第八章 干燥.ppt

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1、食品工程原理食品工程原理 课程号：课程号：66141303-01 班班 级：级：生物生物2010 教教 师：师：郎中敏郎中敏 闭卷考试：闭卷考试：平时成绩占平时成绩占20%卷面成绩占卷面成绩占80%平时成绩平时成绩=出勤出勤+作业作业使用教材食品工程原理考核方法 中国农业出版社，杨同舟主编中国农业出版社，杨同舟主编 重点：空气的焓湿图、干燥机理、干燥重点：空气的焓湿图、干燥机理、干燥 曲线、干燥时间的计算；曲线、干燥时间的计算；难点：空气的焓湿图、干燥机理；难点：空气的焓湿图、干燥机理；第八章第八章 物料干燥物料干燥q干燥干燥：是利用热能是利用热能除去物料中的水分或其它溶剂（统称为除去物料中的

2、水分或其它溶剂（统称为湿分），湿分），从而获得固体产品的操作从而获得固体产品的操作。q去湿的方法（按作用原理分为）去湿的方法（按作用原理分为）：机械去湿法：即通过过滤、压榨、沉降和离心分离等机械方机械去湿法：即通过过滤、压榨、沉降和离心分离等机械方法除去湿分。该法脱水快且节省费用，但去湿程度不高。如离法除去湿分。该法脱水快且节省费用，但去湿程度不高。如离心过滤后水分含量仍达心过滤后水分含量仍达5%-10%，板框压滤后物料一般含水，板框压滤后物料一般含水 50%-60%.物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙、分物理化学去湿法：用吸湿性物料如石灰、无水氯化钙、分8.1 干燥的目的和方法干

3、燥的目的和方法 1.1.物料去湿物料去湿：从物料中除去湿分的操作。食品物料中的从物料中除去湿分的操作。食品物料中的湿分主要是水分，故本章内的湿分以水分为代表湿分主要是水分，故本章内的湿分以水分为代表。子筛等吸子筛等吸收水分。该法费用高，操作麻烦，只适用于收水分。该法费用高，操作麻烦，只适用于小批量固体物料的去湿，或用于除去气体中的水分。小批量固体物料的去湿，或用于除去气体中的水分。热能去湿法：用热使物料中的水分汽化去除，如蒸发、干热能去湿法：用热使物料中的水分汽化去除，如蒸发、干燥等。燥等。用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排除，

4、藉此来除去固体物料中湿分的操作，称为除，藉此来除去固体物料中湿分的操作，称为固体的干燥固体的干燥。2.干燥的目的干燥的目的 延长食品货架期延长食品货架期 通过干燥降低食品中的水分活度，使引起通过干燥降低食品中的水分活度，使引起食品腐败变质的微生物难以生长繁殖，使促进食品发生不良化食品腐败变质的微生物难以生长繁殖，使促进食品发生不良化学反应的酶类钝化失效，从而延长食品的货架期，达到安全保学反应的酶类钝化失效，从而延长食品的货架期，达到安全保藏的目的。藏的目的。便于贮运便于贮运 干燥去除水分，使食品物料减轻重量和缩干燥去除水分，使食品物料减轻重量和缩小体积，可以节省包装、运输和仓储费用。小体积，可

5、以节省包装、运输和仓储费用。加工工艺的需要加工工艺的需要 如烘烤面包、饼干及茶叶干燥不仅在制如烘烤面包、饼干及茶叶干燥不仅在制造过程中除去水分，而且还具有形成产品特有的色、香、造过程中除去水分，而且还具有形成产品特有的色、香、味和形状的作用。味和形状的作用。3.3.干燥的方法干燥的方法q干燥过程的分类干燥过程的分类 按操作压力：常压干燥、真空干燥。按操作压力：常压干燥、真空干燥。真空干燥适于处理热真空干燥适于处理热敏性及易氧化的物料，或要求成品中含湿量低的场合。敏性及易氧化的物料，或要求成品中含湿量低的场合。按操作方式：连续式干燥、间歇式干燥。按操作方式：连续式干燥、间歇式干燥。连续操作具有生

6、连续操作具有生产能力大、产品质量均匀、热效率高以及劳动条件好等产能力大、产品质量均匀、热效率高以及劳动条件好等 传传导导干干燥燥 热热能能通通过过传传热热壁壁面面以以传传导导方方式式传传给给物物料料，物物料料中中的的湿湿分分被被汽汽化化带带走走，或或用用真真空空泵泵排排走走。例例如如纸纸制制品品可可以以铺铺在在热热滚滚筒筒上上进进行行干干燥燥。在在传传到到干干燥燥过过程程中中，热热量量是是从从热热表表面面穿穿过过湿湿物物料料的的，所所以以热热效效率率高高。在在操操作作中中，应应注注意意避免与热壁面接触的物料层因过高温度而变质。避免与热壁面接触的物料层因过高温度而变质。按传热方式：传导干燥、对流

7、干燥、辐射干燥。辐射干燥按传热方式：传导干燥、对流干燥、辐射干燥。辐射干燥按传热机理不同又分为：红外线干燥和微波干燥（按传热机理不同又分为：红外线干燥和微波干燥（介电加热介电加热干燥干燥）。）。优点；间歇操作适用于处理小批量、多品种要求干燥优点；间歇操作适用于处理小批量、多品种要求干燥时间较长的物料。时间较长的物料。对流干燥对流干燥 使干燥介质直接与湿物料接触，热能使干燥介质直接与湿物料接触，热能以对流方式加入物料，产生的蒸汽被干燥介质带走。以对流方式加入物料，产生的蒸汽被干燥介质带走。HtqWtippiM湿热气体流过湿物料的表面，物料表湿热气体流过湿物料的表面，物料表面温度低于气体温度面温度

8、低于气体温度;由于温差的存在，由于温差的存在，气体以对流方式向固体物料传热，使气体以对流方式向固体物料传热，使湿份汽化；在分压差的作用下，湿份湿份汽化；在分压差的作用下，湿份由物料表面向气流主体扩散，并被气由物料表面向气流主体扩散，并被气流带走。流带走。热能以热能以对流给热的方式对流给热的方式由热干燥介质由热干燥介质（通常热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化。物料内（通常热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化。物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸 汽从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥汽从表面扩散至干燥介质主体

9、，再由介质带走的干燥过程称为对流干燥。过程称为对流干燥。优点优点：受热均匀，所得产品的含水量均匀受热均匀，所得产品的含水量均匀。缺点缺点：热利用率低。热利用率低。q在工业上应用最普遍的是对流干燥。通常使用的干燥介质是空在工业上应用最普遍的是对流干燥。通常使用的干燥介质是空气，被除去的湿分是水分。空气既是载热体又是载湿体。气，被除去的湿分是水分。空气既是载热体又是载湿体。q物料的干燥过程是属于传热和传质相结合的过程。物料的干燥过程是属于传热和传质相结合的过程。q干燥过程进行的条件：被干燥物料表面所产生水汽（或其干燥过程进行的条件：被干燥物料表面所产生水汽（或其它蒸汽）的压力大于干燥介质中水汽（或

10、其它蒸汽）的分压，它蒸汽）的压力大于干燥介质中水汽（或其它蒸汽）的分压，压差越大，干燥过程进行越快。所以干燥介质须及时将汽化压差越大，干燥过程进行越快。所以干燥介质须及时将汽化的水汽带走，以保持一定的汽化水的推动力。的水汽带走，以保持一定的汽化水的推动力。对流干燥中，传热和传质同时发生传热和传质同时发生传热过程传热过程 干燥介质 Q湿物料表面 Q湿物料内部传质过程传质过程 湿物料内部湿分湿物料表面 湿分干燥介质 本章所论及的湿分为水分，干燥介质为热空气。本章所论及的湿分为水分，干燥介质为热空气。干燥过程热空气流过湿物料表面热量传递到湿物料表面湿物料表面水分汽化并被带走表面与内部出现水分浓度差内

11、部水分扩散到表面传热过程传热过程传质过程传质过程传质过程传质过程干燥过程推动力干燥过程推动力传质推动力：物料表面水分压传质推动力：物料表面水分压 热空气中的水分压热空气中的水分压传热推动力：热空气的温度传热推动力：热空气的温度 物料表面的温度物料表面的温度对流干燥过程实质对流干燥过程实质 辐射干燥辐射干燥 由辐射器产生的辐射能以电磁波形式由辐射器产生的辐射能以电磁波形式达到物体的表面，被物料吸收而重新变为热能，从达到物体的表面，被物料吸收而重新变为热能，从而使湿分气化。例如用红外线干燥法将自行车表面而使湿分气化。例如用红外线干燥法将自行车表面油漆烘干。油漆烘干。介电加热干燥介电加热干燥 将需干

12、燥的物料置于交频电场内，利用高将需干燥的物料置于交频电场内，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。优点优点：干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。：干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。缺点缺点：费用大。：费用大。8.2A 含水量含水量 物料中含水量的表示方法物料中含水量的表示方法 湿湿基基含含水水量量：湿湿物物料料中中所所含含水水分分的的质质量量与与湿湿物物料料质质量量之之比，即水分在湿物料中所占的质量分数。比，即水分在湿物料中所占的质量分数。干干基基含含水水量量：以以绝绝对对干干燥燥物物料料为为基基准准的的含含水水量量的的表表示示

13、法法，湿湿物物料料中中的的水水分分的的质质量量与与绝绝对对干干料料质质量量之之比比,称称为为湿湿物物料料的的干基含水量。干基含水量。8.2 8.2 湿物料中的水分湿物料中的水分 两种含水量之间的换算关系两种含水量之间的换算关系注：工业上常采用湿基含水量。注：工业上常采用湿基含水量。8.2B 水分活度水分活度 物料的含水量只是表示了物料中含水的多少，它不足以说物料的含水量只是表示了物料中含水的多少，它不足以说明水的功能水平。安全含水量的标准随产品不同而不同。明水的功能水平。安全含水量的标准随产品不同而不同。例如，含水量为例如，含水量为20%的土豆淀粉或者含水量为的土豆淀粉或者含水量为14%的小麦

14、的小麦都是稳定的，然而含水量为都是稳定的，然而含水量为12%的奶粉却很快就会变质。的奶粉却很快就会变质。水分活度水分活度：能本质地反映物料中水的活性的概念是水分活：能本质地反映物料中水的活性的概念是水分活度度w w（water activity)water activity)水分活度是物料中水分的热力学能量状态高低的标志。水分活度是物料中水分的热力学能量状态高低的标志。在一定的温度和压力下，物料中水的化学势为在一定的温度和压力下，物料中水的化学势为q 在一定温度和压力下，纯水在一定温度和压力下，纯水 w w=1=1，q 物料中的水分，物料中的水分，w1w1，lnln w0w 时，则时，则ppp

15、 pv v，即水分从物料向湿空气中传递，即水分从物料向湿空气中传递，为物料的解湿，解湿时物料含水量为物料的解湿，解湿时物料含水量x x不断减少，这即是干不断减少，这即是干燥过程。燥过程。当当w w 时，则时，则ppp pv v，即水分从湿空气向物料传递，即水分从湿空气向物料传递，为物料的吸湿，吸湿时物料含水量为物料的吸湿，吸湿时物料含水量x x不断增加。不断增加。当当w w=时，则时，则p=p=p pv v，物料既不解湿也不吸湿，两，物料既不解湿也不吸湿，两者间的水分交换达到了平衡，称此状态为吸湿者间的水分交换达到了平衡，称此状态为吸湿解湿平衡，解湿平衡，物料的含水量物料的含水量x x将不再变

16、化。将不再变化。在达吸湿在达吸湿解湿平衡时，解湿平衡时，相对于物料讲，此时湿空气的相对湿度相对于物料讲，此时湿空气的相对湿度称为平衡相对湿称为平衡相对湿度度e e；相对于湿空气讲，此时的物料含水量相对于湿空气讲，此时的物料含水量x x称为平衡含水量称为平衡含水量x xe e；可见，物料的水分活度可见，物料的水分活度w w与其相应的湿空气的平衡相对湿与其相应的湿空气的平衡相对湿度度e e在数值上相等：在数值上相等：w w=e e；平衡含水量是这种湿空气条件下物料干燥所能达到的极限。平衡含水量是这种湿空气条件下物料干燥所能达到的极限。8.2D 物料中水分的分类物料中水分的分类 按物料与水分的结合方

17、式分：按物料与水分的结合方式分：化学结合水、物理化学结合水、机械结合水。化学结合水、物理化学结合水、机械结合水。按水分去除的难易程度分：按水分去除的难易程度分：结合水分和非结合水分结合水分和非结合水分 按水分能否用干燥方法除去分类：按水分能否用干燥方法除去分类：自由水分和平衡水分自由水分和平衡水分 化学结合水化学结合水 包括与物料的离子结合和结晶型分子结合包括与物料的离子结合和结晶型分子结合的水。化学结合水结合最牢，不能用一般干燥方法除去。的水。化学结合水结合最牢，不能用一般干燥方法除去。例如，若脱掉结晶水，晶体必遭破坏。例如，若脱掉结晶水，晶体必遭破坏。物理化学结合水物理化学结合水 包括吸附

18、水分、渗透水分和结构水分。包括吸附水分、渗透水分和结构水分。吸附水分吸附水分是物料内表面靠分子间力吸附结合的水分，是物料内表面靠分子间力吸附结合的水分，是物理化学结合水中结合最强的。是物理化学结合水中结合最强的。渗透水分渗透水分是物料组织壁内外浓度差形成的渗透压作用是物料组织壁内外浓度差形成的渗透压作用而结合的水。而结合的水。结构水分结构水分是胶体形成时结合在物料网状结构内的水。是胶体形成时结合在物料网状结构内的水。机械结合水机械结合水 包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。毛细管水分毛细管水分存在于物料中的纤维或成团颗粒间。若毛细管存在于物料中的纤维或成团颗

19、粒间。若毛细管半径半径r10m，其中的水分已属，其中的水分已属空隙水分空隙水分。润湿水分润湿水分是物料机械混合的水分，易用加热或机械方法脱是物料机械混合的水分，易用加热或机械方法脱除。除。结合水分（结合水分（bound water）主要指物化结合的水分和机械混合的毛细管水分，这主要指物化结合的水分和机械混合的毛细管水分，这种水分难于去除。种水分难于去除。结合水分产生的蒸气压低于相同温结合水分产生的蒸气压低于相同温度纯水的蒸气压。度纯水的蒸气压。非结合水分（非结合水分（unbound water）包包括括物物料料表表面面的的润润湿湿水水分分和和空空隙隙水水分分，这这种种水水分分易易于于去去除除。

20、非非结结合合水水产产生生的的蒸蒸气气压压和和同同温温度度纯纯水水的的蒸蒸气气压压相相近近，即即w w近似等于近似等于1.1.自由水分（自由水分（free water）物物料料与与一一定定温温度度和和湿湿度度的的湿湿空空气气流流充充分分接接触触，物物料料中中的的水水分能被干燥除去的部分，称为自由水。分能被干燥除去的部分，称为自由水。平衡水分（平衡水分（equilibrium water）。在一定的条件下，物）。在一定的条件下，物料表面水蒸汽的分压与干燥介质的水蒸汽分压达到相料表面水蒸汽的分压与干燥介质的水蒸汽分压达到相等的状态，此时两者水分交换达到动态平衡，此时物等的状态，此时两者水分交换达到动

21、态平衡，此时物料所含的水分即为平衡水分，平衡水分表示物料在一料所含的水分即为平衡水分，平衡水分表示物料在一定空气状态下干燥的极限。定空气状态下干燥的极限。影影响响平平衡衡水水分分的的因因素素较较多多，其其中中温温度度、空空气气的的相相对对湿湿度和物料的种类是主要因素。度和物料的种类是主要因素。u 随着温度的升高，物料的随着温度的升高，物料的xe将下降。将下降。u 在定温下，空气的在定温下，空气的若下降，则物料的若下降，则物料的xe将下降。将下降。u 在在相相同同温温度度和和湿湿含含量量的的空空气气中中，脂脂肪肪含含量量高高的的物物料料的的xe比淀粉含量高的物料比淀粉含量高的物料xe要小。要小。

22、固体物料中各种水分的含义总水分平衡水分自由水分非结合水分结合水分一、热量衡算基本方程干燥器热量衡算示意图 干燥器 新鲜空气 废气 湿物料 干燥产品 预热器 8.3 8.3 干燥静力学干燥静力学8.3A 干燥过程的物料衡算干燥过程的物料衡算 水分蒸发量和产品量水分蒸发量和产品量水分蒸发量水分蒸发量 绝干物料量绝干物料量干燥产品流量干燥产品流量水分蒸发量还可以表示为：水分蒸发量还可以表示为：干燥空气用量干燥空气用量 绝干空气消耗量绝干空气消耗量 令令l=L/W，称为单位空气用量，其意义是从湿物料中蒸发称为单位空气用量，其意义是从湿物料中蒸发1kg水分所需的干空气量，水分所需的干空气量，kgd/kg

23、w，则有，则有 如果新鲜空气进入干燥器前先通过预热器加热，由于加热如果新鲜空气进入干燥器前先通过预热器加热，由于加热前后空气的湿度不变，以前后空气的湿度不变，以H0表示进入预热器时的空气湿度，表示进入预热器时的空气湿度，则有则有 上式说明：上式说明：单位空气用量只与空气的最初和最终湿含量有单位空气用量只与空气的最初和最终湿含量有关，而与干燥过程所经历的途径无关。关，而与干燥过程所经历的途径无关。新鲜空气消耗量新鲜空气消耗量 新鲜空气体积消耗量新鲜空气体积消耗量 例：在一连续干燥器中，每小时处理湿物料例：在一连续干燥器中，每小时处理湿物料1000kg，经，经干燥后物料的含水量有干燥后物料的含水量

24、有10%降至降至2%（wb）。）。以热空气以热空气为干燥介质，初始湿度为干燥介质，初始湿度H1=0.008kg水水/kg绝干气，离开绝干气，离开干燥器时湿度为干燥器时湿度为H2=0.05 kg水水/kg绝干气，假设干燥过程中无物绝干气，假设干燥过程中无物料损失，试求：水分蒸发量、空气消耗量以及干燥产品量。料损失，试求：水分蒸发量、空气消耗量以及干燥产品量。进入干燥器的绝干物料为进入干燥器的绝干物料为ms=m1（1-w1）=1000（1-0.1）=900kg绝干料绝干料/h解：（解：（1）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即）水分蒸发量：将物料的湿基含水量换算为干基含水量，即水分蒸

25、发量为水分蒸发量为W=ms（x1-x2）=900（0.111-0.0204）=81.5kg水水/h例题（2）空气消耗量）空气消耗量原湿空气的消耗量为：原湿空气的消耗量为：L=L（1+H1）=1940（1+0.008）=1960kg湿空气湿空气/h（3）干燥产品量）干燥产品量单位空气消耗量（比空气用量）为：单位空气消耗量（比空气用量）为：Qp预热器的传热速率，预热器的传热速率，kw；QL干燥器的热损失速率，干燥器的热损失速率，kw LH0,T0,h0LH1,T1,h1Qm2,x2,2LH2,T2,h2m1,x1,1,QL预热器预热器干燥器干燥器 通过干燥器的热量衡算可以确定干燥过程的热能消耗量及

26、通过干燥器的热量衡算可以确定干燥过程的热能消耗量及热能的分配。热能的分配。8.3B 8.3B 干燥过程的热量衡算干燥过程的热量衡算 耗热量耗热量若用蒸发若用蒸发1kg水分作热量衡算的计算基准，令水分作热量衡算的计算基准，令q=Q/W，称单位热耗，蒸发，称单位热耗，蒸发1kg水相应的加热器加热量，水相应的加热器加热量，J/kgwqL=QL/W，蒸发，蒸发1kg水相应的干燥器散热损失，水相应的干燥器散热损失，J/kgwqs=m2cs(2-1)/W，蒸发，蒸发1kg水相应的物料升温所需热量，水相应的物料升温所需热量，因为输入热量等于输出热量，则有因为输入热量等于输出热量，则有干燥器的热效率一般指：干

27、燥过程蒸发水分所耗热量与向加热干燥器的热效率一般指：干燥过程蒸发水分所耗热量与向加热器加入总热量之比，若以器加入总热量之比，若以表示热效率，则表示热效率，则则有则有 热效率热效率11，其原因是向加热器加的总热量除用于干燥物料时汽，其原因是向加热器加的总热量除用于干燥物料时汽化水分所需热量外，还将消耗于干物料被加热所需热量，化水分所需热量外，还将消耗于干物料被加热所需热量，物料中水分被加热到蒸发温度所需热量以及干燥器的散热物料中水分被加热到蒸发温度所需热量以及干燥器的散热损失等。损失等。干燥器的热效率一般指：干燥过程蒸发水分所耗热量与向加热干燥器的热效率一般指：干燥过程蒸发水分所耗热量与向加热器

28、加入总热量之比，若以器加入总热量之比，若以表示热效率，则表示热效率，则则有则有 热效率热效率11，其原因是向加热器加的总热量除用于干燥物料时汽，其原因是向加热器加的总热量除用于干燥物料时汽化水分所需热量外，还将消耗于干物料被加热所需热量，化水分所需热量外，还将消耗于干物料被加热所需热量，物料中水分被加热到蒸发温度所需热量以及干燥器的散热物料中水分被加热到蒸发温度所需热量以及干燥器的散热损失等。损失等。u 使离开干燥器的空气温度降低，湿度增加（注意吸湿性物使离开干燥器的空气温度降低，湿度增加（注意吸湿性物料）；料）；u 提高热空气进口温度（注意热敏性物料）；提高热空气进口温度（注意热敏性物料）；

29、u 废气回收，利用其预热冷空气或冷物料；废气回收，利用其预热冷空气或冷物料；u 注意干燥设备和管路的保温隔热，减少干燥系统的热损失。注意干燥设备和管路的保温隔热，减少干燥系统的热损失。提高热效率的措施：提高热效率的措施：热效率是干燥器的重要性能指标之一，热效率愈高表示热效率是干燥器的重要性能指标之一，热效率愈高表示热能利用程度愈高，经济性愈好。热能利用程度愈高，经济性愈好。绝热干燥过程绝热干燥过程新鲜空气的状态点为新鲜空气的状态点为A点，经加热器加热达到状态点，经加热器加热达到状态B，温度，温度和焓增大，但湿含量不变。加热器的加热量：和焓增大，但湿含量不变。加热器的加热量：状态状态B的空气进入

30、干燥室与物料接触进行湿热交换，离开的空气进入干燥室与物料接触进行湿热交换，离开干燥器时空气的状态为干燥器时空气的状态为C，8.3C 干燥空气状态变化分析干燥空气状态变化分析n为物料带入带出热量与干燥器热损失热量的和。为物料带入带出热量与干燥器热损失热量的和。若物料带入带出热量及干燥器散失热量净和为零，若物料带入带出热量及干燥器散失热量净和为零，n=0，则，则即空气进出干燥器的焓相等，这种干燥过程，称为即空气进出干燥器的焓相等，这种干燥过程，称为绝热干绝热干燥过程燥过程或或等焓干燥过程等焓干燥过程。若忽略干燥过程物料带入带出的。若忽略干燥过程物料带入带出的热量和干燥器散失的热量，则该干燥过程可以

31、作为绝热干热量和干燥器散失的热量，则该干燥过程可以作为绝热干燥过程处理。燥过程处理。对于绝热干燥过程，因对于绝热干燥过程，因n=0，则，则=0=0，即焓湿比等于，即焓湿比等于0 0，该过，该过程为等焓增湿降温过程。程为等焓增湿降温过程。实际干燥过程实际干燥过程物料在干燥器内进行干燥时，实际上器壁对外有散热损失，物料在干燥器内进行干燥时，实际上器壁对外有散热损失，一般物料出入干燥器也会带出净热量，因此，在大多数情一般物料出入干燥器也会带出净热量，因此，在大多数情况下，况下，n0。一、等焓干燥过程ABC1.等焓干燥过程的状态变化理想干燥绝热干燥二、非等焓干燥过程AB1.实际干燥过程的状态变化实际干

32、燥降焓干燥8.4 干燥动力学干燥动力学 以上讨论的主要内容是通过物料衡算与热量衡算找出被干以上讨论的主要内容是通过物料衡算与热量衡算找出被干燥物料与干燥介质最初状态与最终状态间的关系，用以确定燥物料与干燥介质最初状态与最终状态间的关系，用以确定干燥介质的消耗量、水分的蒸发量以及消耗的热量。本节将干燥介质的消耗量、水分的蒸发量以及消耗的热量。本节将主要讨论从物料中除去水分的数量与干燥时间之间的关系。主要讨论从物料中除去水分的数量与干燥时间之间的关系。8.4A 干燥机理干燥机理 干燥过程中的传热和传质干燥过程中的传热和传质l 在对流干燥过程中，作为干燥介质的热空气将热能传到在对流干燥过程中，作为干

33、燥介质的热空气将热能传到物料表面，再由表面传到物料内部，这是物料表面，再由表面传到物料内部，这是两步传热过程两步传热过程。l 水分从物料内部以液态或气态透过物料传递到表面，然水分从物料内部以液态或气态透过物料传递到表面，然后通过物料表面的气膜扩散到空气流的主体，这是后通过物料表面的气膜扩散到空气流的主体，这是两步传质过程两步传质过程。可见物料的干燥过程为传热和传质相。可见物料的干燥过程为传热和传质相结合的过程。它包含物料内部的传热传质和物料外部结合的过程。它包含物料内部的传热传质和物料外部的传热传质。的传热传质。外部传热和传质外部传热和传质热空气作为干燥介质在干燥器中通常处于湍流状态，可以热空

34、气作为干燥介质在干燥器中通常处于湍流状态，可以认为外部的传热和传质的阻力都集中在成为气膜的边界层认为外部的传热和传质的阻力都集中在成为气膜的边界层中，外部传热是对流传热，其热流密度中，外部传热是对流传热，其热流密度外部传质也是对流传质，传质推动力为表面水蒸气压与空外部传质也是对流传质，传质推动力为表面水蒸气压与空气中水蒸气分压之差，即（气中水蒸气分压之差，即（ps-p）。）。内部传热和传质内部传热和传质固体物料内部的传热都是热传导，遵循傅立叶定律。固体物料内部的传热都是热传导，遵循傅立叶定律。物料内部的传质机理比较复杂，可以是下面几种机理的物料内部的传质机理比较复杂，可以是下面几种机理的一种或

35、几种的结合：一种或几种的结合：u 液态扩散液态扩散 在干燥过程中，一旦物料表面的含水量低于在干燥过程中，一旦物料表面的含水量低于物料内部含水量，此含水量之差作为传质推动力使水分由物料内部含水量，此含水量之差作为传质推动力使水分由物料内向表面扩散。物料内向表面扩散。u 气态扩散气态扩散 干燥进行到一定程度，当水的气化面由物料干燥进行到一定程度，当水的气化面由物料表面逐渐移向内部，则由气化面到物料表面的传质属气态表面逐渐移向内部，则由气化面到物料表面的传质属气态扩散，其推动力为气化面与物料表面之间的水蒸气压差。扩散，其推动力为气化面与物料表面之间的水蒸气压差。显然，物料内部的气态扩散要穿过食品组织

36、，其阻力一般显然，物料内部的气态扩散要穿过食品组织，其阻力一般要比外部扩散大。要比外部扩散大。u 毛细管流动毛细管流动 由颗粒或纤维组成的多孔性物料，具有由颗粒或纤维组成的多孔性物料，具有复杂的网状结构，孔穴之间由截面不同的毛细管孔道复杂的网状结构，孔穴之间由截面不同的毛细管孔道沟通，由表面张力引起的毛细管力，可产生水分的毛沟通，由表面张力引起的毛细管力，可产生水分的毛细管流动，形成物料内的传质。细管流动，形成物料内的传质。u 热流动热流动 物料表面的温度和物料内部温度之差，会产生物料表面的温度和物料内部温度之差，会产生水的化学势差，推动水的流动，成为热流动。在传导干燥水的化学势差，推动水的流

37、动，成为热流动。在传导干燥中，热流动有利于水分由物料内部向表面传递，但在对流中，热流动有利于水分由物料内部向表面传递，但在对流干燥和红外线干燥中，热流动的作用是相反的。干燥和红外线干燥中，热流动的作用是相反的。表面汽化控制和内部扩散控制表面汽化控制和内部扩散控制内部传质和外部传质是接连进行的。两步传质的速率一般不内部传质和外部传质是接连进行的。两步传质的速率一般不同。显然，进行较慢一步的传质控制着干燥过程的速率。同。显然，进行较慢一步的传质控制着干燥过程的速率。通通常将外部传质控制称为表面汽化控制，内部传质控制称为内常将外部传质控制称为表面汽化控制，内部传质控制称为内部扩散控制。部扩散控制。表

38、面汽化控制表面汽化控制当物料中水分表面汽化的速率远小于内部扩散的速率当物料中水分表面汽化的速率远小于内部扩散的速率时，称为表面汽化控制时，称为表面汽化控制.像糖、盐等潮湿的晶体物料，像糖、盐等潮湿的晶体物料，其内部水分能迅速传递到物料表面，使表面保持充分润湿其内部水分能迅速传递到物料表面，使表面保持充分润湿状态。因此，水分的去除主要有外部扩散传质所控制。状态。因此，水分的去除主要有外部扩散传质所控制。干燥为表面汽化控制时，强化干燥操作就要集中强化外部干燥为表面汽化控制时，强化干燥操作就要集中强化外部传热和传质。在对流干燥时，因物料表面充分润湿，表面传热和传质。在对流干燥时，因物料表面充分润湿，

39、表面温度近视等于空气的湿球温度，水分的气化近视纯水的气温度近视等于空气的湿球温度，水分的气化近视纯水的气化。此时，化。此时，提高空气温度、降低空气湿度、改善空气与物提高空气温度、降低空气湿度、改善空气与物料间的接触和流动状况，都有利于提高干燥速率料间的接触和流动状况，都有利于提高干燥速率。在真空。在真空接触干燥中，提高干燥室的真空度，有利于传热和外部传接触干燥中，提高干燥室的真空度，有利于传热和外部传质，可提高干燥速率。质，可提高干燥速率。内部扩散控制内部扩散控制当物料中水分表面汽化的速率远大于内部扩散的速率，称当物料中水分表面汽化的速率远大于内部扩散的速率，称为内部扩散控制。某些物料如面包、

40、明胶等干燥时，为内部扩散控制。某些物料如面包、明胶等干燥时，其内部传质速率较小，当表面干燥后，内部水分来不其内部传质速率较小，当表面干燥后，内部水分来不及传递到表面，因而气化面逐渐向内部移动，干燥地及传递到表面，因而气化面逐渐向内部移动，干燥地进行比表面汽化控制更为复杂。当干燥过程为内部扩散控进行比表面汽化控制更为复杂。当干燥过程为内部扩散控制时，下列措施有助于强化干燥：制时，下列措施有助于强化干燥：减小料层厚度，或使空气与料层穿流接触，以缩短水分减小料层厚度，或使空气与料层穿流接触，以缩短水分的内部扩散距离，减小内部扩散阻力；的内部扩散距离，减小内部扩散阻力；采用搅拌方法，使物料不断翻动，深

41、层湿物料及时暴露采用搅拌方法，使物料不断翻动，深层湿物料及时暴露于表面；于表面；采用接触干燥和微波干燥方法，使热流动有利于内部水采用接触干燥和微波干燥方法，使热流动有利于内部水分向表面传递。分向表面传递。同一物料的整个干燥过程，一般前阶段为表面汽化控制机同一物料的整个干燥过程，一般前阶段为表面汽化控制机理，后阶段为内部扩散控制机理。理，后阶段为内部扩散控制机理。8.4B 干燥速率（干燥速率（rate of drying）干燥速率式干燥速率式干燥速率：单位时间内在单位面积上除去的气化水分量，干燥速率：单位时间内在单位面积上除去的气化水分量，用符号用符号u表示，单位为表示，单位为kgw/(m2 h

42、)u=dw/Adt 式中式中 u干燥速率，干燥速率，kg/m2h；W汽化水分量，汽化水分量，kg A干燥面积，干燥面积，m2；t干燥所需时间，干燥所需时间，s或或h dW=-msdx u=dW/Adt=-msdx/Adt 式中式中 ms湿物料中绝对干料的量，湿物料中绝对干料的量，kg；x湿物料中干基的含水量，湿物料中干基的含水量，kg水水/kgd；负号表示物料含水随着干燥时间的增加而减少。负号表示物料含水随着干燥时间的增加而减少。干燥曲线与干燥速率曲线干燥曲线与干燥速率曲线按空气状态参数的变化情况，可将干燥过程分为：按空气状态参数的变化情况，可将干燥过程分为：恒定干燥恒定干燥操作操作和和非恒定

43、（变动）干燥操作非恒定（变动）干燥操作两大类。若用大量空气对少两大类。若用大量空气对少量物料进行间歇干燥，并维持空气速度及与物料接触方式不量物料进行间歇干燥，并维持空气速度及与物料接触方式不变，因空气是大量的，且物料中气化出的水分很少，故干燥变，因空气是大量的，且物料中气化出的水分很少，故干燥过程中可以认为空气湿含量与温度均不变，这种操作称为恒过程中可以认为空气湿含量与温度均不变，这种操作称为恒定状态下的干燥操作，简称恒定干燥。在连续操作的干燥设定状态下的干燥操作，简称恒定干燥。在连续操作的干燥设备内，空气的温度逐渐下降而湿含量逐渐增高，这种操作称备内，空气的温度逐渐下降而湿含量逐渐增高，这种

44、操作称为变动状态下的干燥操作，简称变动干燥。为变动状态下的干燥操作，简称变动干燥。由于干燥机理复杂，目前研究的尚不充分，为了简化影由于干燥机理复杂，目前研究的尚不充分，为了简化影响因素，干燥实验一般在恒定干燥条件下进行。所谓响因素，干燥实验一般在恒定干燥条件下进行。所谓恒恒定干燥定干燥是指干燥介质的是指干燥介质的温度、湿含量、流速及与物料的温度、湿含量、流速及与物料的接触方式接触方式，在整个干燥过程中均保持恒定。，在整个干燥过程中均保持恒定。干燥曲线干燥曲线将将物物料料含含水水量量x x（或或物物料料表表面面温温度度T T ）对对干干燥燥时时间间t绘绘图图，所所得图形得图形称为干燥曲线。称为干

45、燥曲线。干燥曲线x-t 曲线T-t 曲线ABCDEx表表面面温温度度干燥时间干燥时间tABCDEAB段：段：物料的含水量下降，温度升高，为物料的预热物料的含水量下降，温度升高，为物料的预热阶段。该阶段内空气中的部分热量用于加热物料，物料阶段。该阶段内空气中的部分热量用于加热物料，物料的含水量及温度均随时间变化不大，即斜率较小，预热段一的含水量及温度均随时间变化不大，即斜率较小，预热段一般较短，到达般较短，到达B点时，物料表面温度升至点时，物料表面温度升至Tw。BC段段：几乎是直线，此阶段内空气传给物料的显热恰等于：几乎是直线，此阶段内空气传给物料的显热恰等于水分从物料中气化所需要的汽化潜热，因

46、而物料表面温度水分从物料中气化所需要的汽化潜热，因而物料表面温度Ts基本保持不变，等于热空气的湿球温度基本保持不变，等于热空气的湿球温度Tw。CD段段：物料开始升温，热空气中部分热量用于加热物料，：物料开始升温，热空气中部分热量用于加热物料，x下降变慢，干燥曲线逐渐变平坦。到下降变慢，干燥曲线逐渐变平坦。到E点时，达到物料平衡点时，达到物料平衡含水量含水量xe，干燥过程结束。，干燥过程结束。预热阶段恒速干燥阶段（第一干燥阶段）降速干燥阶段（第二干燥阶段）热量主要用于物料升温热量用于汽化水分热量用于汽化水分和加热物料一、干燥实验和干燥曲线干燥阶段 干燥速率曲线干燥速率曲线u u 与与x x 的关

47、系曲线的关系曲线 干燥速率曲线。干燥速率曲线。干燥曲线干燥曲线干燥速率曲线干燥速率曲线曲线斜率在干燥速率曲线上，在干燥速率曲线上，AB段为物料预热段，此阶段所需时段为物料预热段，此阶段所需时间很短，一般并入间很短，一般并入BC段内考虑。干燥速率曲线以段内考虑。干燥速率曲线以C点为点为界分为两部分。界分为两部分。BC段，干燥速率段，干燥速率u0保持不变，称为恒速保持不变，称为恒速干燥阶段。干燥阶段。CDE段，随着干燥进行即段，随着干燥进行即x的降低，干燥速率的降低，干燥速率恒定干燥条件下干燥速率曲线预热阶段恒速干燥阶段降速干燥阶段临界湿含量临界干燥速率u不断下降，直到不断下降，直到x降至平衡含水

48、量降至平衡含水量xe，此时干燥速率降，此时干燥速率降为为0，此阶段为降速干燥阶段。，此阶段为降速干燥阶段。恒速干燥阶段恒速干燥阶段在此阶段，干燥速率保持恒定，不随物料含水量的降低而在此阶段，干燥速率保持恒定，不随物料含水量的降低而降低。物料内部水分很快移向表面，整个物料表面都有充降低。物料内部水分很快移向表面，整个物料表面都有充分的非结合水分，物料表面的蒸汽压与同温度下水的蒸汽分的非结合水分，物料表面的蒸汽压与同温度下水的蒸汽压相同。所以在恒定干燥条件下，物料表面与空气间的传压相同。所以在恒定干燥条件下，物料表面与空气间的传热和传质过程与测定湿球温度的情况类似。此时物料内部热和传质过程与测定湿

49、球温度的情况类似。此时物料内部水分扩散速率大于表面水分汽化速率，故属于表面汽化控水分扩散速率大于表面水分汽化速率，故属于表面汽化控制阶段。空气传给物料的热量等于水分汽化所需的热量，制阶段。空气传给物料的热量等于水分汽化所需的热量，物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度。物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度。l除去的水分是非结合水；除去的水分是非结合水；l属于表面汽化控制阶段；属于表面汽化控制阶段；l物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度；物料表面的温度始终保持为空气的湿球温度；l干燥速率的大小，主要取决于空气的性质，而与湿物料的性干燥速率的大小，主要取决于空气的性质，而与湿物料的性质关系很小

50、。质关系很小。此阶段特点：此阶段特点：上式为计算恒速干燥阶段干燥速率的方程。其中，空上式为计算恒速干燥阶段干燥速率的方程。其中，空气对物料的表面传热系数的计算用经验公式：气对物料的表面传热系数的计算用经验公式：空气平行流过物料表面，空气质量流量空气平行流过物料表面，空气质量流量qm=0.7-5.0kg/m2 s时时 干燥的临界点干燥的临界点空气垂直流过物料表面，空气质量流量空气垂直流过物料表面，空气质量流量qm=1.1-5.5kg/m2 s时时由恒速干燥阶段到降速干燥阶段的转折点由恒速干燥阶段到降速干燥阶段的转折点C，称为干燥过程，称为干燥过程的临界点。临界点是干燥由表面汽化控制到内部扩散控制