食品干燥原理

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1、第 12章 食 品 干 燥 原 理 本 章 的 学 习 目 的 与 要 求n 能 够 完 成 食 品 干 燥 最 佳 工 艺 优 化 工 作 ；n 掌 握 湿 空 气 的 热 力 学 性 质 ， 熟 练 使 用 焓湿 图 ；n 掌 握 食 品 材 料 的 水 分 性 质 ， 能 够 设 计 计算 干 燥 设 备 ；n 了 解 食 品 真 空 冷 冻 干 燥 技 术 原 理 与 装 备 。 12 1 湿 空 气 的 热 力 学 性 质n 绝 对 湿 度 和 相 对 湿 度n 湿 含 量n 湿 空 气 的 比 热 容 和 比 体 积n 湿 空 气 的 热 含 量n 干 球 温 度 、 湿 球 温

2、度 和 露 点 温 度 绝 对 湿 度 和 相 对 湿 度RTMGVp vvv TRpvvv TRpvss svsv pp 湿 含 量 vvav vaav pP ppR pRd 622.0 比 热 容 和 比 体 积ddccc vaH 93.10.1 vaaH pP TRmVv 热 含 量 dTd TcLdTch vva 250093.10.1 干 球 温 度 、 湿 球 温 度 、 露 点 温 度 12 2 焓 湿 图 两 种 图 的 关 系 前次课堂内容的简单回顾n 湿 空 气 干 空 气 +水 蒸 气n 湿 空 气 的 湿 含 量 d、 热 含 量 h、 比 热 容 cp、比 体 积 v

3、H是 以 含 1kg干 空 气 的 湿 空 气 所 具有 的 量 。n 湿 球 温 度 是 绝 热 饱 和 温 度 ， 露 点 温 度 是等 湿 饱 和 温 度 。 12-3 湿 物 料 的 性 质 水 分 性 质n 组 织 结 构 束 缚n 分 子 间 力 的 束 缚n 自 由 水n 化 学 结 合 水n 物 理 化 学 结 合 水 湿 物 料 的 含 水 量dsd mmM 干 基 水 分 sd sW mm mM 湿 基 水 分水 分 活 度 sppa 平 衡 水 分 Me 12-4 常 压 热 风 干 燥L,T0,d0,0,h0 1,MW1,m1 2,MW2,m2 L,T2,d2,2,h2

4、L,T1,d1,1,h1 干 燥 计 算 质 量 衡 算n求解：水分蒸发量；所需要的空气量；所需要的热量；湿物料添加量;风机功率等。 2211 11 WWd MmMmm 1 2122 21121 11 W WWW WWs MMMmMMMmmmm n已知：干制产品量；产品含水量；湿物料含水量。 1221 11 WWMMmm 干 燥 计 算 质 量 衡 算n注意：将湿空气参数与物料变量结合起来，在它们之间进行着传热与传质。 1221 ddLMMmm ddds 1212 21 dd mdd MMmL sddd 12 1 ddmLl s 干 燥 计 算 热 量 衡 算 LQLhLhQ 200 LQhh

5、LQ 020 0Q0h 1h 2h LQ Ls qhhlmQq 0200 010 hhlq 21 hhlqL 热 损 失 分 析n 废 气 带 走 热 量 ；n 物 料 带 走 热 量 ；n 什 么 情 况 下 h1 h2？ 什 么 情 况 下 h2h1？n 从 干 燥 器 表 面 散 失 的 热 量 ；n 干 燥 器 内 设 施 加 热 的 热 量 ； 干 燥 器 热 效 率 、 干 燥 效 率 和 蒸 发 效 率%10001 21 TT TTh %1001 21 se TT TT %10093.100.1 2121 TTdL LmTTLc Lm VsH VsD 热效率蒸发效率干燥效率 例

6、题 -1n空气的温度为30，露点温度为12，问：1）当冷却到16时，相对湿度为多少？ 2）有600m3的空气，当温度从30冷却到2时，能失去多少kg水？ 例 题 -2n温度为16，相对湿度为65的空气被加热到38，通过食品料层后排出的废气相对湿度为90，求1）每kg空气需要多少热量？2)每kg空气去掉多少食品中的水分？ n要在10小时内将42000kg含水率为24的物料干燥至15.5，如果干燥空气从温度为5，相对湿度为60的环境状态下加热至43，试确定风机的风量（m3/h）。假定从该物料中排出的废气相对湿度为98，问需要多大的加热器(kJ/h)？ 例 题 -3 n 解 题 步 骤 分 析 1

7、2122 21121 11 W WWW WWs MMMmMMMmmmm 12 ddm mmL s vLV 或 者 02 hhh hLQ 12-5 干 燥 理 论n物料干燥过程的推动力和阻力dxdMAkdtdm www dxdTAkdtdm TT 热 风 干 燥 和 辐 射 干 燥接 触 干 燥 和 微 波 干 燥 n表 面 汽 化 控 制 和 内 部 扩 散 控 制n表面汽化控制：n内部扩散控制：粉 末 食 品 ， 结 构 疏 松食 品 ， 干 燥 初 始 阶 段大 块 状 食 品 ， 结 构 致密 食 品 ， 干 燥 后 期 阶段 ， 易 形 成 致 密 膜 食品 ， 畜 肉 制 品 等 干

8、 燥 过 程n预热阶段 n等速干燥阶段n降速干燥阶段n缓苏阶段n冷却阶段 等 速 干 燥 计 算c dcdc R MMt 0 dV Mdc cL TTdtdMR 8.0305.14 L 37.01.24 L 降 速 干 燥 1110 ln dd ddcc ddcc dcd MM MMR MMR MMt 例 题n用10蔗糖溶液处理过的苹果片的干燥实验曲线，实验条件是：空气平行流过苹果片，流速3.65m/s。干燥开始40min，所用空气的干球温度76.7，湿球温度37.8。之后，所用空气的干球温度71.1，湿球温度43.3。苹果片初始湿基水分为85.4%，堆放厚度0.0127m，求干燥至湿基水分1

9、3时所用的时间。 解：1)将实验曲线图(a)转换成图(b)。 2)从例题附图(b)可知，降速干燥阶段存在两个阶段，即第一降速阶段和第二降速阶段。因此，应采用式(12-48)计算所用时间。 3)由 已 知 条 件 确 定 公 式 中 各 参 数85.54.85100 4.850 dM 149.01310013 dM 5.2dcM4)由 图 确 定 公 式 中 各 参 数 0.11 dcM35.0 1 dM 10.02 dM165.0cR 11 110 ln ddc ddcc ddcc dcd MM MMR MMR MMt 22112 211 ln dd ddcdd ddcc ddc MM MMM

10、M MMR MM 课 堂 小 结n 熟 练 常 压 热 风 干 燥 计 算 方 法 ， 掌 握 物 料 水 分 计算 方 法 和 空 气 参 数 计 算 间 的 关 系 ， 熟 练 应 用 湿空 气 焓 湿 图 解 决 干 燥 计 算 问 题 。n 干 燥 过 程 中 存 在 两 种 控 制 ： 即 表 面 汽 化 控 制 和内 部 扩 散 控 制 ， 如 何 调 控 使 干 燥 过 程 达 到 最 佳是 食 品 工 程 师 的 任 务 。n 了 解 常 用 的 干 燥 设 备 结 构 与 特 性 。 思 考 题n 图 12-5 当 相 对 湿 度 5%和 10%与 温 度 线 100相 交

11、后 ， 为 什 么 与 湿 含 量 无 关 ？ 能 用 公 式 说 明吗 ？n 对 于 以 表 面 汽 化 控 制 为 主 的 材 料 ， 在 干 燥 工 艺设 计 时 如 何 提 高 干 燥 速 率 ？n 物 料 中 的 水 分 在 向 外 迁 移 时 ， 什 么 时 候 以 气 态为 主 ， 什 么 时 候 以 液 态 为 主 ？n 为 什 么 干 燥 完 成 后 ， 还 要 冷 却 ？ 冷 冻 干 燥 原 理1Torr（托）1mmHg133Pa 冬 天 结 冰 衣 服 风 干 ？真 空 冷 冻 干 燥 1、 增 加 压 差2、 减 少 阻 力温 度 升 华 /汽 化 热kJ/kg 饱 和

12、 蒸 气压Pa10 2477.1 12280 2500.8/2835 611.2-10 2836.5 259.9 -20 2838.0 103.3-30 2838.7 38.0-40 2838.6 12.8-50 2837.8 3.9-60 2836.3 1.08 冻 干 过 程 除 自 由 水 （ 游 离 水 ） 除 束 缚 水 （ 结 合 水 ）Q2 Q3 下 搁 板冻 结 层升 华 界 面干 燥 层Q1 样 品 瓶上 搁 板 传 热 控 制 过 程 ： 热 量 不 足 引 起 升 华 速 率 下 降 。传 质 控 制 过 程 ： 水 蒸 汽 扩 散 的 阻 力 大 ， 引 起 压 力 和

13、 温 度 上 升 ，使 冻 品 融 化 。King提 出 的 URIF(uniformly retreating ice front)两 个 假 设 ： 1） 冰 晶 在 冻 品 中 分 布 均 匀 ； 2） 升 华 界 面 后 移 所 形成 的 多 孔 层 是 绝 对 干 物 质 。首 先 建 立 水 蒸 气 在 多 孔 干 燥 层 内 部 的 干 燥 方 程 ：干 燥 表 面 至 冷 阱 表 面的 摩 尔 质 量 扩 散 方 程 ： si PPXRTDG 1 asm PPRTG 2 稳 态 传 热 与 传 质 共 晶 点 、 共 溶 点 、塌 陷 温 度 与 玻 璃 化 温 度 B C D

14、W eW 1a 1b 1BA b 2 E Ha 2W 2 v优质：基本保持食品原有的色、香、味、形，维生素和蛋 白质等营养物质损失少。v方便：食用或加工前，复水快，可直接食用或烹调。v不用冷藏：密封包装后，可在常温下长期贮存、运输和销售。v重量轻：满足宇航、旅游等人员需求。v成本高：冻干食品成本是热风干燥食品的46倍。 冻 干 食 品 的 特 点 药 品 冷 冻 干 燥 技 术 与 其 它 干 燥 方 法 相 比 具 有 以 下 几 个 特 点 ：n 冻 干 在 低 温 下 进 行 ， 能 最 大 程 度 避 免 生 物 蛋 白 、 激 素 、疫 苗 等 药 品 中 的 活 性 成 份 产 生

15、 变 性 或 失 去 生 物 活 力 。n 冻 干 在 真 空 下 进 行 ， 氧 气 含 量 小 ， 能 使 药 品 中 易 氧 化 的物 质 得 到 保 护 。n 药 品 中 的 挥 发 性 成 份 能 得 以 尽 可 能 的 减 少 。n 药 品 中 微 生 物 的 生 长 和 酶 的 作 用 几 乎 无 法 进 行 。n 药 品 冻 干 后 能 最 好 地 保 持 药 品 原 来 的 形 状 。n 药 品 冻 干 后 具 有 较 好 的 复 水 性 。n 冻 干 可 除 去 药 品 中 95%以 上 的 水 分 ， 使 其 能 在 室 温 或 相对 较 高 温 度 下 长 期 保 存

16、。 n 冻 干 设 备 的 初 期 投 资 较 大 、 冻 干 过 程 能 耗 较 高 主 要 组 成 二、主要组成 制 冷 真 空 加 热 控制 干 燥 机 清 洗 消 毒 压 力 与 蒸 气 体 积 (冷 阱 的 必 要 性 ）1克 水 体 积常 温 常 压 下 1毫 升100Pa， -20 下 1200000毫 升RTMmPV 253K KkmolJ8314 18 0.001kg Pa100 TR MmP 结 构 冻 干 机 结 构 食 品 冻 干 工 艺预处理装盘速冻捕水器温度降至40以下加热真空升华干燥解吸干燥包装 预 冻 方 法 （ 制 冷 部 分 1）机 内 ：机 外 ：慢 速

17、冻 结快 速 冻 结 表 层区 柱 状区 晶 粒区 冰 晶冰 间质 搁 板 捕 水 器 与 冻 干 机 性 能 （ 制 冷 部 分 2）n 捕 水 器 是 冻 干 系 统 中 能 耗 最 大 的 部 件n 升 华 阶 段 负 荷 大 ， 解 析 阶 段 负 荷 小 。n 捕 水 器 结 构 优 化 设 计 是 提 高 系 统 性 能的 关 键 之 一n 真 空 阻 力 小 ， 结 霜 量 大 且 均 匀 ， 易 融霜 是 设 计 目 标 。 真 空 与 系 统 性 能n 真 空 度 过 高 ， 虽 然 降 低 全 压 ， 但 对 传 热不 利 。n 真 空 泵 抽 出 系 统 渗 入 的 不

18、凝 性 气 体n 捕 水 器 抽 出 水 蒸 气n 开 始 阶 段 真 空 泵 负 荷 大 加 热 系 统供热不足：升华热补充不上，造成冻干品温度下降，饱和蒸气压随之下降，在捕水器温度不变情况下，水蒸气驱动压差减小。供热过多：升华界面容易融化，此外，升华干燥层可能出现塌陷。n 微 波 加 热 法n 接 触 加 热 法n 辐 射 加 热 法n 接 触 、 辐 射 混 合加 热 法 冻 干 赋 形 /保 护 剂赋 形 剂保 护 剂 蛋 白 质 氨 基 酸 醇 碳 水 化 合 物 其 它单 糖 双 糖 多 聚 糖人 血 清蛋 白 ，白 明 胶 甘 氨 酸 ，精 氨酸 ，丙 胺酸 甘 露 醇 ，聚 乙二 醇PEG 葡 萄 糖 ，果 糖 乳 糖 ，麦 芽糖 ，蔗 糖 ，海 藻糖 右 旋 糖苷 ，HP CD 矿 物 质 ， 表 面活 性剂 ， 多 聚物 ， 缓 冲盐 冻 干 终 点 判 断常 规 方 法 ： 冻 干 品 温 度 内 外 一 致 （ 升华 干 燥 结 束 ）捕 水 器 温 度 下 降 （ 升 华 干 燥结 束 ）干 燥 箱 压 力 下 降解 吸 干 燥 结 束 （ 试 验 确 定 ） 动 压 测 量 技 术2 6543 1 压力（Pa） 时 间 （ s） 本 章 结 束