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1、第九章干燥机械与设备 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 便于物料的贮藏和运输 扩大供应范围 满足食品含水率的要求 达到安全贮藏的目的 抑制贮藏中的生化反应 保证产品质量 经干燥和其它工艺处理 制成风味和形状各异的产品 干燥的目的 干燥的概念 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 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
2、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 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 湿固态食品 包括晶体 胶体和生物组织体 干燥食品的分类 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
3、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 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 第二节喷雾干燥设备 将
4、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10 100 m 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10 30s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 3 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
5、 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 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 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
6、 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 5 喷雾干燥适宜干燥的物料 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 1 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
7、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 流量难调节 喷嘴孔径小于1mm时 易堵塞 不适宜于黏度高的物料 2 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
8、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 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 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 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
9、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 2 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
10、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 3 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 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
11、统 2 封闭循环是喷雾干燥系统 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 3 自惰循环是喷雾干燥系统 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 将空气中的氧气烧掉 剩下氮气和二氧化碳作为干燥介质
12、 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 4 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 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 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 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
13、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 1 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 2 塔室干燥室 干燥塔 新设计的喷雾干燥设备 几乎都采用塔式结构 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10m
14、m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 压力式雾化器 利用高压泵 使料液获得很高的压力 7 20MPa 从直径为0 5 1 5mm的喷嘴中喷出 由于压力大 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
15、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 b 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200 300m s 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
16、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 a 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 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 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 第三节沸腾干燥设备 流化床 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
