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第 八 章

第 八 章. 干 燥. Drying. 第一节 干燥的基本原理. 第二节 干燥设备. 第三节 喷雾干燥. 第四节 冷冻干燥. 8-1 干燥的目的和方法. 8-2 湿物料中的水分. 8.2A 含水量. 8.2B 水分活度. 8.2C 吸湿和解湿. 8.2D 物料中水分的分类. 8-3 干燥静力学. 8.3A 干燥过程的物料衡算. 8.3B 干燥过程的热量衡算. 8.3C 干燥过程空气状态变化分析. 8-4 干燥动力学. 8.4A 干燥机理. 8 .4B 干燥速率. 8.4C 干燥时间的计算.

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  1. 第 八 章 干 燥 Drying 第一节 干燥的基本原理 第二节 干燥设备 第三节喷雾干燥 第四节 冷冻干燥

  2. 8-1 干燥的目的和方法 8-2 湿物料中的水分 8.2A 含水量 8.2B 水分活度 8.2C 吸湿和解湿 8.2D 物料中水分的分类 8-3 干燥静力学 8.3A 干燥过程的物料衡算 8.3B 干燥过程的热量衡算 8.3C 干燥过程空气状态变化分析 8-4 干燥动力学 8.4A 干燥机理 8 .4B 干燥速率 8.4C 干燥时间的计算 第一节 干燥的基本原理

  3. 8-1 干燥的目的和方法 1.物料去湿 2.干燥的目的 （1）机械去湿法 （1) 延长食品货架期 （2）化学去湿法 （2)便于贮运 （3）热量去湿法 即为干燥 （3)加工工艺的需要 3.干燥的方法 （1）对流干燥 又称热风干燥 （2）传导干燥 （3）辐射干燥 包括红外线干燥和微波干燥两种方法

  4. 8-2 湿物料中的水分 8.2A 含水量 (1)湿基含水量 w 是以整个湿物料为基准的含水量表示法 (2)干基含水量 x 是以绝对干燥物料为基准的含水量表示法。 两种含水量的换算关系式：

  5. 8.2B 水分活度aw (water activity) 水的化学势： 纯水，aw=1, 溶有溶质，一般aw<1,则 aw越小，相应的 μw也越低 水分活度aw 的大小是物料中水分化学势μw高低的标志 实践中水分活度 aw 的定义：

  6. aw反映了食品中水分的热力学状态， 微生物生长 aw揭示水参与 的活动性程度 各种酶反应 aw标志在干燥时食品中水分挥发性的大小 应用物化概念aw，是食品工程学的一项进展 8.2C 吸湿和解湿 （1) 当 aw>φ时 物料解湿（moisture desorption） 即是干燥过程 （2)当 aw<φ时， 物料吸湿（moisture sorption） （3) 当 aw =φ时， 达到吸湿—解湿平衡

  7. 在达吸湿—解湿平衡时， 相对于物料 湿空气相对湿度称为平衡相对湿度φe 相对于湿空气 物料的含水量称为平衡含水量xe 在数值上，aw = φe 定温下 x~ aw的关系曲线，称吸湿等温线

  8. 不 同 食 品 物 料 的 吸 湿 等 温 线

  9. 温 度 对 吸 湿 等 温 线 的 影 响

  10. 8.2D物料中水分的分类 1.按物料与水分结合方式分类： （1）化学结合水 最牢，不能用一般干燥方法除去。 （2）物理化学结合水 包括吸附水分，渗透水分和结构水分。 （3）机械结合水 包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。

  11. 2.按水分去除难易程度分类 (1）结合水分 （bound water） aw<1 （2）非结合水分 （unbound water） 其 aw≈1 3.按水分能否用干燥方 法除去分类 (1）自由水分（free water） （2）平衡水分 （equilibrium water）

  12. 例: 10kg牛肉在20℃、相对湿度为0.60的空气中 达到解湿平衡，将失去多少水？这时牛肉中还含多 少克水？（鲜牛肉湿基含水量为73％） ms =m1(1-w1) =10.0×(1-0.73) = 2.70 kg 解： 查图，线4：对应φ=0.60, x2 = 0.14 牛肉还含水mw2= msx2 = 2.70×0.14 = 0.38kg mw1 = m-ms =10.0-2.70 =7.30kg 0.14 失水 W= mw1-mw2 = 7.30-0.38 = 6.92 kg

  13. 8-3 干燥静力学 热风干燥的基本流程

  14. 8.3A干燥过程的物料衡算 1.水分蒸发量和产品量 以 绝对干燥物料作物料衡算 2.干燥空气用量 对进出干燥器的水分作衡算：

  15. 称作单位空气用量，kgd/kgw 8.3B干燥过程的热量衡算 1.耗热量

  16. 令：q=Q/W 称单位热耗，J/kgw qL=QL/W —蒸发1kg水相应物料升温所需热量, J/kgw 则 2.热效率

  17. 例8-3用回转干燥器干燥湿糖，进料湿糖湿基含水量为1.28% ,温度为31℃，每小时生产湿基含水量为0.18%的产品4000kg,出料温度36℃。所用空气的温度20℃，湿球温度为17℃，经加热器加热至97℃后进入干燥室，排出干燥室的空气温度为40℃，湿球温度32℃。已知产品的比热容为1.26kJ/(kg·K)。 试求： （1）水分蒸发量； （2）空气消耗量； （3）加热器所用表压100kPa的加热蒸汽消耗量； （4）干燥器的散热损失； （5）干燥器的热效率。

  18. 解 （1）水分蒸发量 （2）空气用量 查图7-20湿空气的h-H图，得 （3）加热器中蒸汽用量 由h-H图可查得 h0=49kJ/kgd, h1=125kJ/kgd,, Tw1=38℃ h2=113kJ/kgd

  19. （4）干燥器的散热损失 （5）干燥器的热效率

  20. 本 次 习 题 p.292 5 6

  21. 8.3C干燥过程空气状态变化分析 1.绝热干燥过程 令 n—物料带热散热净和 n=0,则h2=h1，称为绝热干燥过程。

  22. 2.实际干燥过程 大多数情况下, n < 0。干燥操作线的斜率 如图中线BC’所示。 若下两过程空 气出口温度同为T2： BC—绝热干燥过程 对应 q,l BC’ —实际干燥过程 对应q’,l’ 则 q’>q l’>l

  23. 例: 用气流干燥器将湿基含水量w1=5％的食品 物料干燥到w2=0.25％,产品量m2=1000kg/h。加热介 质用T0=20℃，φ0=0.80的新鲜空气经加热器加热到 T1=140℃，进入干燥器，出口温度T2=95℃，物料 入口温度θ1=50℃，出口温度θ2=80℃，干物料比 热容cs=1.256kJ/(kg.K)。 ⑴若此干燥过程为绝热干燥过程，求水分蒸发量W，空气用量l和热消耗q； ⑵若已知干燥器表面散热QL=33.4MJ/h，试求出 口空气的湿含量H2以及此实际干燥过程的l和q。 解：⑴绝热干燥过程

  24. 在h-H图上，查T0=20℃，φ0=0.80, h0=50kJ/kgd T1=140℃ ，h1=173kJ/kgd，H0=H1=0.012kgv/kgd。 过B点作等h线交T2=95℃等温线与C，查得 H2=0.030kgv/kgd, 如图所示。则： q =l(h1-h0）= 56×(173-50) = 6.89×103kJ/kgw (2)实际干燥过程 qL = QL/W = 33400/50 = 668kJ/kgw

  25. qs = m2cs(θ2-θ1)/W = 1000×1.256×(80-50)/50 = 754kJ/kgw n = cwθ1-qs-qL = 4.187×50-754-668 = -1213kJ/kgw 在H1～H2间任取 H = HD = 0.025 h= hD = h1+n(HD-H1) = 173-1213×(0.025-0.012) = 10.2×103kJ/kgw 由HD,hD确定点D,作直线BD交T2 = 95℃等温线于 点C’,查C’的H’2=0.024 kgd/kgw q = l(h1-h0) = 83×(173-50) = 10.2×103kJ/kgw

  26. n > 0 的过程少见。 如干燥需热部分加于干燥室，则 n > 0。

  27. 3.中间加热空气的干燥过程 AB’+C’B” = AB, 加热量相同。 优点：空气入干 燥室温度较低，利于 热敏料干燥。

  28. 8-4 干燥动力学 8.4A 干燥机理 1.干燥过程中的传热和传质 （1）外部传热和传质 外部传热是对流传 热，热流密度 q =α(T-Ts) 外部传质也是对 流传质，（ps-p）是传质的推动力。

  29. （2）内部传热和传质 物料内的传热都是热传导，遵从傅立叶定律 内部的传质机理比较复杂，是下面几种机理的 一种或是几种的结合: ①液态扩散 ②气态扩散 ③毛细管流动 ④热流动 2.表面汽化控制和内部扩散控制 （1）表面汽化控制 像糖、盐等潮湿的晶体物料， 水分的去除主要由外部扩散传质所控制。

  30. （2）内部扩散控制如面包、明胶等在干燥时， 其内部传质速率较小，为内部扩散控制 同一物料的整个干燥过程，一般前阶段为表面汽化控制，后阶段为内部扩散控制。 8 .4B干燥速率 1.干燥速率式 干燥速率（rate of drying）定义： ， 单位时间内在单位面积上除去的汽化水分量 用符号u表示，单位为kgw/(m2·s) 因为dW=-msdx故

  31. 2.干燥曲线与干燥速率曲线 （1）干燥曲线 通常将x-t曲线, 称作干燥曲线 （2）干燥速率曲线 u-t曲线和u-x曲线，称为干燥速率曲线。 AB段物料预热段；. BC段恒速干燥阶段； 临界点 CE段降速干燥阶段

  32. 3．恒速干燥阶段 上式为理论上计算恒速干燥阶段干燥速率u0的方程。 空气对物料的表面传热系数α的经验公式： （1）空气平行流过物料表面，空气质量流量 qm=0.7~5.0kg/(m2·s)范围内有： （2）空气垂直流过物料表面，空气质量流量 qm=1.1~5.5kg/(m2·s)范围内有：

  33. 4.干燥的临界点 恒速干燥阶段到降速干燥阶段的转折点C， 称为干燥过程的临界点. 标志干燥机理的转折： ◆干燥由表面汽化控制到内部扩散控制的转变点 ◆物料由去除非结合水到去除结合水的转折点 物料干燥达临界点C时的物料含水量xc,称为临界含水量（critical water content）。 5.降速干燥阶段 此阶段的干燥机理已转为内部扩 散控制,开始汽化物料的结合水分。 到达E点，x达到平衡含水量xe 干燥停止，u = 0

  34. 8.4C干燥时间的计算 1.恒速阶段的干燥时间 2.降速阶段的干燥时间

  35. 如已知降速阶段的干燥速率曲线， 积分项 的值, 可用图解积分法求得 如缺乏降速阶段数据，可用近似计算处理 假定降速阶段 u与 x 呈线性关系 u0 直线斜率为：

  36. 3.干燥的总时间 t = t1+ t2

  37. 本 次 习 题 p.292 11 12

  38. 第二节 干燥设备 8-5 对流干燥设备 8-6 其它干燥设备

  39. 8-5 对流干燥设备 1.厢式干燥器（cabinet dryer) 即盘架式干燥器（tray dryer）, 常压间歇操作 厢内有多层支架，装有物料浅盘置于支架上 空气由风机吸入厢内，加热后均匀地送入各层

  40. 2.隧道式干燥器（tunnel dryer) 隧道的两端进、出料车处设置有密封门 装有物料的料盘摆放在料车上， 风机使已预热的空气形强大气流在干燥室中流动

  41. 3.带式干燥器（belt dryer) 组成：干燥室、输送带、风机、加热器、提升机、 排气管等 输送带呈环形，介质以穿流方式流过网带 上下相邻的两根环带运动方向相反， 湿物料从最上层输送带加入，依次落入下层输送带，干物料从下部卸出。

  42. 4.气流干燥器（pneumatic dryer） 主要由四部分组成： ①加热系统由空气过滤器，风 机和预热器组成； ②干燥室 由圆形长管组成； ③加料系统 由料斗和加料器组成 ； ④气、固分离和粉尘回收系统 由旋风分离器和风机等组成

  43. 5.流化床干燥器（fluidized-bed dryer） 主要由四部分组成： ①空气预热系统 由风机和加热器组成 ②干燥室 设有分布板的沸腾室； ③加料系统 由料斗和进料器组成； ④卸料及粉尘分离 系统 由卸料管、 旋风分离器、 风机及袋滤器等组成

  44. 8-6 其它干燥设备 1.真空干燥箱 （cabinet dryer with vacuum） 一般由干燥室、冷凝 器和真空泵等三个主要 部分组成。

  45. 2.滚筒干燥器（drum dryer） 是一种热传导式的连续式干燥器 主要组成部分： ①滚筒 可以转动的金属圆筒； ②加热系统由加热剂 （蒸 汽或热水等）供应 机构 组成 ③排气系统排除蒸汽 及不凝性气体 ④辅助机构加料、卸 料器等

  46. 3.红外线干燥器（infrared dryer） 辐射器发射出红外线辐射至传送带上的物料， 能量被物料吸收而使水分汽化， 通入的空气作为载湿体将水汽不断带走。

  47. 4.微波干燥器（microwave dryer） 优点 ●干燥速率快 ●保持食品营养和风味 ●避免表面硬化和局部过热 ●热效率高

  48. 第三节喷雾干燥 喷雾干燥（spray drying）是用雾化器将料液分散成雾滴，与热空气等干燥介质直接接触，使水分迅速蒸发的干燥方法。 8-7喷雾干燥原理及应用 8.7A 喷雾干燥原理 8.7B 喷雾干燥的特点和应用 8-8喷雾干燥设备 8.8A 雾化器 8.8B 喷雾干燥塔

  49. 8-7 喷雾干燥原理及应用 8.7A喷雾干 燥原理 1.喷雾干燥流程

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