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1、白糖干燥冷却设备砂糖 ( 包括白糖、精糖和原糖) 的干燥和冷却是一个很重要的工序，对产品的保存、以及在贮存时是否会发生结块和变质都有关键性的影响。各种糖产品的质量标准，都明确规定它的水分含量的最高限度。糖的温度虽无统一规定，也是同样重要。长期的实践经验和大量的研究结果都说明，如果装包时糖的温度高，在存放时就容易结块和变色。为使白糖在存放时很少变化，装包时的温度应低于40，如果用散装存放，进仓温度应低于30；而原糖散装时的进仓温度应低于 40。温度越高，白糖 ( 不论亚硫酸法或碳酸法) 变色越快，结块越严重，原糖的变质亦更显著。然而， 国内不少甘蔗糖厂的干燥冷却设备的效果不好，虽然糖的水分可以达
2、到指标要求，但通常是在分蜜机中使用高温高压的蒸汽将白糖干燥，而其后的设备的冷却效能又不够好，以至白糖装包时的温度普遍偏高，不少厂在50以上，个别厂甚至超过60，在夏季炼糖时这种情况更突出。虽然不少糖厂对原有的设备进行了各种改进，例如加大设备的面积以减薄糖层厚度，延长设备的长度以增加冷却时间，以及加强吹风等，但问题并没有根本解决。至今仍有不少糖厂的产品在存放时发生结块、变色等问题，直接影响了工厂的声誉和经济效益。20 世纪 60 年代以来，日本、前苏联、东欧、英、法、德等多个国家的糖厂相继研究应用新型的干燥冷却设备，主要是流化床和振动流化床，显著地提高了砂糖干燥与冷却的效果。国内部分糖厂也逐渐研
3、究应用。显然，砂糖的干燥与冷却系统的改进是我国糖厂急需解决的一个重要技术问题。一、工艺问题（ 1）基本情况白糖和精糖的质量指标，通常要求水分含量不超过0.05% 0.1%。从分蜜机卸下的白糖的水分，因设备与操作条件不同而有较大的变化。如果分蜜时只用水洗、不用汽洗( 不打汽 ) ，卸出糖的水分为11.5%；如果洗水是高温的过热水，卸糖水分低一些；如水洗后用低压蒸汽( 废汽或蒸发罐汁汽 ) 洗糖，卸糖水分为0.5 0.7%；但如使用过热蒸汽，卸糖水分可降至0.1 0.2%或以下。国内甘蔗糖厂多数在分蜜时打过热蒸汽，汽压高达0.4 0.6mpa，卸糖水分较低，但卸糖温度相当高，一般在8090以上，甚
4、至接近100。高温的糖在与低温的空气流接触时，糖的热量向空气转移，糖的水分也同时部分蒸发，被空气带走。水分的汽化吸收了糖的热量，加速了糖的降温。当砂糖与空气充分接触且空气的流速较大时，这种传热与传质的作用进行得比较快。如果糖的温度下降所放出的热量全部用于将水分蒸发，可以排除相当多的水分。例如， 当湿糖的温度为70，降温到50，糖的比热为1.26 kj/kg，每 kg 糖放出的热量为：1.26 (70 50) = 25.2 kj/kg 每蒸发 1kg 水分所需吸收的潜热为2257kj/kg，故上述热量可蒸发的水分为：25.2 / 2257 = 0.011 kg/kg 即可以蒸发超过 1%的水分
5、( 这个计算忽略了糖的比热的微小变化和水分汽化时显热的变化，但它们对计算结果影响很小) 。如果实际过程能够接近上述计算，那是很理想的，只要向湿糖吹室温的空气就可以将糖的水分和温度同时降低到较低的数值。然而在实际过程中，由于白糖中水分的蒸发相当缓慢，湿糖降温实际排除的水分要比上述计算值少得多。 因此， 只有在湿糖的水分相当低的情况下( 如分蜜时打高温蒸汽)，才可以只吹冷风就达到干燥的要求。在湿糖水分稍高的情况下，需要先用热风干燥除去白糖的大部分水分，再用冷风来冷却。分蜜机使用高温蒸汽，白糖的水分容易降低，工厂易实行，故国内很多糖厂用这种方法。但此法的分蜜用汽量很高，据广东多个糖厂测定，甲糖分蜜用
6、汽量对甘蔗比为1.5 2% ，相当于对白糖比为15 20%！而且分蜜机卸糖温度高，后面的冷却设备要排除大量的热能。在冷却效能不足的情况下，白糖的最终温度就相当高，引起贮存时的结块与变色。分蜜机用低温蒸汽或不打汽，卸糖的水分较高，干燥机就必须用热空气，设备比较复杂。但它的用汽量少很多。这类白糖干燥机将空气加热的耗汽量通常只为白糖量的2% ，只约为前者的十分之一，即使分蜜机中打少量低压蒸汽，总的耗汽量还是比前者省一半以上。因此，在强调节能的国家如欧美、日本等的糖厂都用这种方法，不用高压蒸汽，他们制造的分蜜机只能使用低压蒸汽。从长远的节能的需要来看，白糖分蜜应该不打汽或只用低压汽。我国的甘蔗糖厂多数
7、用高压汽，应当逐步改变。结合到降低白糖温度的需要，作者认为应该分阶段来解决这个问题。首先应改进白糖的冷却设备，提高它的降温效果，并排除较多的水分；在此基础上逐步降低分蜜用汽的压力和打汽量。然后，再增设较简单的用热风干燥的设备，再大幅度减低分蜜用汽。国内的甘蔗糖厂，分蜜机卸下的白糖经过振动输送机和振动干燥机，还有相当长的输送机，经过很长的路程，但糖的温度降低不多。主要原因是没有足够的空气将糖的热量和水分带走，虽然不少糖厂也装了多台风扇吹风，但为避免砂糖被风吹走，风量不可能很大，而且外表吹风不能深入到糖层的内部，白糖的热量很难散逸出去。要解决好这个问题，关键是将白糖散布在大量的空气流中， 与冷空气
8、充分接触，让它的热量能够随它的水分蒸发而排入空气中。这种方法既可提高干燥冷却的速度，又可有效地利用砂糖本身的热能来进行干燥，一举两得。（2）干燥过程与平衡水分固体物质在空气中干燥，是由于它所含的水分汽化成为水蒸汽散逸到空气中，其根本原因是固体表面的水蒸汽分压高于周围空气中的水蒸汽分压。干燥过程的推动力，就是两者的蒸汽分压的差额。如果情况相反，即空气中的水蒸汽分压高于固体表面的水蒸汽分压，空气中的水蒸汽就会凝结在固体表面上, 使后者水分增加，即发生增湿作用或或吸潮。这种水分的迁移是双向的过程。如果这两个蒸汽分压相等，则上述过程达到平衡点，固体物质的水分和空气的湿度都保持不变，达到恒定值。固体物质
9、和空气之间的水分平衡关系，在很大程度上受到空气相对湿度和固体物质成份的影响，并与温度有关。一定的物质在一定的温度和一定的空气相对湿度下，有一定的平衡水分。亦即是说，一定的物料在一定的水分下，与其接触的空气有一定的平衡相对湿度(equilibrium relative humidity)，后者常以符号 erh 代表。高纯度结晶糖在室温下的平衡水分和空气相对湿度的关系如下左图。高纯度白糖的平衡水分是较低的，当空气相对湿度为6070% 时，白糖的平衡水分为0.03 0.04%。因此，当外界空气的相对湿度不超过70% 时，白糖干燥冷却和贮存时的水分可以低于 0.05%。但当空气湿度高于75% 时，白糖
10、的平衡水分急剧升高，此时白糖就难以达到较低的水分。我国南方的空气湿度常较高，三月以后的湿度常超过80%，这种空气会使干燥的白糖返潮，使它的水分升高至0.06%以上。为防止仓库中的白糖水分升高，仓内空气湿度应低于65。白糖的这种关系受到转化糖的影响。转化糖的吸湿性强于蔗糖，故含转化糖较多的白糖的平衡水分较高，如下中图所示。白糖含转化糖较多者，较易吸潮，不易将它干燥到很低水分。白糖在长期存放时，水分和转化糖含量逐渐升高，两者又互相影响：水分升高加快蔗糖的转化，而转化糖的增加又加速吸收水分。无机物亦增大砂糖的吸湿性，灰分高的糖的水分也较高。其他非糖分亦有类似的影响。此外，细晶粒的砂糖的平衡水分较高。
11、下右图示几种有色结晶糖的水分和平衡相对湿度的关系，不同的糖的差别很大。关于各种非蔗糖分的影响，powers 曾以 22 种物质、包括葡萄糖、果糖、棉子糖、三种糖蜜、谷氨酸钠、氯化钠、氯化钙等进行实验，测定砂糖在含有不同量的这些物质时的平衡相对湿度。随砂糖中这些物质的含量增大，erh 值降低，即吸湿性增强。在各种非糖分中，无机盐的吸湿性最强，降低 erh 的作用最大。精炼糖蜜和甜菜糖蜜的影响大于甘蔗糖蜜。还原糖的吸湿性小于其它非糖份，但高于蔗糖。因此，含无机物( 灰份 ) 多的赤砂糖的吸湿性最强，原糖次之。砂糖中的水分有几种存在型式：1. 晶体表面液膜中的水分；2. 晶体内包裹体包藏的母液中的水
12、分;3. 聚晶的晶体间隙中母液的水分；4. 某些非糖份的结晶水。在一般条件下，上述第四种水分是不能除去的，第二、三种水分也很难除去，它们要很长的时间才能逐渐扩散到表面上。砂糖的干燥处理主要是除去表面上的水分。砂糖干燥过程的实际速度，在很大程度上决定于晶体表面与空气的蒸汽分压力的差额，以及有关的物理条件。在下列情况下干燥速度较高： . 在砂糖的温度较高时，表面液膜的蒸汽分压升高，蒸发速度加快。 . 将空气加热提高温度，其相对湿度下降，对固体物质的干燥能力增强。 . 空气与砂糖之间的相对运动较强烈时，表面层附近产生激烈湍流，加速传热与传质过程。在用冷风将砂糖冷却时，空气的温度和湿度是影响砂糖最终水
13、分和温度的关键性因素。空气温度低特别是湿度低很有利于砂糖的冷却和进一步干燥。因此， 北方的甜菜糖厂，较易达到相当低的白糖水分和温度。相反，如果外界空气温度与湿度较高，空气中的水蒸汽分压高，在砂糖温度不高的情况下，它的水分就蒸发得很慢，温度也降得很慢。如果砂糖已经过用热风干燥到较低的水分，它与高湿度的空气接触时会反而吸潮增湿。因此，在高温高湿的地区，如果要达到较低的砂糖水分和温度，可能需要将末段所用的空气先进行降温降湿处理。（3）热风干燥的主要参数及其计算用热风干燥时，热风温度是很重要的参数。在工艺容许的条件下，用较高的热风温度可以提高干燥过程的速度和设备效率，缩短所需干燥时间，缩小设备体积，还
14、可以提高热能利用率，减少排除一定量水分所消耗的热量和空气量。不过， 高温下会发生一些有害的化学反应，影响产品质量，故干燥机实际所用的热风温度有一定限制。这决定于物料对热的敏感性，以及干燥设备的状况。白糖用热风干燥时，热风温度一般不超过100110。在设计和控制良好的干燥机中，物料受热所达到的温度是比热风温度低很多的。这是因为物料水分蒸发吸收了大量的热能，在物料仍含有相当水分时，它的温度上升是很慢的，而热风的温度则迅速下降。 如一台振动流化干燥冷却机中白糖水分和温度变化的情况如下图。该机为长槽式，长 8m ，前段吹热风，后段吹冷风。不过，如果干燥机所用的热风温度过高，物料在迅速干燥后可能被加热到
15、较高的温度。这不但会影响产品质量，而且还增加了以后冷却过程的负担。应当避免这种情况。由于设备运行时入料的数量和水分都会有波动，此时要相应调节热风的温度或数量，才能取得最佳的效果。热风干燥系统的计算，是根据入料的数量和干燥前后的水分，进行物料和热平衡的有关计算，基本过程如下：以 g0代表入料量 (kg/h)，w1代表入料水分 (%) ，w2代表出料水分 (%) ，干燥过程的水分蒸发量为：gw = g0(w1w2) / (100w2) (kg/h) 在出料的水分很低时，w2可忽略，此时上式可简化为：gw = g0(w1 w2) / 100 (kg/h) 热风干燥过程中空气状态的变化，可以用空气的焓
16、湿图即i d 图进行分析。冷空气加热升温时，其湿含量d 不变，在i d 图上是一条垂直上升的直线。根据空气加热前的温度t1和加热后的温度t2，从空气的i d 图中查出它们的热焓，分别为i1和 i2(kj/kg)，若空气量为 ga (kg/h)，则空气升温吸收的热量为：q = ga (i2i1) (kj/h) 它也可以用计算求出。空气的比热按1.0 kj/kg ( 即0.24 kcal/kg) 计，则：q = ga 1 (t2t1) (kj/kg) 随着热空气中的热能将物料的水分蒸发，空气的湿含量增大，温度下降。 如果固体物料的温度不变，系统没有散热损失，则此过程中的空气热焓不变，是等焓过程，在i d 图上为一条与等焓线相平行的斜线。但在实际过程中，固体物料的温度升高，系统也有散热损失，这些都使空气的热焓降低，排气的实际热焓i3低于热风的热焓i2，实际过程离开等焓线向下偏移。以 t3代表排气温度，d3代表排气的湿含量。则每 1 kg热空气从物料所带走的水分为(d3d1
