分1）物料水分的表示方法）物料水分的表示方法湿基水分湿基水分（M）：以物料的质量为基准，用物料中水分质）：以物料的质量为基准，用物料中水分质量对物料质量之比的百分数来表示。量对物料质量之比的百分数来表示

2、。干基水分干基水分（Md）：以物料中干物质的质量为基准，用物）：以物料中干物质的质量为基准，用物料中水分质量对物料中干质量之比的百分数来表示。料中水分质量对物料中干质量之比的百分数来表示。M = mw/(mw + md) x 100%, Md = mw/md x 100%Md = M/(1-M) 式中式中mw和和md分别为物料中水分和干物质的质量。分别为物料中水分和干物质的质量。2）水分活度）水分活度把湿物料表面附近的水蒸气压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，之比定义为湿物料的水分活度，aw = P/Pst。相对湿度的定义为

3、相对湿度的定义为 = Pw/Pst若若aw ， 则则P Pw，水分将从物料向湿空气中传递，此，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。乃物料的干燥过程，即解湿、含水量减少。若若aw ， 则则P Pw，水分将从湿空气向物料中传递，此，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。乃物料的吸湿，含水量增加。若若aw = ， 则则P = Pw，水分交换达到平衡状态，物料的含，水分交换达到平衡状态，物料的含水量不再发生变化。水量不再发生变化。此时，相对物料来说，此时，相对物料来说， 称为称为平衡相对湿度平衡相对湿度；相对空气来说，；相对空气来说，物料的含水量称为物

4、料的含水量称为平衡含水量平衡含水量。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。达到的极限。水分活度大小取决于：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。水与非水部分结合的强度。没有水微生物不能生存没有水微生物不能生存 水分活度低，微生物生长率低，水分活度低，微生物生长率低， aw 低于低于0.60.6时时微生物不能生长。微生物不能生长。

5、酶需要水分才能有活性酶需要水分才能有活性 水分减少，酶的活性降低，水分降到水分减少，酶的活性降低，水分降到1%1%以下，以下， aw 0.30.3，酶的活性完全消失。，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，（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同时能维持一定的质构不变及控制生化反应及其它反应。应。3）物料水分的测定）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，既要保证样品的代表性，又要保证从取样到测

6、定过程中，样品中水分不变。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。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，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。水分测定仪。4）平衡水分曲线与干燥曲线）平衡水分曲线与干燥曲线 在一定温度下，得到的平衡在一定温度下，得到的平衡水分与周围介质平衡相对湿度的水分与周围介质平衡相对湿度的关系曲线，称为关系曲线，称为平衡水分曲线平衡水分曲线。通常把物料的含水量、表面温度与干燥时间的关系曲线称通常把物料的含水量、表面温度与干燥时间

7、的关系曲线称为为干燥曲线干燥曲线。 dM(t)/dt = -k M(t) Mde M(t) = M0 Mdee-kt + Mde式中式中dM(t)/dt为物料的降水速率，为物料的降水速率，Mde为物料的平衡水分为物料的平衡水分（干基），（干基），k为干燥常数，为干燥常数，M0为初始干基水分。为初始干基水分。恒速干燥恒速干燥 物料含水量随时间成直线下降的关系，即降水物料含水量随时间成直线下降的关系，即降水 速率为常数。速率为常数。降速干燥降速干燥 随物料中含水量的下降，干燥速率也不断下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，这个过程称为降速降，直至达到平衡水分，这个过程称为

8、降速 干燥。干燥。二、干燥方法二、干燥方法1）对流干燥）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。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。将热量传递给物料，并促使物料组织中的

9、水分向外转移。既有热的传递，又有物质（水分）的迁移。既有热的传递，又有物质（水分）的迁移。2 2）传导干燥）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。法干燥慢，而且不均匀，温湿度不易控制。4）冷冻干燥）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，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（然后在极低的压力下（1- 10N/m3) ，使之直接升华转为气相，

10、使之直接升华转为气相达到干燥的目的。此法能耗较高。达到干燥的目的。此法能耗较高。5）真空干燥）真空干燥 通过降低气压，促使物料中的水分向外迁移。通过降低气压，促使物料中的水分向外迁移。 3）辐射干燥）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。况不同而不同。三、干燥机理三、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

11、也可度梯度，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。高温向低温进行。 W = W m + Wt 对于热风干燥和一般的辐射干燥，物料内部的温度梯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；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，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。内高外低。 物料的干燥过程，一般是水分由内部扩散到表面，然后物料的干燥过程，一般是水分由内部扩

12、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。在表面汽化。水分的内部扩散和表面汽化是同时进行的。 1）表面汽化控制）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。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，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

13、的接触和流动情况，均有助于提高相对湿度，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。干燥速率。2）内部扩散控制）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。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，使深层料温高时暴露于表面；

14、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。于表面料温等措施。四、影响湿热迁移的重要因素四、影响湿热迁移的重要因素1）物料表面积）物料表面积 物料表面积越大，干燥效果越好。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。料与吸湿介质的接触面积。 方法：分割成薄片或小片。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。外移的距离。 2）温度）温度 传热介质和物料间温差越大，热量向物料传递传热介质和物料间温差越大，热量向

15、物料传递的速度也越大，水分外逸的速度越大。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。加快，使内部干燥加速。3）空气流速）空气流速 若以空气作为加热介质，温度并非主要因素，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

16、排除掉，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，加速和湿气带走。物料表面接触空气的量增多，加速水分的蒸发。水分的蒸发。4）空气的干燥程度或空气湿度）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关，空气越湿，吸湿越少。空气湿度决

17、定物料的干燥程度，因为空气将与物料间达到湿度平衡。干燥程度，因为空气将与物料间达到湿度平衡。5）大气压力和真空度）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。使产品具有疏松的结构。 6）蒸发和温度）蒸发和温度 水分从物料表面蒸发时，其表面会冷却，温度下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，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。湿球温度下降越大。7）时间和温度

18、）时间和温度 延长时间和提高温度均可加速物料的干燥。高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。时间对保证品质极为重要。五、合理选用干燥工艺条件五、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。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、热能和电最适宜的干燥工艺条

19、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。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，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。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。超过内部的水分扩散速率的原则下，尽可能提高空气温度。

20、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。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。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。4.2 干燥工艺和设备干燥工艺和设备一、对流干燥一、对流干燥1）物料固定床式）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。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）物料移动床式 物料一面与干燥介质接触，一面靠重力或机

21、械方法自上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。和并流式三种。4）喷雾干燥）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，一般料。该法的特征是干燥时间短，一般1 20秒以及相对低的

22、秒以及相对低的干燥温度。干燥温度。3）物料流化床式）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。单层圆筒型、多层圆筒型、卧式多室型、振动型等。二、干燥机械二、干燥机械滚筒干燥机滚筒干燥机振动流化床干燥振动流化床干燥- -冷却机冷却机由悬挂在两侧的振动电机产生激振力，使物料沿孔

23、板跳跃前进，气流从孔板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。（冷风或热风）实现干燥、冷却操作。4.2 干燥的衡算干燥的衡算一、物料的衡算一、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室的物料质量流为m1，离开烘干室的质量流为，离开烘干室的质量流为m2，其湿，其湿基水分由基水分由M1降到降到M2，但物料中干物质的质量流，但物料中干物质的质量流md是恒定的。是恒定的。 md = m1(100%