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1、 第九章 干燥机械与设备2021/9/23 1 第一节 概述 食品干燥过程是传热传质同时进行的过程，通常为热干燥过程，水分从食品中脱去时往往会发生物理状态变化，水分由液或固态变成气态而发生相变，以气态形式脱除。1.便于物料的贮藏和运输，扩大供应范围；2.满足食品含水率的要求，达到安全贮藏的目的；3.抑制贮藏中的生化反应，保证产品质量；4.经干燥和其它工艺处理，制成风味和形状各异的产品。v干燥的目的：v干燥的概念：2021/9/23 2 第一节 概述1、自然干燥2、人工干燥：对流干燥、传导干燥、辐射干燥、冷冻升华干燥v干燥的方法：对流干燥（热风干燥）：空气干燥法，此法直接以高温的空气作热源，即对
2、流传热，将热量传给物料，使水分汽化同时被空气带走。传导干燥（接触干燥）：此法是间接靠间壁的导热，将热量传给与间壁接触的物料。热源可为水蒸气、热水、燃气、热空气等。辐射干燥（内部干燥）：此法是利用红外线、远红外线、微波或介电等能源将热量产给物料。2021/9/23 3 按被干燥食品的状态分 1.粉状食品物料：主要有淀粉、米粉、鱼粉、调味粉、果糖、各种氨基酸和食品添加剂等。2.片、条、块状食品物料：主要有干制的果蔬、饼干、茶叶、鱼虾干等海产品和猪牛肉等畜产品。3.浆状食品物料：主要有奶粉、豆粉、果胶、咖啡粉等。按被干燥食品的物理化学性质分 1.液态食品：包括溶液、胶体溶液和非均相态食品。2.湿固态
3、食品：包括晶体、胶体和生物组织体。v干燥食品的分类：2021/9/23 4水分在气相传递的推动力为物料表面附近的一层气膜的蒸气分压与气相主体中蒸汽分压之差。由于物料水分汽化是在表面进行，故逐渐形成从物料内部到表面的湿度梯度，此湿度梯度即为干燥的推动力。温度梯度也可以使物料内部水分传递，称为热传递。水分将从温度高处向低温处转移。对于任一种干燥方法，上述两梯度均存在于物料内部。干燥的推动力：2021/9/23 52021/9/23 6 干燥通常是产品生产过程中最后一道工序，因此与产品质量，最终产品有着重要关系。如果干燥过程控制不好，会使产品变质而受到损失。食品多为热敏性物料，在干燥过程中如果控制不
4、好导致变质，破坏其色、香、味，影响产品质量。干燥方法和干燥设备的选择，应根据产品的特点、产量、经济性等综合考虑。目前食品产品的干燥广泛采用的是空气干燥法。2021/9/23 7第二节 喷雾干燥设备将液状物料通过雾化器形成喷雾状态，雾滴在沉降过程中，水分被热空气气流蒸发而进行脱水干燥的过程。通过机械力的作用，使料液通过雾化器而雾化成雾滴，其直径一般为10-100m，从而大大增加了表面积，一旦这些雾滴与从干燥塔顶部导入的热空气气流接触，在瞬间进行强烈的热交换和质交换，使其中绝大多数水分迅速蒸发并被干燥介质带走而除去，经1030s干燥便得到符合要求的产品。2、喷雾干燥的基本原理1、喷雾干燥定义202
5、1/9/23 83、喷雾干燥的特点优点：干燥速度快产品质量好工艺简单、控制方便生产率高营养损失少产品纯度高缺点：能耗大、热效率不高设备较复杂、占地面积大、一次性投资大因废气湿含量较高，为降低水分含量，需耗用较多的空气量。增加了鼓风机电能消耗与粉尘回收装置的负担。干燥室易于粘附产品微粒，清洗困难，清洗量大将料液雾化成细小微粒，以及从废气回收夹带的粉粒产品所需的机构复杂。2021/9/23 9食品在干燥过程中，凡与产品性接触的部位，必须便于清洗灭菌；应采取措施防止焦粉，防止热空气产生涡流与逆流，满足工艺要求；产品中杂质的增加应特别注意，保证热风清洁。由于空气过滤器效果不好，风管及加热器中心中的铁锈
6、以及保温层中材料的泄漏所造成的；为了便于检查生产运行情况，应配置温度、压力指示记录仪、灯孔等；4、喷雾干燥对设备的要求2021/9/23 10具有高回收率的粉尘回收装置；为了提高产品的溶解性、速溶性，干燥的产品应迅速从干燥室取出冷却（连续出粉）；干燥室内温度及排风温度不许超过100，它不仅是保证质量，而且是安全问题（因为气体中粉浓度达到一定值，温度大于160，若遇闪火，爆炸）；提高干燥室的热效率，必须使喷雾时浓料液滴和热空气均匀接触，其次，加热器、干燥室、风管等应予以保温；对于粘性物料应尽量减少粘壁现象。2021/9/23 115、喷雾干燥适宜干燥的物料2021/9/23 122021/9/2
7、3 13(1)按雾化方法分类 压力式喷雾干燥器 离心式喷雾干燥器 气流式喷雾干燥器喷雾干燥的分类2021/9/23 142021/9/23 151.压力式喷雾干燥器压力喷雾干燥的含义是指物料的雾化方法是使用压力而得，其压力的来源一般使用高压泵。其过程是将浓缩过的物料通过雾化器，使料液的表面张力得以克服而雾化为雾状微粒喷入干燥室，在干燥室中与热空气直接接触，其表面十分迅速蒸发，在很短时间内即被干燥成为球状颗粒的干燥操作。压力喷雾器的特点：优点：结构简单，工作时无噪音；改变喷嘴内部的结构，容易得到所需的喷矩形状；生产量大时，可采用多喷嘴喷雾；制造成本低；操作简单，更换检修方便。缺点：生产中，流量难
8、调节；喷嘴孔径小于1mm时，易堵塞；不适宜于黏度高的物料。2021/9/23 162.离心式喷雾干燥器离心喷雾是利用在水平方向作高速旋转运动的圆盘上注入料液，使料液在离心力的作用下以高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴。被甩出的料液，受到因圆盘高速转动而带动旋转的空气的摩擦、阻碍和撕裂等作用而被分散成微小的液滴。离心喷雾干燥的特点：调整转速，可以调整雾化料液的粒径；物料黏度的适应性比压力喷雾干燥广，即可以处理黏度低的料液，对黏度高的浓缩液雾化干燥的效果也较好；喷雾器的材料要求具有质轻强度高的性能，对材质的要求高。2021/9/23 17 并流、逆流和混合型三种(2)按物料与干燥介 质接触方法分类 在
9、喷雾干燥室内，液滴与热风呈同方向流动.常用的基本形式：垂直下降并流、垂直上升并流行型、水平并流型1.并流式喷雾干燥器2021/9/23 18 垂直下降并流 特点是塔壁粘粉比较少。垂直上升并流行型 要求干燥塔截面风速要大于干燥物料的悬浮速度，以保证物料能被带走。由于在干燥室内细粉干燥时间短，粗粒干燥时间长，产品具有均匀干燥的特点。但动力消耗大。2021/9/23 19 在并流系统中，最热的干燥空气与水分含量最大的液滴接触，因而迅速蒸发，液滴表面温度接近于空气的湿球温度，同时空气的温度也随着降低，因此，从液滴到干燥成品的整个过程中，物料的温度不高，这对于热性物料的干燥是特别有利的。这时，由于蒸发速
10、度快，液滴膨胀甚至破裂，因此并流操作时所得产品常为非球形的多孔颗粒，具有较低的视密度。在食品工业中，如牛奶，果汁，鸡蛋液物料的干燥，绝大多数采用并流喷雾干燥。水平并流型 热风在干燥室内呈螺旋状运动，以便与液滴均匀混合，并能延长干燥时间。液滴水平喷出（压力喷雾）。缺点是处理量增加时，需增加压力喷枪数目，但由喷雾距离小，喷雾角度受一定限制，在清扫产品时存在问题不小。渐渐被淘汰。2021/9/23 202.逆流式喷雾干燥器 在喷雾干燥器内，热风与液滴呈反方向流动。特点：高温热风进入干燥器内首先与要干燥的粒子接触，使内部水分含量达到较低的程度，物料在干燥器内悬浮时间长.适于含水量高的物料干燥.设计时应
11、注意气流速度小于成品粉粒悬浮速度，以防粉粒被废气夹带。常用于压力喷雾。2021/9/23 213.混合型喷雾干燥器 气流从上向下（有一个方向），雾滴有两个方向（从下向上，从上向下）。特点：气流与产品较充分接触，并起骚动，脱水效率较高，耗热量较少。但产品有时与湿的热空气流接触，故干燥不均匀。2021/9/23 22特点：载热体在系统中只使用一次就排入大气中，不再循环使用，结构简单，适用于废气中湿含量较高，无毒无臭气体。缺点：载热体消耗量大。简述流程：压力喷雾，离心喷雾，气流喷雾都可以按照开放式系统设计。(3)按生产流程分类 1.开放式喷雾干燥系统2021/9/23 232.封闭循环是喷雾干燥系统
12、2021/9/23 24特点：载热体在系统中组成一个封闭的循环回路，有利于节约载体热。回收有机溶剂，防止污染大气，载热体大多使用惰性气体（如N2,CO2等）。流程：从干燥塔排除的废气，经旋风除尘器除去微细粒子，然后进入冷凝器。冷凝器的作用:是将废气中的溶剂（或水分）冷凝下来，除湿后的尾气经鼓风机升压，进入一个间接式加热器后又变为热风，如此往复循环使用。适用于：可燃性溶剂系统，溶剂需回收，产生有污染的臭气。粉料与空气混合爆炸等。2021/9/23 253.自惰循环是喷雾干燥系统2021/9/23 26自惰就是指系统中有一个自制惰性气体的装置。在这个装置中，引入空气和可燃性气体进行燃烧，将空气中的
13、氧气烧掉，剩下氮气和二氧化碳作为干燥介质。为使系统中气体压力平衡，在鼓风机出口处安装一个放气减压装置，部分空气可排放到大气中。适用于：有臭气发出，产品有高度爆炸性，着火危险，通过燃烧消除掉臭气和产品粉末。2021/9/23 274.半封闭循环是喷雾干燥统 系统中有一燃烧器。半封闭在于干燥介质燃烧去臭气后一部分排入大气，另一部分燃烧后循环使用.2021/9/23 28喷雾干燥器及系统 组成：干燥室、供料设备、雾化器、介质处理设备、产品收集方式及废气处理装置。2021/9/23 29（一）喷雾干燥室 多为厢式和塔式两大类。由于处理物料不同，受热温度不同，以及热风进入和进料方式不同，其结构型式也很多
14、。干燥室所用材料不同，可分为金属结构的、钢筋水泥结构的及有衬里（瓷砖）结构的。目前普遍用金属结构。干燥室是喷雾干燥的工作空间，雾化后的液滴在干燥室内与干燥介质相互接触进行传热传质而达到干制品的水分要求，其内部装有雾化器、热风分配器及出料装置等。2021/9/23 301、厢式（卧式）用于水平方向的压力喷雾干燥，其底有平底的和斜底的。前者用于处理量不大的场合，结构简单。用于食品干燥其内衬不锈钢板，底部有良好的保温层，以免干燥积露回潮。干燥室外壁用绝热材料保温，常用的保温材料有：玻璃丝棉、砂渣棉、轻质石棉砖、蛭石、泡沫塑料等。2021/9/23 312、塔室干燥室（干燥塔）新设计的喷雾干燥设备，几
15、乎都采用塔式结构。适用于离心喷雾，压力喷雾和气流喷雾塔的结构。其骨架用型钢，内壁视处理物料可用薄不锈钢板或普通钢板制造。用型钢骨架是为了节省不锈钢，否则需用10mm厚的钢板做塔，材料费用高。塔底结构有锥形底、平底、斜底，但在食品工业中多为锥形底。为了防止物料产生粘壁现象，热塑性制品（高温软化，低温硬化），故具有塔壁冷却措施。常用的冷却方法有三种：1、由塔的圆锥体下部切线方向进入冷空气扫过塔壁。2、设冷却用夹套 3、沿塔内壁装有旋转空气清扫器，通冷空气冷却。2021/9/23 32a)压力式雾化器 利用高压泵，使料液获得很高的压力(720MPa)，从直径为0.51.5mm的喷嘴中喷出，由于压力大
16、，喷嘴小，料液瞬时雾化成直径很微小的雾滴。料液的分散度取决于喷嘴的结构、料液的流出速度和压力、料液的物理性质(表面张力、粘度、密度等)。（二）喷雾器 雾化器也称喷雾器是喷雾干燥的关键设备，直接影响到产品的质量，其作用是将料液雾化分散成微细液滴。常见的雾化器形式有：压力式、离心式和气流式 压力式雾化器必须具有使流体产生湍流的结构，压力式雾化器结构不同有多种形式，常见的有M型、S型等。2021/9/23 33b)离心式雾化器 借助高速转盘产生离心力，将料液高速甩出成薄膜、细丝，并受到腔体空气的摩擦和撕裂作用而雾化，喷雾的均匀性随着圆盘转速的增加而提高。利用料液在喷嘴出口处与高速运动(一般为2003
17、00ms)的蒸汽或压缩空气相遇，由于料液速度小，而气流速度大，两者存在相当高的相对速度，液膜被拉成丝状，然后分裂成细小的雾滴，雾滴大小取决于相对速度和料液的粘度，相对速度越高，粘度越小，雾滴越细；料液的分散度取决于气体的喷射速度，料液和气体的物理性质，雾化器的几何尺寸以及气流量之比。c)气流式雾化器2021/9/23 342021/9/23 352021/9/23 36a)空气过滤器（三）介质处理设备 介质处理设备的作用是保证介质符合工艺要求，满足干燥塔内气流分布要求。主要包括空气过滤器、空气加热器、空气分配器等。通过除尘实现除菌目的，保证介质卫生。b)空气加热器c)空气分配器 通过加热使介质
18、符合工艺要求，一般采用间接式加热。引导介质在干燥塔内均匀分布，常见形式有直线气流空气分配器和旋转气流空气分配器。2021/9/23 37产品收集方式：及时进行介质与产品颗粒的气固分离，其方式有塔内分离和塔外分离两类。废气处理设备与回收利用 回收产品及保证排放于大气的废气符合环保要求。喷雾干燥处理方式有开放式、封闭式和半封闭式三种。2021/9/23 38（一）概念 流化：“流化”是指固体颗粒被流体吹起呈悬浮状态，粒子可以相互分离，作上下、左右、前后运动，这种状态我们称作“流化”，或流态化，流动化或沸腾状态（即沸腾）。沸腾干燥：是指干燥介质使固体颗粒在沸腾状态下进行干燥的过程。第三节 沸腾干燥设
19、备（流化床）2021/9/23 39（二）流化原理 流化三种情况：(1)固定床 当流体(热空气)速度较低时，在床层中固体颗粒虽与流体相接触，但固体颗粒的相对位置不发生变化，这时固体颗粒的状态称为固定床。(2)流化床 当固定床阶段的流体速度逐渐增加，固体颗粒就会产生相互间的位置移动，若再增加流体速度，而床层的压力损失保持不变，固体颗粒在床层中就会产生不规则的运动，这时床层状态就处于流态化，即为流化床。(3)气流输送随着流体速度的增加，固体颗粒运动则更为剧烈，当流体流速超出固体颗粒的沉降速度时，固体颗粒就不能继续停留在容器内，而被气流带出容器，床层内的固体颗粒密度降低，因此这时也称为稀相流化床。2
20、021/9/23 40（三）适用范围 沸腾干燥一般适用于30微米6毫米颗粒状物料，或结团现象不严重的场合。对溶液或悬浮液的液体物料的干燥和造粒也很合适。尤其对含水要求很低的产品特别合适。2021/9/23 41（1）物料与热风的接触面积大，体积传热系数较高，一般在8.3625.08 MJ/（m2）。（）干燥速率大，物料在设备内停留时间短，适宜于热敏性物料的干燥。（）物料受热时间的调节范围大，可使产品的终水分达较低程度。（）所用设备结构简单，造价低廉，运转稳定，操作维修方便。（5）密封性好，机械运转部分不与物料直接接触，对卫生指标要求高的食品干燥十分有利。（6）对被干燥物料的颗粒有一定的限制。（
21、7）对易结块物料因容易产生与设备壁间粘结而不适用。（8）单层流化床难以保证物料干燥均匀。（四）流化床干燥的特点 2021/9/23 42（五）流化床干燥器的分类 按被干燥的物料分类：粒状物料；膏状物料；悬浮液和溶液等具有流动性的物料。按操作情况分类：间歇式；连续式。按设备结构形式分类：单层流化床干燥器；多层流化床干燥器；卧式多室流化床干燥器；喷动干燥器；脉冲流化床干燥器；振动流化床干燥器；惰性粒子流化床干燥室；锥形流化床干燥器。2021/9/23 43（六）沸腾干燥设备的基本结构基本结构由进料机构、气流分布板、床体、介质处理系统、废气处理系统。进料机构作用是保证物料流量连续稳定且在气流分布板上
22、均匀分布。气流分布板是干燥器床体的重要组成部分，其作用是支撑物料，均匀分配气流，创造良好的流化条件。介质处理系统与喷雾干燥系统相似，仅在空气分布器方面有所不同。废气处理系统与喷雾干燥系统相同。2021/9/23 44（一）单层圆筒型流化床干燥机l 结构如图9.8所示。l 工作过程l 气流分布板l 气流预分布器l 特点图9.8单层圆筒流化床干燥器几种流化床干燥机的形式2021/9/23 45n 湿物料由胶带输送机送到加料斗，再经抛料机送入干燥机内。n 空气经过滤器由鼓风机送入空气加热器加热，热空气进入流化床底后由分布板控制流向，对湿物料进行干燥。n 物料在分布板上方形成流化床。干燥后的物料经溢流
23、口由卸料管排出，夹带细粉的空气经旋风分离器分离后由抽风机排出。工作过程2021/9/23 46n 是流化床干燥机的主要部件之一。n 作用是支持物料，均匀分配气体，以创造良好的流化条件。n 多采用金属或陶瓷材料制作。n 各种气流分布板如图9.8所示。气体分布板2021/9/23 47n 图9.10为两种结构形式的气流预分布器。n 作用：使气流能够较为均匀地到达分布板，并使得可在较低阻力下达到均匀布气。n 有些设备，为使气流分布均匀，还直接将整个床体分隔成若干个室。气流预分布器2021/9/23 48n 优点：结构简单。n 缺点：(1)由于颗粒在床中与气流高度混合，自由度很大，为了限制颗粒过早从出
24、料口出去，保证物料干燥均匀，必须有较高的流化床层才能使颗粒在床内停留足够的时间，从而造成气流压降增大。(2)由于湿物料与已干物料处于同一干燥室内，因此，从排料口出来的物料较难保证水分含量均一。n 单层流化床干燥机操作方便，在食品工业上应用广泛，适用于床层颗粒静止高度低(300400mm)、容易干燥、处理量较大且对最终含水量要求不高的产品。特点2021/9/23 49（二）多层流化床干燥机l 适用于要求干燥较均匀或干燥时间较长的产品。l 干燥机整体为塔形结构，内设多层孔板，通常物料由干燥塔上部的一层加入，物料通过适当方式自上而下转移，干燥物料最后从底层或塔底排出。因此，湿物料与加热空气在流化床干
25、燥机内总体呈逆流向。l 物料从上一层进入下一层的方法有多种，如图9.11所示。l 根据物料在层间转移方式可分为溢流式和穿流式(即直流式)两种形式。2021/9/23 50图9.12(1)所示为溢流式多层流化床干燥机。湿物料颗粒由第一层加入，经初步干燥后由溢流管进入下一层，最后从最底层出料。由于颗粒在层与层之间没有混合，仅在每一层内流化时互相混合，且停留时间较长，所以产品能达到很低的含水量且较为均匀，热量利用率也显著提高。溢流式多层流化床干燥机2021/9/23 51l穿流板式流化床干燥机n 如图9.12(2)所示。n 干燥时，物料直接从筛板孔自上而下分散流动，气体则通过筛孔自下而上流动，在每块
26、板上形成流化床。n 结构简单，生产能力强，但控制操作要求较高。适用物料颗粒的直径一般在0.85mm。n 为使物料能通过筛板孔流下，筛板孔径应为物料粒径的530倍，筛板开孔率3040。n 物料的流动主要依靠自重作用，气流还能阻止其下落速度过快，故所需气流速度较低，大多数情况下，气体的空塔气速与流化速度之比为1.22。2021/9/23 522021/9/23 53（三）卧式多室流化床干燥机l目的：降低压强降，保证产品均匀干燥，降低床层高度。l如图9.13所示。横截面为长方形，用垂直挡板分隔成多室，挡板下端与多孔板之间留有间隙，使物料能从一室进入另一室。l物料由第一室进入，从最后一室排出，在每一室
27、与热空气接触，气、固两相总体上呈错流流动。l不同小室中的热空气流量可以分别控制，其中前段物料湿度大，可以通入较多热空气，而最后一室，必要时可通入冷空气对产品进行冷却。2021/9/23 54n 特点：结构简单、制造方便、容易操作、干燥速度快。适用于各种难以干燥的颗粒状、片状和热敏性物料。但热效率较低，对于多品种小产量物料的适应性较差。n 应用：这种形式的干燥机被用于干燥砂糖、干酪素、葡萄糖酸钙及固体饮料等。特点与应用2021/9/23 55l主体是称为滚筒的中空金属圆筒。l分类：单滚筒双滚筒式；两者均有常压和真空式。l常压单滚筒和双滚筒干燥机：圆筒随水平轴转动，其内部可由蒸汽、热水或其它载热体
28、加热，圆筒壁即为传热面。物料的加入方式有浸没式和喷洒式。浸没式加料时，料液可能会因热滚筒长时间浸没而过热，为避免这一缺点，可采用洒溅式。l真空滚筒干燥机第四节 滚筒干燥机概念：是一种接触式内加热传导型的干燥机械，在干燥过程中，热量由滚筒的内壁传到其外壁，穿过附在滚筒外的物料，把物料上的水分蒸发，是一种连续式干燥的生产机械。2021/9/23 56滚筒干燥机的工作原理：需要干燥处理的料液由高位槽流人滚筒干燥器的受料槽内，由布膜装置使物料薄薄地(膜状)附在滚筒表面，滚筒内通有供热介质，食品工业多采用蒸汽，压力一般在0.26MPa，温度在 120150 之间，物料在滚筒转动中由简壁传热使其湿分汽化，
29、滚简在一个转动周期中完成布膜、汽化、脱水等过程，干燥后的物料由刮刀刮下，经螺旋输送至成品贮存槽，最后进行粉碎或直接包装。在传热中蒸发出的水分，视其性质可通过密闭罩，引入到相应的处理装置内进行捕集粉尘或排放。滚筒干燥机的分类：按滚筒的数量分为：单滚筒、双滚筒和多滚筒干燥机；按操作压力分为：常压式和真空式两种；按布膜形式分为：顶部进料式、浸液式、喷溅式滚筒干燥机。2021/9/23 57滚筒干燥特点 1.热效率高 因主要传热方式为热传导，传热方向在整个传热周期中保持一致，所以滚筒内大部分热量用于物料的汽化，热效率达80%-90%。2.干燥速率大 筒壁上湿料膜的传热和传质过程，方向一致，温度梯度大，
30、使料液表面保持较高的蒸发速度。3.产品的干燥质量稳定 缺点：滚筒表面湿度较高，对一些物料会因过热有损风味或呈现不正常的颜色。2021/9/23 58l单滚筒干燥机n 采用浸没式加料方式，滚筒部分浸没在稠厚的悬浮液物料中，因滚筒的缓慢转动使物料成薄膜状附着于滚筒的外表面而进行干燥。n 当滚筒回转3/47/8转时，物料已干燥到预期的程度，即被刮刀刮下，由螺旋输送器送走。n 滚筒的转速因物料性质及转筒的大小而异，一般为28r/min。滚筒上的薄膜厚度为0.11.0mm。干燥产生的水汽被壳内流过滚筒面的空气带走，流动方向与滚筒的旋转方向相反。2021/9/23 59l双滚筒干燥机采用的是由上面加入湿物
31、料的方法，干物料层的厚度可用调节两滚筒间隙的方法来控制。2021/9/23 60将滚筒密闭在真空室内，便可成为如图9.33所示的真空滚筒干燥机。由于干燥过程在真空下进行，真空滚筒干燥机的进料、卸料刮刀等的调节必须在真空干燥室外部来操纵，所以这类干燥机通常成本较高，一般只用来干燥极为热敏的物料。l真空滚筒干燥机2021/9/23 61 冷冻干燥，也叫升华干燥，就是将待干燥的湿物料在较低温度下冻结成固态后，在高真空度的环境下，将已冻结了的物料中的水分，不经过冰的融化而直接从固态升华为气态，从而达到干燥的目的。冷冻干燥的基本原理水的相图第五节 冷冻干燥机2021/9/23 62食品冷冻干燥的三个阶段
32、：1.预冻阶段，目的将物料溶液中的自由水分固化，使干燥后的产品与干燥前的形态基本相同，防止在抽真空干燥时出现气泡、收缩等不可逆现象。2.升华干燥阶段，此阶段约可除去物料水分的90%。3.解析干燥，解析未被冻结的毛细管壁和极性基团上吸附的部分水分，通过更高的真空度完成此阶段，结束后，产品含水量在0.5%-4%之间。2021/9/23 63冷冻干燥特点（1）最大限度地保存食品的色香味；对热敏性物质特别适合，能保存食品中的Vc等营养成分；（2）在真空和低温下操作，微生物的生长和酶的作用受到抑制；可除去95%-99%以上的水分，产品能长期保存而不变质；（3）脱水彻底，干制品重量轻，体积小，占地面积小，
33、运输方便；（4）复水快，食用方便；（5）在真空操作下，氧气极少，一些易氧化的食品得到保护；（6）干燥产品一旦暴露空气中易吸湿、氧化，要采用一定保护作用的包装材料和包装形式；（7）投资费用和操作费用大，产品成本高。2021/9/23 64冷冻干燥在食品工业中的应用 冷冻干燥在食品工业中常用于肉类、水产类、蔬菜类、速溶咖啡、香料等的干燥。在军需食品、远洋食品、宇航食品、登山食品等领域有非常好的应用前景。目前，使用冷冻干燥方法的食品主要有：土特产品，如野菜类食品；快食类食品，如方便面中的脱水蔬菜；调味品，如香精、香料、天然色素等；保健品，如花粉、名贵中草药提取物等；饮料产品，如麦乳精和其他颗粒型饮料
34、制剂等；特殊用途食品，如远洋、宇航、军队等行业所需食品。2021/9/23 65冷冻干燥设备的系统构成各种型式的冷冻干燥装置系统均由预冻、供热、蒸汽和不凝结气体排除系统及干燥室等部分构成，如图9.38所示。这些系统一般以冷冻干燥室为核心联系在一起，有些部分直接装在冷冻干燥室内，如供热的加热板、供冷的制冷板和水汽凝结器等。预冻过程可以独立于冷冻干燥机完成，此时冷冻干燥箱内不设冷冻板。（一）预冷冻系统（二）供热系统（三）水蒸气冷凝器（冷阱）2021/9/23 662021/9/23 67（一）预冷冻系统l 一般来说，各种食品冻结方法都可用来预冻。l 鼓风式和接触式冻结应用最多。l 鼓风式冻结一般在
35、冷冻干燥主机外的速冻装置中完成，以提高主机的工作效率。l 而接触式冻结常在冷冻干燥室的物料搁板上进行。l 液态物料可用真空喷雾冻结法进行预冻。该方法是将液体物料从喷嘴中呈雾状喷到冻结室内，当室内为真空时，由于一部分水的蒸发使得其余部分的物料降温而得到冻结。由于这种预冻方法可使料液在真空室内连续预冻，因此可以使喷雾预冻室与升华干燥室相连，构成完全连续式的冷冻干燥机。2021/9/23 68（二）供热系统l 作用l 加热方式主要有传导、辐射和微波加热三种。2021/9/23 69 图9.39所示为利用压缩机的排气作为搁板加热热源的冻干系统，压缩机在热泵运行方式和制冷运行方式间切换，可节省能耗。20
36、21/9/23 70l传导加热法n 物料放在料盘或输送带上接受传导的热量。n 按热能的提供方式有直接加热和间接加热两种。n 热源有电、煤气、石油气、天然气和煤等。n 载热体：水、蒸汽、矿物油、乙二醇、三氯乙烯等。n 用压缩机排气加热的冻干系统2021/9/23 71l作 用n 提供升华所需的热量。供给升华热时，要保证传热速率既能使冻结层表面达到尽可能高的蒸汽压，又不致使冻结层融化，所以应根据传热速率决定热源温度。n 提供低温凝结器(冷阱)融化积霜所需的熔解热。2021/9/23 72l辐射加热n 利用传送钢带在干燥箱内进行物料输送的冷冻干燥机，一般采用不与输送带接触的辐射加热器，先对钢带进行加
37、热，再通过受热的钢带对物料进行接触传导加热。n 另外，理论上，只要两物体有温差，就会发生热量从高温物体向低温物体转移的辐射传热。n 因此，在多层搁架板式冷冻干燥箱内，作用于一层物料盘底的接触加热器，对下层物料而言，实际上就是一个辐射加热器。2021/9/23 73l微波加热n微波加热属于内部加热，可使任何形状物料的内、外均一地将接受到的微波能转化为热能，从而使里外同时升温。n这种加热方式对于不规则食品的冻干有很多好处。n但由于微波加热系统的复杂性，到目前为止，尚未出现实用的微波加热方式的工业化冻干设备。2021/9/23 74（三）水蒸气冷凝器（冷阱）l作用l标准冷阱系统l也有直接抽气的系统，
38、如采用蒸汽喷射泵的真空系统。l冷阱在系统中的位置l冷阱的本质与形式l冷阱的除霜2021/9/23 75l标准冷阱系统 冷阱安装在干燥室与系统的真空泵之间。由于冷阱温度低于物料的温度，即物料冻结层表面的蒸汽压大于冷阱内的蒸汽分压，因而从物料中升华出的蒸汽，在通过冷阱时大部分以结霜的方式凝结下来，剩下的一小部分蒸汽和不凝结气体则由真空泵抽走。2021/9/23 76l作 用干燥过程中升华的水分必须连续快速地排除。在13.3Pa的压力下，1g冰升华可产生100m3的蒸汽，若直接采用真空泵抽吸，则需要极大容量的抽气机才能维持所需的真空度，因此必须有脱水装置。低温冷凝器(冷阱)正是实现在低温条件下除去大
39、量水分的装置。2021/9/23 77l冷阱在系统中的位置冷阱可作为一个独立单元置于干燥室与真空泵之间，也可以直接安装在干燥箱内，这种冷阱称为内置式冷阱。内置式冷阱可避免用管道连接所带来的流导损失。两种方式的比较见表9-4。2021/9/23 78l冷阱的除霜n 低温冷凝器在运行过程中，积聚的霜应及时除去。n 除霜方式有间歇式和连续式两种。2021/9/23 79n单个冷凝器间歇式工作对于较小的冷冻干燥系统，通常在冷冻干燥周期结束后，用一定温度（常温也可）的水来冲霜，并将其排除，然后进行下一个周期的操作。这种冲水式除霜装置投资成本低，除霜操作简便。2021/9/23 802021/9/23 8
40、1n两组冷阱交替除霜在较大的冷冻干燥系统内安装有两组低温冷凝器，一组正常运行时，另一组则在除霜。利用切换装置，实现工作状态的转换。这种连续式除冰装置是全自动控制的，可以将冷凝器的霜层厚度控制在不超过23mm，从而使霜层表面的温差损失减少，降低了制冷的能耗，同时使冷凝器的能力维持恒定，使单位面积冷冻干燥能力维持最大值。2021/9/23 82l冷阱的本质与形式n低温冷凝器本质上属于间壁式热交换器。n形式：列管式、螺旋管式、盘管式、板式等。n内置式低温冷凝器n外置式低温冷凝器2021/9/23 832021/9/23 84一般呈圆筒状，具有一大一小两个管口，串联在干燥箱和真空泵之间，图9.41所示
41、为几种外置式低温冷凝器。2021/9/23 85常见冷冻干燥装置冷冻干燥装置按操作的连续性可分为间歇式、连续式和半连续式三类，在食品工业中应用最多的是间歇式和半连续式装置。（一）间歇式冷冻干燥机（二）半连续式冷冻干燥系统（三）连续式冷冻干燥系统 2021/9/23 86（一）间歇式冷冻干燥机l 间歇式冷冻干燥装置有许多适合食品生产的特点，因此绝大多数的食品冷冻干燥装置均采用这类装置。l 间歇式冷冻干燥装置l 特点2021/9/23 87l 特点n 优点：适应多品种小批量的生产，特别是季节性强的食品生产；单机操作，一台设备发生故障，不会影响其它设备的正常运行；便于设备的加工制造和维修保养；便于在
42、不同的阶段按照冷冻干燥的工艺要求控制加热温度和真空度。n 缺点：由于装料、卸料、启动等预备操作占用的时间长，设备利用率低；若要满足一定的产量要求，往往需要多台单机，并要配备相应的附属系统，导致设备的投资费用增加。2021/9/23 88间歇式冷冻干燥装置中的干燥箱与一般的真空干燥箱相似，属盘架式。干燥箱有各种形状，多数为圆筒形。盘架可以是固定式，也可做成小车出入干燥箱，料盘置于各层加热板上。如采用辐射加热方式，则料盘置于辐射加热板之间，物料可于箱外预冻后装入箱内，或在箱内直接进行预冻。若为直接预冻，干燥箱必须与制冷系统相连接，见图9.43。l间歇式冷冻干燥装置2021/9/23 89（二）半连
43、续式冷冻干燥系统 针对间歇式设备生产能力低，设备利用率不高等的缺点，在向连续化过渡的过程中，出现了多箱式及隧道式等半连续式设备。2021/9/23 90l半连续隧道式冷冻干燥机如图9.44所示。升华干燥过程是在大型隧道式真空箱内进行的，料盘以间歇方式通过隧道一端的大型真空密封门进入箱内，以同样的方式从另一端卸出。这样，隧道式干燥机就具有设备利用率高的优点，但不能同时生产不同的品种，且转换生产另一品种的灵活性小。2021/9/23 91l多箱间歇式半连续式设备n 多箱间歇式设备由一组干燥箱构成，每两箱的操作周期互相交错。n 在同一系统中，各箱的加热板加热、低温冷凝器制冷以及真空抽气均利用同一个集
44、中系统，但每箱可单独控制。n 这种装置也可用于同时生产不同的品种，提高了设备操作的灵活性。2021/9/23 922021/9/23 93（三）连续式冷冻干燥系统l 连续式冷冻干燥装置的关键l 进料输送及加热部件l 连续式冷冻干燥装置举例l 特点2021/9/23 94l 进料输送及加热部件n 在室外单体冻结的小颗粒状物料，可以利用闭风阀，送入冻干室。n 物料进入冻干室后在输送器传送过程中得到升华干燥，最后干燥产品也通过闭风阀出料。n 连续式冻干室内的物料输送装置可以是水平向输送的钢带输送机，也可以是上下输送的转盘式输送装置。n 加热板元件应根据具体的输送装置而设置，以使物料得到均匀的加热。2
45、021/9/23 95l 连续式冷冻干燥装置的关键n 连续式冷冻干燥装置的关键是在不影响干燥室工作环境条件下连续地进出物料。n 根据物料状态不同可有多种实现冻干箱连续进出物料的方式。n 连续式冷冻干燥装置一般均采用室外预冷冻(除了前面所提到的用于液体物料的喷雾冷冻连续冻干方式以外)。2021/9/23 96l 连续式冷冻干燥装置的特点n优点：处理能力大，适合单品种生产；设备利用率高；便于实现生产的自动化；劳动强度低。n缺点：不适合多品种小批量的生产；在干燥的不同阶段，虽可控制不同的温度，但不能控制不同真空度；设备复杂、庞大，制造精度要求高，投资费用大。2021/9/23 97n 预冻好的原料装
46、在浅盘上，通过空气锁连续地送入冻干室内，冻干好的物料也通过空气锁连续地将料盘送出。n 干燥过程l 连续式冷冻干燥装置2021/9/23 98n 干燥过程干燥过程大致为：u装有适当厚度预冻制品的料盘从预冻间被送至干燥机入口，通过空气锁进入干燥室内的料盘升降器，每进入一盘，料盘就向上提升一层。u等进入的料盘填满升降器盘架后，由水平向推送机构将新装入料盘一次性向前移动一个盘位。u这些料盘同时又推动加热板间的其它料盘向前移动，干燥室内另一端的料盘就被推出到出口端升降器。u出口端升降器以类似方式逐一将料盘下降，再通过出口空气锁送出室外。u室外的料盘也是连续输送的。装有干燥产品的料盘由输送链送至卸料机，卸料后的空盘再通过水平和垂直输送装置送到装料工位。如此周而复始，实现连续生产。2021/9/23 99