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第十二章 干燥设备教学目的和要求教学目的和要求：了解生物工业常用的干燥方法和特点，掌握喷雾干燥的设备重点和难点：重点和难点：生物工业常用的常温干燥设备和喷雾干燥设备。讲授内容讲授内容第一节第一节 概述概述第二节第二节 非绝热干燥设备非绝热干燥设备第三节第三节 绝热干燥设备绝热干燥设备思考题：思考题：1.解释概念：解释概念：喷雾干燥、喷矩、最大喷距喷雾干燥、喷矩、最大喷距半径、容积干燥强度、干燥速度半径、容积干燥强度、干燥速度。2.喷雾干燥设备的分类喷雾干燥设备的分类？3.离心喷雾干燥的特点离心喷雾干燥的特点？第一节第一节 概述概述 生物产品中，最终产品为固体产品的一般都需要进行干燥，经干燥后，产品的最终水分达到产品指标的要求(主要便于保藏贮存)，干燥技术是产品生产的最后工序，干燥方法的选择对产品质量影响很大。一、生物工业常用的干燥方法 二、生物工业干燥的特点 三、干燥设备选型的原则一、生物工业常用的干燥方法一、生物工业常用的干燥方法空气干燥空气干燥冷冻干燥冷冻干燥真空干燥真空干燥微波干燥微波干燥固定床干燥固定床干燥 麦芽干燥塔麦芽干燥塔喷雾干燥喷雾干燥 压力式压力式 气流式气流式 离心式离心式气流干燥气流干燥 直管直管 脉冲管脉冲管 旋风管旋风管沸腾干燥沸腾干燥 流化床流化床 沸腾造粒干燥塔沸腾造粒干燥塔热空气热空气加热热加热热源源,同同时湿载时湿载体体物料冷冻成冰，在高真空下冰升物料冷冻成冰，在高真空下冰升华成蒸汽去除方法。保持原有的华成蒸汽去除方法。保持原有的物质特性，成本高。物质特性，成本高。利用加热面提供热量，空气带走蒸利用加热面提供热量，空气带走蒸发的水分。箱式发的水分。箱式 带式带式 耙式耙式利用电磁场的作用利用电磁场的作用,使物料中极性分使物料中极性分子产生震动子产生震动,震动的能量使被干燥中震动的能量使被干燥中的物料发热达到使水分汽化除去的物料发热达到使水分汽化除去。生物工业产品一般为生物工业产品一般为热敏性热敏性的物质，物的物质，物料在干燥过程中受高温或受热时间过长，都料在干燥过程中受高温或受热时间过长，都会影响产品的稳定性和使产品受到某种程度会影响产品的稳定性和使产品受到某种程度的破坏。因此要求干燥设备的破坏。因此要求干燥设备 快速高效，干燥快速高效，干燥温度不能过高，干燥时间不能太长，产品纯温度不能过高，干燥时间不能太长，产品纯度不能受到影响，有时甚至要求不能有杂菌度不能受到影响，有时甚至要求不能有杂菌染染(浸浸)入。有活性物质要求的，必须使活性物入。有活性物质要求的，必须使活性物质损失最少。质损失最少。二、生物工业干燥的特点二、生物工业干燥的特点:三、干燥设备选型的原则三、干燥设备选型的原则对热敏性物质对热敏性物质 两类设备两类设备 低温干燥设备低温干燥设备 真空、冷冻真空、冷冻瞬间干燥设备瞬间干燥设备 喷雾、气流、沸腾喷雾、气流、沸腾选型的原则选型的原则 1.必须满足行业管理法规的要求；必须满足行业管理法规的要求；2.满足产品质量的要求；满足产品质量的要求；3.满足产品纯度的要求满足产品纯度的要求;4.根据物料的特性根据物料的特性;5.考虑产量和劳动条件。考虑产量和劳动条件。第二节第二节 非绝热干燥设备非绝热干燥设备干燥速度干燥速度：单位时间内于单位干燥面单位时间内于单位干燥面积上所能汽化的水分量。积上所能汽化的水分量。根据干燥物料中水分除去的难易程度根据干燥物料中水分除去的难易程度水分游离 水分结合水分游离水分游离水分：存在于产品细胞外及多孔物料的毛细管存在于产品细胞外及多孔物料的毛细管中能在物料中流动，与物料结合弱，活度近似为中能在物料中流动，与物料结合弱，活度近似为1。结合水分结合水分：与物料结合较强，水分活度小于与物料结合较强，水分活度小于1，不，不能在物料中流动，需要更高的汽化潜热能在物料中流动，需要更高的汽化潜热。一、常压干燥设备一、常压干燥设备麦芽干燥塔麦芽干燥塔二、真空干燥设备二、真空干燥设备一、常压干燥设备一、常压干燥设备麦芽干燥塔麦芽干燥塔干燥的目的和要求干燥的目的和要求 干燥目的：将绿麦芽水分由将绿麦芽水分由4245%减少到约减少到约3.5%，停止大麦芽的生长和酶，停止大麦芽的生长和酶的作用，同时需保存酶的活性，以利贮的作用，同时需保存酶的活性，以利贮藏；使麦根易于脱落；除去绿麦芽的生藏；使麦根易于脱落；除去绿麦芽的生腥味，生成麦芽特有的色香味。腥味，生成麦芽特有的色香味。干燥过程分两个阶段：干燥过程分两个阶段：等速干燥阶段：等速干燥阶段：降速干燥：降速干燥：萎凋阶段：水分由萎凋阶段：水分由45%810%；为表面为表面 汽化控制；宜采用低温、大空汽化控制；宜采用低温、大空气流量操作，除去大部分的水分。气流量操作，除去大部分的水分。内部扩散控制，脱水缓慢，升温不能太内部扩散控制，脱水缓慢，升温不能太高太快，否则易形成玻璃质粒。最后数高太快，否则易形成玻璃质粒。最后数小时将温度慢慢升高到规定的焙焦温度小时将温度慢慢升高到规定的焙焦温度8085，增加麦芽的色香味。，增加麦芽的色香味。二、麦芽干燥塔类型、结构与操作二、麦芽干燥塔类型、结构与操作水平式烘床水平式烘床垂直烘床垂直烘床一层一层 单层高效圆柱型单层高效圆柱型二层二层 矩形矩形三层三层单层高效麦芽干燥塔的结构与操作单层高效麦芽干燥塔的结构与操作 结构一般为圆形，砖混结构，装置如图结构一般为圆形，砖混结构，装置如图烘床开孔率烘床开孔率20%40%，干燥室高度干燥室高度6m以上，以上，水分水分10%以下循环风，节热以下循环风，节热 30%，每烘焙周期每烘焙周期1m2烘床的麦芽产量烘床的麦芽产量 225300kg烘焙周期烘焙周期 1622h绿麦层高度绿麦层高度 0.801.5m烘焙烘焙l00kg麦芽的耗热量麦芽的耗热量 (2.742)104kJ烘床下空气压头烘床下空气压头 装入绿麦芽：装入绿麦芽：6l0kPa(0.661.0mH2O)千燥后期千燥后期 23kPa(0.200.3mH2O)报道单层水平式高效麦芽干燥塔技报道单层水平式高效麦芽干燥塔技术指标如下：术指标如下：例如：国内某啤酒厂采用单层高效干燥塔。塔例如：国内某啤酒厂采用单层高效干燥塔。塔径径13m，床层面积床层面积132m2，装入绿麦芽含水量装入绿麦芽含水量44，层厚，层厚1.2m，质量质量71.6t，体积体积156m3，两台风两台风机供热风干燥，风量为机供热风干燥，风量为2Xl05m3/h，空气由翅片式空气由翅片式蒸汽加热器预热，空气温度通过调节加热器蒸汽阀蒸汽加热器预热，空气温度通过调节加热器蒸汽阀开度和新鲜空气量控制。干燥中后期，采用部分或开度和新鲜空气量控制。干燥中后期，采用部分或大部分废气循环，降低热能耗。麦芽干燥后，通风大部分废气循环，降低热能耗。麦芽干燥后，通风l2h，手动打开床层上出料活动蓖板。用刮板将手动打开床层上出料活动蓖板。用刮板将麦芽卸出，再由斗式提升机送入干麦芽高位槽，全麦芽卸出，再由斗式提升机送入干麦芽高位槽，全部干燥时间为部干燥时间为21h，干燥后的麦芽含水量干燥后的麦芽含水量4，麦，麦芽质量芽质量41.7t体积体积84m3，干麦层厚度干麦层厚度0.64m，除除根后可得成品麦芽根后可得成品麦芽40t，体积体积80m3。操作条件 1.通风机通风机 2.新鲜空气室新鲜空气室 3.炉炉 4.循环热空气循环热空气 5.湿空气排除出口湿空气排除出口 6.风门风门 7.螺旋输送器螺旋输送器 8.麦芽分配器麦芽分配器 9.自动卸载烘床自动卸载烘床 10.斗式提升机斗式提升机11.料斗料斗 12.热空气热空气 13.出料螺旋输送器出料螺旋输送器13单层水平式流化干燥塔单层水平式流化干燥塔1.生产能力生产能力单层高效干燥塔的设计计算单层高效干燥塔的设计计算G干燥能力干燥能力24h，kg/d h烘床绿麦层高度，烘床绿麦层高度，m V2 每吨大麦产干麦芽量每吨大麦产干麦芽量m3/t，一般一般1.42 V1 每吨大麦产绿麦芽量每吨大麦产绿麦芽量m3/t，一一般般3.2 干麦芽比容干麦芽比容kg/m3 550 A 烘床面积烘床面积m2代入可得代入可得式中式中 L 每每h所需绝干空气量所需绝干空气量 kg/h W 每每h蒸发水分蒸发水分 kg/h xe 离开绿麦层空气湿含量离开绿麦层空气湿含量 kgH2O/(kg干气干气)xo 进入绿麦层空气湿含量进入绿麦层空气湿含量 kgH2O/(kg干气干气)x 空气在绿麦层的湿含量空气在绿麦层的湿含量 kgH2O/(kg干气干气)k 蒸发系数蒸发系数 kgH2O/(h.m2.x)xg空气离开麦层温度下的饱和湿含量空气离开麦层温度下的饱和湿含量kgH2O/(kg干气干气)A 蒸发表面积蒸发表面积m2 对麦层干燥对麦层干燥k A随时在发生变化随时在发生变化,1h内可看作恒定内可看作恒定 2.空气耗量空气耗量 干燥初期最大干燥初期最大 水分降到水分降到10%以下不适用以下不适用一般每百一般每百kg麦芽需空气麦芽需空气8001200m3/h Q 空气在加热气吸收的热量空气在加热气吸收的热量,kJ/h;Q1 空气在第一小时内带走的热量空气在第一小时内带走的热量,kJ/h;Q2 麦芽在第一小时内吸收的热量麦芽在第一小时内吸收的热量,kJ/h;Q3 干燥塔热损失干燥塔热损失,kJ/h;据测定干燥塔热损据测定干燥塔热损 2090kJ/(100kg干麦芽干麦芽d)3.热量消耗热量消耗Q=Q1+Q2+Q3每生产每生产100kg干麦芽一般干麦芽一般5.7105kJ 最佳最佳3.77 105kJ 最坏最坏7.7105kJ p空气通过麦芽层时的压力降空气通过麦芽层时的压力降 Pa，H麦芽层厚度，麦芽层厚度，m；空气流速空气流速m/s.加热器传热面积加热器传热面积对翅片对翅片 k165kJ/(m2h)4.压力损失计算压力损失计算 当麦层高当麦层高0.31.5m,空气流速空气流速0.31.5m/s，可由下式计算可由下式计算:一般由密闭干燥室、冷凝器和真空泵组成一般由密闭干燥室、冷凝器和真空泵组成常用的有：常用的有：1.真空箱式干燥器、真空箱式干燥器、2.带式真空干燥器、带式真空干燥器、3.耙式真空干燥器耙式真空干燥器二、真空干燥设备二、真空干燥设备1.加热滚筒加热滚筒 2.真空室真空室 3.冷却滚筒冷却滚筒 4.制品出口制品出口5.原料进口原料进口 6.不锈钢带不锈钢带7.辐射加热器辐射加热器 8.至真空系统至真空系统 喷雾干燥原理及设备喷雾干燥原理及设备 气流干燥原理及设备气流干燥原理及设备 流化床干流化床干燥燥原理及设备原理及设备 冷冻干燥原理及设备冷冻干燥原理及设备一、喷雾干燥原理及特点一、喷雾干燥原理及特点二、喷雾干燥设备二、喷雾干燥设备第三节第三节 绝热真空干燥设备绝热真空干燥设备喷雾干燥喷雾干燥：利用不同的喷雾器，将悬浮液或黏利用不同的喷雾器，将悬浮液或黏滞的液体喷成雾状，与热空气之间发生热量和滞的液体喷成雾状，与热空气之间发生热量和质量传递而进行干燥的过程。质量传递而进行干燥的过程。喷矩：喷矩：在某一半径的圆周内，有在某一半径的圆周内，有90909595液液滴下落，不再具有水平速度，这个半径距离即滴下落，不再具有水平速度，这个半径距离即称喷矩。称喷矩。最大喷距半径最大喷距半径：指指99%99%的雾滴降落至离心喷雾的雾滴降落至离心喷雾器下方器下方7.62cm7.62cm处的喷雾截面半径。处的喷雾截面半径。rmaxrmax 容积干燥强度：容积干燥强度：指干燥室内指干燥室内1m1m3 3空间在空间在1h1h内能内能够干燥的水分量够干燥的水分量kgkg。AvAv喷雾干燥原理及喷雾干燥原理及特点特点 原理：原理：利用不同的喷雾器，将料液体喷成极细的雾滴，具有很大的比表面积，与热空气发生热质交换，在几秒至几十秒内迅速排出水分干燥。特点特点1.干燥速度快、时间短干燥速度快、时间短，一般为一般为330s，2060m的雾滴，表面积的雾滴，表面积2005000m2/m3，极极易汽化干燥。易汽化干燥。2.干燥温度较低干燥温度较低。由于雾滴中含有大量水分，表面由于雾滴中含有大量水分，表面温度不超过空气的湿球温度，一般为温度不超过空气的湿球温度，一般为5060，物料停留时间短，最终温度不太高，非常适合物料停留时间短，最终温度不太高，非常适合热敏性物料的干燥。热敏性物料的干燥。3.制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。制品具有良好的分散性和溶解性，成品纯度高。4.喷雾干燥的容积干燥强度小，干燥室体积大，喷雾干燥的容积干燥强度小，干燥室体积大，热量消耗多热量消耗多，一般蒸发一般蒸发1kg水分约需水分约需6000kJ热热量，相当量，相当2.53.5kg的蒸汽。的蒸汽。二、喷雾干燥设备二、喷雾干燥设备 关键 料液的雾化 根据不同的雾化器分为根据不同的雾化器分为压力、气流、离心压力、气流、离心 1.压力式机械喷雾干燥压力式机械喷雾干燥 不常采用不常采用 利用高压往复泵，利用高压往复泵，以以520MPa的压力从的压力从0.51.5mm的喷孔喷出，分散成的喷孔喷出，分散成50150m的的液滴液滴 2.气流喷雾干燥气流喷雾干燥 依靠压力依靠压力0.250.6MPa压缩空气高速通过压缩空气高速通过喷嘴将料液吸入雾化。喷嘴孔径喷嘴将料液吸入雾化。喷嘴孔径14mm，能能处理粘性料液。处理粘性料液。蛋白酶、核苷酸蛋白酶、核苷酸气流喷雾干燥塔结构气流喷雾干燥塔结构径高比径高比1：2.43直径与锥高比直径与锥高比1：1.31.6空塔气速空塔气速0.150.2m/s回风管空气流速回风管空气流速1012m/s材料不锈钢板材料不锈钢板1mm气流喷雾器气流喷雾器 两种形式两种形式内部混合式内部混合式 喷嘴内混合喷嘴内混合 常用内部混合式常用内部混合式 a双流式喷嘴双流式喷嘴 b三流式喷嘴三流式喷嘴分配盘形式分配盘形式 旋风扩散式旋风扩散式 叶片旋风式叶片旋风式 如下图如下图30个叶片个叶片 与水平呈与水平呈30o角角 利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予料液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而干燥的过程。酶制剂作用形成细雾而干燥的过程。酶制剂 塔顶有热风盘、塔内：离心喷雾机塔顶有热风盘、塔内：离心喷雾机(喷盘喷盘)等等 离心喷雾机转速离心喷雾机转速72757363r/min，最低线速度最低线速度100m/s是成雾的临界速度是成雾的临界速度 定型产品有定型产品有150L，500L，1000L/h 根据喷矩概念根据喷矩概念90以上液滴下落，不具有以上液滴下落，不具有水平速度，水平速度，干燥塔半径大于喷距，一般液滴不干燥塔半径大于喷距，一般液滴不会碰壁。会碰壁。3.离心喷雾干燥离心喷雾干燥喷盘形式：平板形、皿形、碗形、多翼形喷盘形式：平板形、皿形、碗形、多翼形、喷枪形、圆帽形喷枪形、圆帽形 热风盘热风盘作用热风分配均匀作用热风分配均匀进口风速进口风速610m/s出口风速出口风速812m/s离心喷雾干燥器直径计算方法有两种：离心喷雾干燥器直径计算方法有两种：a.根据喷距半径确定塔径根据喷距半径确定塔径：D=2.25rmax D 干燥塔塔径，干燥塔塔径，m rmax 最大喷距半径，最大喷距半径，mb.通过干燥强度计算：通过干燥强度计算：Q 喷雾干燥室蒸发量喷雾干燥室蒸发量 kg/h Av容积干燥强度容积干燥强度 kg/(m3.h)影响容积干燥强度因素很多，与喷雾分散度、影响容积干燥强度因素很多，与喷雾分散度、干燥室内空气流动情况、被干燥物质的性质及干燥干燥室内空气流动情况、被干燥物质的性质及干燥介质温度有关。根据经验，进风温度介质温度有关。根据经验，进风温度T1越高，体积越高，体积干燥强度越大，关系如图干燥强度越大，关系如图 进风温度进风温度100120130 140 150 160体积干燥强度体积干燥强度Kg/(m3.h)2.02.42.8 3.2 3.6 5.0写成经验公式：写成经验公式：Av=0.03T1-1塔干燥室的高度和直径塔干燥室的高度和直径塔径大小塔径大小:保证保证料液干燥之前不能碰上塔壁。燥塔的高度必须保证燥塔的高度必须保证：料液干燥之前不致沉降于塔底料液干燥之前不致沉降于塔底。塔体圆柱部分高度塔体圆柱部分高度 HD常取常取H=0.51.0D 圆锥部分的高度圆锥部分的高度h 根据塔径和采用的锥角进行计算，锥角根据塔径和采用的锥角进行计算，锥角小于物料的休止角才能及时将产品卸出，小于物料的休止角才能及时将产品卸出，一般为一般为60o或者或者 hD设备的制作与安装设备庞大，运输不便，需要现场制作，如何进行？先建厂房？先制作设备？找出解决的方案。