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1、第八章 干燥设备,第一节 概述http:/ 第二节 喷雾干燥技术装备一、喷雾干燥原理及特性二、喷雾干燥器的分类 三、雾化器的结构和雾化机理四、喷雾干燥器及系统五、喷雾干燥器的设计与计算,第一节 概述,定义:凡是使物料(溶液、悬浮液及浆液)所含水分由物料向气相转移,从而变物料为固体制品的操作,统称干燥。 根据这一定义,干燥的含义显然与过滤、压榨等滤干、榨干以及浓缩均有区别。http:/ 物料中水分的汽化可以在不同的状态下进行,水分是在液态下汽化的,倘若预先将物料中水分冻结成冰,而后在极低的压力下,使之直接升华而转入气相,这种干燥称为冷冻干燥或冷冻升华干燥。,干燥的推动力:水分在气相传递的推动力为
2、物料表面附近的一层气膜的蒸气分压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。,干燥的方法,热风干燥-空气干燥法 此法直接以高温的空气作热源,籍对流传热,将热量传给物料,使水分汽化同时被空气带走。 接触干燥法:此法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。 辐射法: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。,应用:干燥在国民经济各部门
3、都有着重要意义。食品工业中干燥操作是一项最基本的单元操作,对于干燥食品它是一项主要的单元操作。例如:果蔬的干制,奶粉和蛋黄粉的制造,面包饼干的焙烤和淀粉的制造等等。另外发酵食品,味精,柠檬酸,酶制剂等等。啤酒生产中麦芽干燥,制糖生产中砂糖的干燥等。 目的:食品干燥目的是去除物料中的水分,减少其体积和重量,便于产品的储存和运输;可防止微生物在成品中繁殖。,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
4、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。,空气干燥设备按工作原理分为:气流干燥、沸腾干燥和喷雾干燥。 气流干燥:高速热气流将颗粒悬浮于气流中,一边与热气流并流输送,一边进行干燥。 沸腾干燥:颗粒呈悬浮状态。 本章主要介绍喷雾干燥设备。,第二节 喷雾干燥技术装备,一.、喷雾干燥原理及特性 二、喷雾干燥器的分类 三、雾化器的结构和雾化机理 四、喷雾干燥器及系统 五、喷雾干燥器的设计与计算 六、喷雾干燥的特点,一、喷雾干燥原理及特性,(一)喷雾干燥原理 利用不同的喷雾器(机械),将需干燥的物料喷成雾状,形成具有较大的表面积的分散微粒(10-200um),同热空气发
5、生强烈的热交换,迅速排除本身的水分,在几秒至几时秒内获得干燥。 如与高温400-500的热风接触需0.01-0.04秒内就完成干燥,与100-150的热风接触需1-3秒就完成干燥。成品以粉末状态沉降于干燥器的底部排出。,(二)液滴的干燥特性,在喷雾干燥过程中,即使初速度很高,但由于液滴很小,其雷诺准数Re一般都是很低的,约在1/10-1/100范围以内。小于50m 的液滴,遂以100-150m/s的相对速度运动,但Re也不超过200。当液滴速度很快衰减到与气流的速度相等时,其Re小于2。,传热膜系数: 当纯液滴在空气流中的运动的Re2时可按传热方程式计算:式中: h-传热膜系数,w/m2.k
6、, D-液滴直径,m -热空气热导率,w/m.k,g-气体的密度,Kg/m3g-气体的粘度,Kg/m.s , Cg-气体的比热,J/Kg.kv-液滴与空气的相对速度,m/s,在喷雾干燥过程中,空气膜的平均温度约为100,即可将Cg,g,g , 等值代入上式,并以D换成m单位,则上式可转化为:传热膜系数与液滴直径成反比,与气体相对速度(V)的平方根成正比。,(三)喷雾干燥对设备的要求,1.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; 2.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; 3.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
7、心中的铁锈以及保温层中材料的泄漏所造成的; 4.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;,5.具有高回收率的粉尘回收装置; 6.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); 7.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); 8.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。 9.对于粘性物料应尽量减少粘壁现象。,二.喷雾干燥器的分类,(一)按生产流程分类 (二)按喷雾和气体流动方向分类 (三)按雾化方
8、法分类,(一)按生产流程分类,1.开放式喷雾干燥系统 如图. 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。,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
9、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。,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
10、,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(惰性气体)作为干燥介质。 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。,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。 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系统,
11、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 .,(二)按喷雾和气体流动方向分类,并流,逆流和混合型三种1.并流: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,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。),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
12、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 。,由于高温热风进入干燥室立即与(含水多的物料)喷雾液滴接触,室内温度急降,不会使干燥的物料受热过度,料温升高较小,因此适宜于热敏性物料的干燥。风与物料接触不充分,越到底部,传热温差小,传热速率小。,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
13、。 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.,2.逆流是喷雾干燥器,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。,对于逆流操作系统中,在塔顶,喷出的雾滴与塔底上来的热空气相接触,因此,蒸发速度较并流的慢。在塔底,最热的干燥空气与最干的颗粒接触,物料易过热. 若干燥产品能经受高温,需要较高的视密度时,则用逆流系统最合适。 逆流过程中,平均温度差和分压差较大
14、,停留时间较长,有利于传质和传热,热的利用率也高。,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。,(三)按雾化方法分类,1.压力是喷雾干燥器 2.离心式喷雾干燥器 3.气流使喷雾干燥器 食品工业上应用以压力式和离心式为主,气流式应用范围较小,这是由于动力消耗大,经济上不合理。,1.压力是喷雾干燥器,2.离心式喷雾干燥器,三、雾化器的结构和雾化机理,喷雾干燥要求雾滴的平均直径一般为20-60um,因此将溶液分散成的雾滴是喷雾干燥的一个关键。它不
15、仅对经济技术指标而且对产品质量均有较大的影响,特别是对热敏性物料的干燥更为重要。,实现物料雾化的雾化器目前有如下三种: 1、压力喷雾器(压力喷嘴) 系利用高压泵(70-200大气压)强制液体通过小孔(孔径为0.5-1.5mm)使之分散成雾滴; 2、气流式喷雾器 利用压缩空气或过热蒸汽(一般为2.5-6大气压表压)的高速流动,将溶液分散成雾滴; 3、离心室喷雾器 利用高速旋转(75-150m/s圆周速度)的圆盘,使液体受离心力的作用而分散成雾滴。,三种雾化方法各有其优缺点,压力喷雾器(机械式)适用于一般粘度的料液,动力消耗最少,大约每吨溶液所需耗能为4-10kw.h,其缺点是必须要有高压泵,喷嘴
16、小易堵塞,操作弹性小,产生调节范围窄。 气流式的动力消耗最大,每料液约需0.4-0.8压缩空气。但其结构简单容易制造,适用于任何粘度或稍有固体的料液。,离心式的动力消耗介于上述两种之间,适用于高粘度或带有固体的料液,而且转盘雾化操作弹性宽,可在设计生产能力的25范围内调节产量,而不影响产品的质量。 其缺点是机械加工要求高,制造费用大,雾滴较粗,喷嘴较大,因此塔的直径也相应的比其他的喷雾器的塔大的多。,(一)机械式喷雾器,目前较为常用的有M型和S型两种。 喷嘴一般均有使液体产生旋转运动的特点。,1.S型喷嘴,结构:喷嘴、喷芯、喷嘴座、管接头、旋转室、导流沟槽等。 喷芯及喷嘴必须用耐磨材料制造。常用的为硬质合金钢,粉末冶金、炭化钨、人造宝石、陶瓷等。在乳品生产中现多为不锈钢喷嘴。喷头小孔为0.5-1.4mm.,