李志刚微生物工程工艺与设备干燥工艺及其设备

第五章干燥设备第一节概述一、干燥在发酵产品中的应用二、干燥的种类1、按压力分：常压、真空2、按操作方式分：间歇、连续3、按干燥物料分：溶液、浆、膏、粒、块等4、按给热方式分：传热、对流、辐射、高频加热、冷冻升华等。5、按干燥介质分：空气、烟道气、过热蒸汽、惰性气体等。常用的干燥方法：喷雾干燥、热风干燥、流化床干燥、沸腾干燥、微波干燥、辐射干燥、冷冻干燥等。生物制品通常具有热敏性，故其干燥设备需有如下特点：必须快速高效，加热温度不宜过高产品与加热介质接触时间不宜过长；产品应保持一定纯度，避免混入其他杂质。生物制品干燥设备最后选择快速瞬时干燥设备或低温干燥设备瞬时快速干燥设备低温干燥设备气流干燥设备；沸腾干燥设备；滚筒干燥设备；喷雾干燥设备等真空干燥设备；冷冻干燥设备；干燥时间短，气流温度高，但被干燥物料温度不会太高真空低温，适合高热敏性物料，但干燥时间较长三、生物产品干燥特点生物工程常用的干燥设备流化床干燥(一)原理及特点1、干燥原理将颗粒物料堆放在分布板上，当气流由设备的下部通入床层时，随着气流速度加达到某种程度，固体颗粒在床层内就会产生沸腾状态，这种床层称为流化床，采用这种方式进行物料的干燥即称为流化床干燥。一般适用于30

m~6mm颗粒状物料。2、特点：介质和固体颗粒能够充分混合，强化了两相间的传热和传质；两相间的接触表面积大，热容量系数大；气流速度较低，颗粒的破碎与设备的磨损较小；缺点是操作控制系统比较复杂。(二)干燥流程

干燥设备1、流化床干燥机的分类

固定床气流速度较低时，在床层中固体颗粒虽与介质接触，但固体颗粒的相对位置不发生改变，这时固体颗粒的状态称为固定床。

流化床当固定床阶段的介质流速达到某一点时，固体颗粒就会产生相互间的位置移动床层的压力保持不变，固体颗粒在床层中产生不规则运动，这时的床层状态就处于流态化。(1)按结构形式分：单层流化床干燥机、多层流化床干燥机、卧式多室流化床干燥机、喷动床干燥机、振动床干燥机、脉冲床干燥机等(2)按操作情况分：连续式和间歇式流化床(3)型式单层流化床干燥机、多层流化床干燥机。单层流化床干燥机：用于较易干燥或要求不严格的湿粒状物料。多层流化床干燥机：立式多层流化床干燥机。热利用律高，有逆流干燥的特点卧式单层流化床操作时，湿物料由第一室开始逐步向下一室移动，已干燥的物料在最后一室经出料口排出。加料口不断加入被干燥物料，热空气通过金属网板不断送入热空气，每个通道均有阀门控制，送入的热空气通过网板上的小孔是固体颗粒悬浮，并激烈地形成均匀的混合状态，促进水分蒸发。

干燥器结构：干燥器外壳、筛板、通风道等

适用产品：在生物工业中，常用于柠檬酸晶体和活性干酵母等的干燥

特点：对各种物料的适应性较大，但热效率较低。2、振动流化床干燥干燥机筛选段绝热干燥设备一、气流干燥(一)气流干燥原理及特点1、基本原理它是把潮湿的颗粒状、块状物料送入热气流中，物料一边呈悬浮状态与气流并流输送，一边进行干燥。应用：适用于在潮湿状态下仍能在气体中自由流动的颗粒、粉状或片状物料的干燥如：谷物、葡萄糖、氨基酸以及其他的生物产品。2、特点：干燥强度大；干燥时间短；适应范围广；能够连续操作热能利用程度较低，一般热利用率仅为30％左右（二）干燥设备1、流程2、加热管(1)长管(2)脉冲管(3)倒锥式(4)套管式：可降低管长，提高热效率。3、其他附属设备粗滤器、加热器、分离器、加料器、除尘器等(三)干燥计算1、干燥时间2、干燥管长度3、管径结构简单、但占厂房高度高、需要气速高、磨损较强。传热传质效果好，管长缩短，磨损较强，动力消耗大，制造麻烦。缩短了管长，磨损小。１、热风炉2、锥管3、螺旋加料器4、旋风分离器

5、螺旋卸料器6、旋风除尘器7、引风机8、反吹布袋除尘器测压喷嘴热风进口加料口灯孔出料口测温口人孔窥镜灯孔沸腾造粒干燥沸腾造粒干燥(1)影响颗粒大小的因素

停留时间

摩擦作用

干燥温度

(2)适用物料：结晶料母液、浓度高的液态料干燥。(3)特点设备投资小、热风温度低，电能消耗小，空间和高度需求量小但因返料效率低，受热时间长，不宜于热敏性物料。二、喷雾干燥(一)喷雾干燥原理将物料雾化成分散的小液滴（微粒），悬浮于热空气中，在瞬间完成大部分水分的去除，使物料中的固体物质干燥成粉末。喷雾干燥系统的基本构成特点

速度快、时间短、卫生、负压可避免飞扬；

温度低、适于热敏性物料；

产品分散性、溶解性好；

但设备复杂、投资大、需要昂贵的回收设备、耗电耗热。空气需要量大。(二)、设备分类1、按微粒化方法分类压力喷雾利用高压泵，使料液以5-20MPa的压力从孔径为1.5-6mm的喷孔喷出，分散成50-100um的液滴发酵中应用少离心喷雾利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予料液以离心力,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可用于酶制剂、酵母。气流喷雾依靠压力为0.25～0.6Mpa的压缩空气高速通过喷嘴时，将料液吸入并被雾化。用于制药。(二)、设备分类2、按塔的形式分：立式、卧式3、按进风和被干燥颗粒的运动方向分：并流型、逆流型、混流型。喷雾干燥的附属设备加热器蒸汽加热器是由多块蒸汽散热排管组成，排管用铜管或钢管制成，管外套以增加传热效果的翅片，翅片与管子有良好的接触。粉尘分离装置回收夹带在尾气中的细干粉末产品提高产品出率同时降低排到大气中废气的粉尘量，减少对环境的污染。有布袋过滤器、旋风分离器、湿式除尘器，从废气中回收粉末，一般采用旋风分离器再经过袋滤器二级净制回收。布袋过滤器滤袋上端紧扎悬挂在横梁上，下端固定在板上。含尘气体由花板进入若干滤袋中，粉尘被截留在袋中，经净化的气体自然外逸。通过振荡装置抖下滤袋中粉尘，落入灰斗。

(四)干燥塔结构

1、塔体材料：内壁、保温层、外壁尺寸：离心式h1/d=0.5~1，h2=d压力式h1/d=4~5，h2=d

h1=8~30m

气流式h1/d=2.4~3

其他构件：压力表、人孔视镜、梯子、加强角钢等(1)、压力喷雾雾化器利用高压泵，使料液以5-20MPa的压力从孔径为1.5-6mm的喷孔喷出，分散成50-100um的液滴。液滴在干燥室内与热气流接触而获得干燥

雾化器压力雾化器的特点优点

①结构简单、制造成本低、维修、更换方便；②动力消耗较小．缺点：①喷嘴易堵塞、磨损；②操作弹性小，产量调节范围窄。(3)离心喷雾离心盘离心喷雾干燥原理：物料靠高速旋转的圆盘上的离心力使其高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，同时，物料又受到周围空气的摩擦、阻碍和撕裂作用，随圆盘旋转而产生的切向速度与离心力作用而产生的径向速度，最后以合速度在圆盘上运动，其运动轨迹为螺旋形，液体沿此螺旋线从圆盘上抛出，分散成微小的液滴，以平均速度沿圆盘切线方向运动，同时，液滴有受到重力作用而下降，由于喷出的微粒大小不同，所以他们飞行的距离也不同。因此，在不同的距离落下的微粒形成以转轴中心对称的圆柱体。喷盘利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予料液离心力，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进而干燥。目前，酶制剂多用此法干燥生物工业的主要喷盘形式为喷枪形、锥形和圆帽形等离心转盘转速可超过7000r/min离心盘机械式离心雾化器气动式离心雾化器混合式离心盘离心喷雾干燥流程优点：①液料通道大，不易堵塞；②对液料的适应性强。高粘度、高浓度的液料均可；③操作弹性大，进液量变化±25％时，对产品质量无大影响。缺点：①结构复杂、造价高；②动力消耗比压力式大；③只适于顺流立式喷雾干燥设备。

离心雾化器的特点中心管为料液通道，环隙为气体通道，当气、液两相在端面处接触时，由于气体从环隙喷出的速度高达200-340m/s。液体流出速度一般低于2m/s，因此在二流体之间存在着很大的相对速度，从而产生很大的摩擦力，使料液雾化。气流喷雾器可分为内混式和外混式两种基本形式3）气流雾化器双流：稳定可靠，不适合高黏度料。

三流：适合高黏度料。动力消耗大，适用粘度范围大，结构简单。空气分配盘气流喷雾是依靠压力为0.25-0.6MPa的压缩空气高速通过喷嘴时，将料液吸入并被雾化。喷嘴孔径为1-4mm，能够处理悬浮液和黏性较大的料液，如核苷酸、蛋白质的喷雾干燥D：H=1：2.4-3D：h=1；1.3-1.6螺旋排风管是在回风管下部外侧焊上螺旋形导风板，使气流沿螺旋导风板旋转向下其作用是使空气形成旋流与雾滴接触，提高干燥效率。由30个叶片均匀焊接于分配盘顶的周边，并与水平方向成30度角，风排出方向依旋风方向而定。热风分配器热风盘的作用是使进塔后的热风分配均避免造成塔内局部黏壁热风是由主风道、分流口、风向调节板进入。调节板向下倾斜角度是可调的。离心喷雾式热风分配器叶片式：用于气流喷雾蜗壳式：用于离心喷雾(五)、附属设备1、空气加热器燃油热风炉、蒸汽加热器2、空气过滤器5、其它：筛分装置、3、粉尘分离器冷却装置4、出料装置

塔底振荡出料

螺旋出料器

涡旋气封阀

旋风分离器(六)、喷雾干燥设备设计与计算1、喷雾干燥室设计（1）热风进风位置和热风分配室a、压力式：均风板形式、锥形气流调节装置b、离心喷雾干燥热风分配盘（2）干燥室尺寸及喷嘴位置的确定a、干燥室截面积的确定b、喷嘴位置的确定c、喷嘴个数的确定（3）干燥室结构2、过滤器、空气加热器、进风机和排风机的选择微波干燥微波一般是指波长在1mm～1m范围(频率为300～300000MHz)的电磁波。也称做超高频。微波的传统应用是将微波作为一种传递信息的媒介，应用于雷达、通讯、测量等方面。近年来，除了传统的微波应用继续发展外，微波作为一种能技术也迅速发展，将微波能广泛用于对物体进行加热和干燥。原理

被加热的介质由许多极性分子（偶极分子）组成。当介质处于直流电场作用之下时，偶极分子就重新进行排列。若电场迅速交替也改变方向，则偶极子亦随之作迅速的摆动。由于分子的热运动和相邻分子间的相互作用，偶极子随外电场方向改变而作的规则摆动便受到干扰和阻碍，即产生了类似摩擦的作用，使分子获得能量，并以热的形式表现出来，表现为介质温度的升高。

一般干燥

过程：被加热物首先外部受热干燥，然后向内部传递。而热量传递与水分扩散传递的方向相反。

结果：热量向内层传递愈来愈慢，水分向外层传递也愈来愈慢。

微波加热

过程：内部加热。物品的最内层首先干燥，最内层水分蒸发迁移至次内层、外层。

结果：水分由内层向外层的迁移速度很快，即干燥速度比一般的干燥速度快很多．特别是在物料的后续干燥阶段。

优点干燥速度快，干燥时间短；料层加热均匀，制品品质高；加热易于瞬时控制选择性吸收加热效率高：热效率可达到80％。微波干燥机1、组成和型式组成：直流电源、微波发生器、波导管、微波干燥器及冷却系统。冷却方式：风冷或水冷。型式：（1）微波炉（1）微波炉微波能在箱壁上的损失极少，没有被物料吸收掉的能量，透过料层达到壁面以后，仍被反射回去，使微波能全部用于物料的干燥。（2）行波场波导干燥器（3）辐射型微波干燥器（4）慢波型微波干燥器特点：在短时间内能施加大的微波功率，因此适合干燥表面积较大、热容量较小的薄片物料，因为这类材料本身不易加热，且散热又快，故必须在短时间内施加很大的微波功率，以提高干燥效率。二、冷冻干燥设备1、概述2、干燥原理：

物料首先冻结，然后在水的三相点温度和压力以下，使产品中的水分直接由固态（冰）转变成气态（水蒸气）即升华，从而是产品中的水分去除的干燥方法。冷冻干燥是将湿物料（或溶液）在较低温度下（-10~-50℃）冻结成固态，然后在高度真空（130～0.1Pa）下，将其中固态水分直接升华为气态而除去的干燥过程。冷冻干燥方法：连续式、间歇式。3、冷冻干燥特点：（1）能够最大限度地保存产品的成分；（2）由于水分就地析出，使产品保持原有的固体骨架；（3）重量轻，脱水彻底(一般低于2%～5%)；复水性好；（4）真空下操作，易氧化物质得到保护。（5）但时间长，能耗大。冷冻干燥设备系统组成冷冻干燥设备结构：冷冻系统、水气去除装置、加热系统，真空系统。按结构分：干燥室、蒸汽冷凝器（冷阱）、冷冻机、真空泵、控制元件、仪表预冷冻和干燥均在一个箱内完成待干燥的物料放入干燥室1内，开动预冷用冷冻机10对物料进行冷冻随之开启冷凝器2和真空装置5、6、7，实现升华干燥操作加热器8以作冷凝器内化霜之用第一阶段升华干燥结束后，开启油加热循环泵1l对干燥室加热升温，使之汽化排除剩余的水分。

冷冻系统冷冻干燥中，冷冻及水气的冷凝都离不开冷冻过程。常用的制冷方式有蒸汽压缩式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸收式制冷3种方式其中最常用的是蒸汽压缩式制冷蒸汽压缩式制冷实质上是一种逆向卡诺循环,整个过程分为压缩、冷凝、膨胀和蒸发4个阶段。压缩:冷冻剂气体被压缩机压缩，使之压力增大，温度升高冷凝:被压缩后的冷冻剂气体经冷凝器后又重新变为液态冷冻剂，在此过程中释出的热量，由冷凝器中的水或空气带走。膨胀:液态的冷冻剂经过膨胀阀后，压力急剧下降蒸发:进入蒸发器后急剧吸热汽化，使蒸发器周围空间的温度降低蒸发后的冷冻剂气体被压缩机压缩，这样，冷冻剂便在系统中完成一个循环过程。干燥过滤器干燥过滤器的作用滤去制冷系统中的杂物，如金属屑、各类氧化物和灰尘等，以防止杂物堵塞毛细管或损坏压缩机吸收制冷系统中的残留水份，防止产生冰堵，减少水份对制冷系统的腐蚀作用。干燥过滤器的结构铜管制成的壳体两端设置过滤网（一般采用80目至120目的金属网），中间装入干燥剂而组成。干燥剂:无水氯化钙、硅胶和分子筛等球状分子筛或特制的分子筛柱。它对制冷系统中的水份有强烈地吸附作用膨胀阀膨胀阀又称节流阀，高压制冷剂通过膨胀间节流而降压，使制冷剂由冷凝压力降低到所要求的蒸发压力，制冷剂汽化吸热，使其本身的温度降低到需要的低温，再送入蒸发器常用的手动膨胀阀有针形阀（公称直径较小）和V形缺口阀（公称直径较大）两种热力膨胀阀是一种能自动调节液体流量的节流膨胀阀，它是利用蒸发器出口处蒸汽的过热度来调节制冷剂的流量制冷剂制冷剂是制冷系统中借以吸取被冷却介质（或载冷剂）热量的介质沸点要低，在蒸发器内的蒸发压力应大于外界大气压；冷凝压力不超过1.2～1.5MPa；单位体积产冷量应尽可能大；密度和粘度应尽可能小；导热和散热系数高；蒸发比容小，蒸发潜热大。制冷剂能与水互溶，对金属无腐蚀作用，化学性能稳定，高温下不分解无毒性、无窒息性及刺激作用，且易于取得，价格低廉。制冷剂常用的制冷剂有氨、氟利昂、二氧化碳等。若蒸发温度高于-40℃，可用单级制冷压缩机，以F-22为冷冻剂。若要达到更低温度应采用双级制冷压缩机系统。双级系统以氨为冷冻剂时，最低蒸发温度可达-50℃，以F-22为冷冻剂时，则可达-70℃。为确保人类生存的地球环境不再恶化，氟利昂将要被新型的环保制冷剂所取代制冷剂名称氨F-11F-12二氧化碳化学分子式NH3CClCCl2CO2沸腾温度/℃-33.323.6-29.8-78.5凝固温度/℃-77.7-111.1-158.2临界温度/℃132.4198111.531临界压力（绝对）/MPa11.434.384.017.39-15℃时蒸发压力（绝对）/MPa0.2360.0210.1832.29-15℃蒸发，30℃冷凝的压缩比pk/p04.946.194.0753.14-15℃时汽化热/（kJ/kg）1312.4191.8161.6260.7制冷系数4.875.234.72.56使用温度范围/℃10~-6010~010~-600~-60常用的几种制冷剂的性能表压缩机的选择当制冷温度较低时，则压缩机应在高压缩比（压缩机出口压力pl与进口压力p2的比值）条件下工作。此时若采用单级压缩制冷，则压缩终了时气体的温度很高，会引起运行上的困难，这种情况下，可采用双级压缩制冷。一般当压缩比p1／p2＞8时，采用双级压缩较为经济合理。双级制冷压缩机系统载冷剂采用间接冷却方法进行制冷所用的低温介质称为载冷剂冰点低热容量大对设备的腐蚀性小，且价格低廉。载冷剂在制冷系统的蒸发器中被冷却，然后被泵送至冷却设备内。吸收热量后返回蒸发器中载冷剂无机盐的水溶液氯化钠