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1、第三讲第三讲 现代干燥技术与现代干燥技术与设备（设备（2 2）现代干燥技术与设备现代干燥技术与设备l喷雾干燥l脉冲燃烧干燥l真空冷冻干燥3.1 喷雾干燥喷雾干燥l喷雾干燥是采用雾化器将原料液分散为雾滴，并用热气体（空气、氮气或过热水蒸气）干燥雾滴而获得产品的一种干燥方法l原料液可以是溶液、乳浊液、悬浮液，也可以是熔融液或膏糊液l干燥产品根据需要可制成粉状、颗粒状、空心球或团粒状3.1.1 液体的雾化液体的雾化l将料液分散为雾滴的雾化器是喷雾干燥的关键部件，目前常用的有3种雾化器（1）气流式雾化器 采用压缩空气或蒸汽以很高的速度（300m/s）从喷嘴喷出，靠气液两相间的速度差所产生的摩擦力，使料
2、液分裂为雾滴3.1.1 液体的雾化液体的雾化（2）压力式雾化器 用高压泵使液体获得高压，高压液体通过喷嘴时，将压力能转变为动能而高速喷出时分散为雾滴（3）旋转式雾化器 料液在高速转盘（圆周速度90160m/s）中受离心力作用从盘边缘甩出而雾化3.1.2 喷雾干燥流程喷雾干燥流程 喷雾干燥是使液态物料经过喷嘴雾化成微细的雾状液滴，在干燥设备内与热介质接触，被干燥成为粉料的热力过程。进料可以是溶液、悬浮液或糊状物，雾化可以通过旋转式雾化器、压力式雾化喷嘴和气流式雾化喷嘴实现，操作条件和干燥设备的设计可根据产品所需的干燥特性和粉粒的规格选择。（1）喷雾干燥的典型流程）喷雾干燥的典型流程 1-料罐；料
3、罐；2-过滤器；过滤器；3-泵；泵；4-雾化器；雾化器；5-空气加热器；空气加热器；6-鼓风机；鼓风机；7-空气分布器；空气分布器；8-干燥室；干燥室；9-旋风分离器；旋风分离器；10-排风机；排风机；11-过滤器过滤器（2）闭路循环喷雾干燥系统）闭路循环喷雾干燥系统1-喷雾干燥器；喷雾干燥器；2-旋风分离器；旋风分离器；3-料罐；料罐；4-排风机；排风机；5-湿式湿式洗涤器；洗涤器；6-洗涤器冷却系统；洗涤器冷却系统；7-鼓风机；鼓风机；8-加热器加热器 采用闭路循环干燥系统条件采用闭路循环干燥系统条件有下列情况之一者应采用闭路循环干燥系统：（a）固体中含有机溶剂需要回收或与空气接触可能产生
4、燃烧或爆炸危险（b）干燥有毒、有臭味的产品（c）粉尘在空气中会形成爆炸混合物（d）成品避免和氧接触，否则会发生氧化而影响产品质量 闭路循环干燥系统主要特点闭路循环干燥系统主要特点l用惰性气体（通常用N2气）作干燥介质l设置一洗涤冷凝器，以冷凝回收的有机溶剂蒸气及洗涤除去气体中的粉尘，防止堵塞加热器l整个系统在正压下操作要防止泄漏（3）自惰化喷雾干燥系统）自惰化喷雾干燥系统特点：具有一个直接燃烧的加热器，干燥介质是周围的空气，加热器的作用是加热再循环气体达到干燥器入口温度，并由于燃烧而构成低氧含量的干燥气体 1-干燥塔；干燥塔；2-旋风分离器；旋风分离器；3-风机；风机；4-冷冷凝洗涤器；凝洗涤
5、器；5-循环泵；循环泵；6-冷却器；冷却器；7-风机；风机；8-加热器；加热器；9-风机；风机；10-空气过滤器空气过滤器（4）二级或三级干燥法）二级或三级干燥法l第一级为喷雾干燥，在干燥塔底设置第二级干燥振动流化床或普通流化床干燥，尚未完全干燥的喷雾干燥产品进入流化床继续干燥并冷却，可直接包装。l奶粉二级干燥的流程图奶粉二级干燥的流程图l1-空气过滤器；空气过滤器；2-加热器；加热器；3-冷却器；冷却器；4-喷喷雾干燥器；雾干燥器；5-旋风分离器；旋风分离器；6-排风机；排风机；7-振动流化床干燥器；振动流化床干燥器；8-细粉尘返回管线细粉尘返回管线 3.1.3 喷雾干燥的优点喷雾干燥的优点
6、（1）由于雾滴群的表面积很大，物料所需的干燥时间很短（以秒计）；（2）在高温气流中，表面润湿的物料温度不超过干燥介质的湿球温度，由于迅速干燥，最终的产品温度也不高。因此，喷雾干燥特别适用于热敏性物料；（3）根据喷雾干燥操作上的灵活性，可以满足各种产品的质量指标，例如粒度分布、产品形状、产品性质等；（4）简化工艺流程。在干燥塔内可直接将溶液制成粉末产品。3.1.4 喷雾干燥的缺点喷雾干燥的缺点（1）当空气温度低于150时，容积传热系数较低（23116W/（m3K），所用设备容积大（2）对气固混合物的分离要求较高，一般需两级除尘（3）热效率不高，一般顺流塔型为30%50%，逆流塔型为50%75%3
7、.1.5 喷雾干燥的应用喷雾干燥的应用-奶粉奶粉3.2 脉冲燃烧干燥脉冲燃烧干燥l“脉冲燃烧”是指燃料（固态、液态或气态）间断性燃烧过程，而普通燃烧炉是连续性燃烧的。l这种间断性的燃烧过程，所产生的燃气流的速度和压力急剧上升当达到一定程度时，温度波便从燃烧室通过尾管传播到应用装置或操作室。l由于传递的动量具有振荡特性，脉冲燃烧提高了热质传递速率，极大地强化了诸如热力干燥等生产过程。l脉冲燃烧脉冲燃烧原理原理图（实心箭头为燃料空心箭头为空气）3.2.1 原理简述原理简述l当空气、燃料以气流或雾化液滴的形式进入燃烧室，形成爆炸混合物，接着被火花塞点燃，随之便发生急剧燃烧脉冲燃烧过程便开始了。l这时
8、，空气及燃料的进口在操作阀或气力作用下处于关闭状态；燃烧产生的压力使燃烧产物通过尾管进入操作室。在烟道气排出燃烧室的过程中，由于燃气动量方向向外，从而导致燃烧室内的压力降低。l只要燃烧所产生的压力增值大于因燃气外流产生的压力降，燃烧的产物向外流动便持续进行；当燃烧产生的压力低于燃气外流产生的压力降（即燃烧室压力低于平均压力）时，由于惯性，燃烧产物的流动仍持续1/4周期。3.2.1 原理简述原理简述l当燃烧室压力达极小值时，滞留于尾管中的前一循环的一部分热烟道气进入燃烧室，与吸入的新鲜空气、燃料相接触后发生燃烧；空气和燃料的混合物也可能是因为与燃烧器壁的“热点”相接触而发生燃烧的。l此后火花塞及
9、鼓风机便停止工作，该燃烧过程以一定的频率无限循环。3.2.2 脉冲燃烧优点脉冲燃烧优点l与连续式燃烧相比：（1）提高热质传递速率25倍（2）提高燃烧强度达10倍（3）燃烧效率高（额外空气量消耗少）（4）污染物（尤其是NOx、CO和灰分）约减少2/3（5）提高热效率40%之多（6）减少燃烧设备占地面积3.2.3 脉冲燃烧干燥应用脉冲燃烧干燥应用制药、食品等3.3 真空冷冻干燥真空冷冻干燥l真空冷冻干燥技术（简称冻干）是一门古老的现代技术，大约出现在1811年，当时用于生物体的脱水；l1813年美国人W.H.Wollaston发现水的饱和蒸气压与水的温度有关，在真空低温条件下，水容易汽化，水在汽化
10、时将导致温度的降低；l现在可用于人体器官的保存、航天飞机用的超轻隔热陶瓷 、纳米级超细微粉材料的制备等。3.3.1 冷冻干燥原理冷冻干燥原理l冷冻干燥的第一步是在普通的冷冻设备中对物料进行冷冻。小块物料采用快速冷冻形成小冰晶，从而降低对物料细胞结构的破坏程度。液态物料则采用慢速冷冻，已形成水分的运动提供通道的冰晶晶格。l第二步是在接下来的干燥过程中除掉物料中的水分，达到干燥的目的。3.3.2 真空冷冻干燥原理真空冷冻干燥原理l冰在一定温度下的饱和蒸汽压大于环境的水蒸气分压是即可开始升华；l气体分子在两次连续碰撞之间所走距离称为平均自由程，它与压力成反比。在常压下，其值很小，升华的水分子很容易与
11、气体碰撞又返回到蒸汽源表面，因而升华速度很慢。随着压力降低13.3Pa以下，平均自由程增大105倍，形成定向的蒸汽流。l真空泵在冻干机中起着抽除永久气体的作用，以维护升华所必需的低压强。1g水蒸汽在常压下为1.25L，而在13.3Pa时却膨胀为10000L。3.3.3 真空冷冻干燥的特点真空冷冻干燥的特点（1）物料在低压下干燥l物料中的易氧化成分不致氧化变质，同时因低压缺氧，能灭菌或抑制某些细菌的活力（2）物料在低温下干燥l物料中的热敏成分能保留下来，营养成分和风味损失很少，可以最大限度地保留食品原有成分、味道、色泽和芳香（3）固体骨架基本保持不变l干制品不失原有的固体结构，保持着原有形状。多
12、孔结构的制品具有很理想的速溶性和快速复水性真空冷冻干燥过程物料状态变化真空冷冻干燥过程物料状态变化（4）避免表面硬化现象 l水分在预冻以后以冰晶的形态存在，原来溶于水中的无机盐之类的溶解物质被均匀分配在物料之中。升华时溶于水中的溶解物质就地析出（5）脱水彻底，重量轻，适合长途运输和长期保存，在常温下，采用真空包装，保质期可达35年3.3.4 真空冷冻干燥的用途真空冷冻干燥的用途-制药制药l（1）冻干技术在生物制品方面的应用 l（a）活菌菌苗。例如卡介苗、流脑菌苗、结核菌苗、口服痢疾活菌苗、沙门氏菌（Salmonell）、志贺氏菌（Shigella）、链球菌（Streplococcus）等等。l
13、（b）活毒疫苗。例如麻疹疫苗、流感疫苗、黄热疫苗、狂犬疫苗、鸡瘟疫苗等。l（c）其他生物制品、生化药品。例如乙型肝炎表面抗原诊断血球、人白细胞干扰素、辅酶A、三磷酸腺苷（ATP）、尿激酶、转移因子等。3.3.4 真空冷冻干燥的用途真空冷冻干燥的用途-制药制药l（2）冻干技术在西药生产中的应用l多为针剂，以抗生素药、循环器官用药、中枢神经用药、维生素类和肿瘤用药为多。例如安苄青霉素钠、链霉素、利菌沙等 l（3）冻干技术在中药生产方面的应用l近几年开始用冻干法加工中成药，将配制好的中成药，经过浸渍、提取、过滤、浓缩、冻干后再制成粉、片或针剂，解决了吃汤药和中药治急病见效慢的问题 3.3.4 真空冷
14、冻干燥的用途真空冷冻干燥的用途-医疗医疗l利用冻干技术可以长期保存血液、动脉、骨骼、皮肤、角膜和神经组织等各种器官。冻干时体细胞未被破坏，生物体保存时仍有生命力，如果再复水，生物体又能复活l例如，冻干骨骼可以贮存在室温或冰箱中长达2年 3.3.4 真空冷冻干燥的用途真空冷冻干燥的用途-食品食品l已经采用冻干法加工的食品l（a）烹饪原料：肉、蛋、鱼、蔬菜等l（b）食品工业用原料：奶粉、蛋粉、植物蛋白粉、茶叶、干果粉、肉粉、豆粉等l（c）饮料类：咖啡、菓珍等l（d）补品类：鳖粉、花粉、蜂雏粉等 l正在用冻干法开发的食品l（a）新型方便食品。填加冻干法生产的维生素、大豆粉或花生粉等，以保证营养成分l（b）粉末蔬菜及颗粒蔬菜 3.3.4 真空冷冻干燥的用途真空冷冻干燥的用途-其它其它l（1）冻干技术在材料科学方面的应用利用冻干法可制备各种超细微粉（亦称纳米级微粉），粒径一般在10-610-9m。例如阿波罗号飞船所用的燃料电池掺锂的NiO氧电极就是用冻干法制成的l（2）动植物标本的冻干l（3）实验动物尸体的冻干l（4）冻干用于水淹古旧书画的复原真空冷冻干燥机真空冷冻干燥机思考：思考：l何谓脉冲燃烧干燥的脉冲过程？l如何提高喷雾干燥的效率？第三讲 现代干燥技术与设备（2）