第十一章生物工程设备课件

第十章干燥过程与设备第一节气流干燥第二节喷雾干燥第三节沸腾干燥与沸腾造粒干燥第四节真空干燥和真空冷冻干燥概论利用热能除去固体物料中湿份的单元操作产品生产最后工序常用方法：对流干燥、冷冻干燥、真空干燥、微波干燥等主要内容：干燥设备和计算分类方式热能传递给湿物料的方式：直接干燥、间接干燥、介电加热干燥操作方式：连续操作和间歇操作1.直接干燥热空气与物料直接接触，物料干燥所需的热量主要依靠物料与热空气的对流传热。包括：表面干燥、气流干燥、喷雾干燥、振动干燥及沸腾造粒干燥热空气温度较高，干燥速度大，设备投资少，但热效率低应用最广泛2．间接干燥物料干燥所需要的热量通过金属等材料直接传递干燥速度慢，设备造价高，但热效率高间接干燥设备有：真空干燥、冷冻干燥、辐射干燥3．介电加热干燥高频高燥和微波干燥等间歇操作小批量生产，处理量少或多品种生产；与干燥衔接的前后工段生产不连续；物料的供给、成品的排出和物料在干燥器内连续输送有困难；干燥时间极长的物料设备简单，操作中故障少，投资和操作费用少；其缺点是物料受热时间长，不适用热敏物料；劳动强度大；自动控制比较麻烦连续操作热效率比间歇干燥高，容易实现自动化，操作人员少大量处理及热敏性物质的干燥我国干燥设备现状数百家干燥设备制造企业，干燥设备行业协会基本上已经满足国内市场的需求，某些型号的设备还出口到国外接近或达到90年代国际水平仍有差距第一节气流干燥一、气流干燥流程与设备二、气流干燥器的型式三、气流干燥的特点和适用范围四、气流干燥的计算一、气流干燥流程与设备概念：把含有水的块状或粉粒状物料，通过适当的方法使它们分散到热空气中，在与热气流并流输送的同时进行干燥而获得粉状干燥制品的过程。流程：湿物料加料斗加料器气流干燥管分离器固体产品锁气管出口9卸出，风机排走废气经二、气流干燥器的型式（一）按照加料方式分类直接加料型带分散机型带粉碎机型（二）按干燥管形状分类直管式适用于比较容易干燥的物变径管式将颗粒等速运动段的直径扩大，使物料与气流的相对速度加大，有利于颗粒表面气膜更新三、气流干燥的特点可获得高度干燥的成品适用于热敏性物料的干燥热效率高热损失少设备简单，操作容易，投资少操作稳定，便于自动化。整个过程都是连续的，便于与前后工序衔接可以有很大的装置规模。四、气流干燥的计算（1）通过基尔比切夫准数求出物料的悬浮速度和干燥过程终空气与物料的给热系数α：——微粒平均直径，m，可用筛子分级，根据筛孔平均直径计算；——微粒的平均密度，kg/m3；——空气在干燥管内平均温度时的密度，kg/m3；——空气在干燥管内平均温度时的运动粘度，m2/s。求得准数Ki后，可根据图11-5所示的关系求出颗粒悬浮雷诺准数，这样便可以求出颗粒的悬浮速度。可以从雷诺准数来查出努塞尔特准数，这样就能确定空气与物料颗粒之间的给热系数。式中——在平均温度时，空气的导热系数，kJ/（m2·h·℃）。（2）微粒总表面积的计算设微粒为规则的球形，表面积为：式中——每小时进入干燥管的微粒个数式中——干燥器的生产能力，kg/h所以，m2/h（3）干燥时间的计算物料与空气之间的平均温差为：，——进入和离开干燥器的热空气的温度，℃；——干燥时的微粒的温度，即湿球温度。空气传给物料的热量可用下列公式计算：——空气加热器的热损失，kJ/h，；——干燥器的热损失，kJ/h；——当初始空气湿含量为，离开干燥器的温度为时的热焓量。——初始空气的热焓量，kJ/h；——通过物料平衡计算得到的空气量，kg干空气/h。干燥过程所需要的时间：（4）干燥管的长度与直径——干燥管长度，m；——空气在干燥管内流速，根据物料性质选用，一般为10~20m/s；——颗粒悬浮速度，m/s；式中D——干燥管的直径，m。第二节喷雾干燥喷雾干燥：利用喷雾器将悬浮液和粘滞的液体喷成雾状，形成具有较大表面积的分散微粒同热空气发生强烈的热交换，迅速排除本身的水分，在短时间内获得干燥。压力喷雾法（又称机械喷雾法）：利用往复运动的高压泵气流喷雾法：依靠的压缩空气通过喷嘴时产生的高速度，将液体吸出并雾化离心喷雾干燥法：利用在水平方向作高速旋转的圆盘给予溶液离心力，使其高速甩出，形成薄膜、细丝或液滴，同时又受到周围空气的摩擦、阻碍与撕裂等作用形成细雾气流喷雾干燥设备气流喷雾干燥流程、特点组成：喷雾干燥塔、喷嘴外，还有空气加热器、压缩空气系统和空气过滤器等流程：压缩空气从切线方向进入喷雾器外面的套管，形成空气涡流，并在喷嘴处形成低压区，吸引液体混合并使之微粒化。热风从干燥塔的上部经空气分配盘进入，与喷雾后的液体微粒相遇，使之干燥，干燥后的物料由塔底部排出，废气沿回风管导入袋滤器或旋风分离器，收集随废气带走的粉末状产品，然后经排风机排入大气中。特点：结构简单，操作方便和可靠，获得的产品质量好气流喷雾干燥塔的构造构成：干燥室、气流喷雾器、分配盘、螺旋排风管、回风管、袋滤器。各部件的功能：–气流喷雾器：使料液雾化–分配盘：使空气形成旋流与雾滴接触，提高干燥效果–螺旋排风管：使气固两相分离–回风管：尾气排放–袋滤器：尾气过滤（一）物料中水分的性质物料含水性质：游离水和结合水游离水：细胞外或毛细管中，结合力弱，可以流动，容易除去结合水：渗透水、结构水分，结合力强，难以流动，难除去（二）干燥机理传热传质同时进行，空气为载热体和载湿体传质速率：内部向表面的扩散（湿度差）；汽化并被带走（表面气膜内与气流主体中水分蒸汽分压差）汽化控制（表面汽化速率小于内部扩散速率）和内部扩散控制（内部扩散速率小于表面汽化速率），可通过改善内、外部传递因素而强化（三）恒速干燥和降速干燥1.干燥速度（v）2.恒速干燥阶段3.降速干燥阶段1.干燥速度（v）111cmdmdmdvAdtAdtAdtv——干燥速度；m1——汽化水分量m2——湿物料量；A——干燥面积——湿物料的湿含量（干基）t——干燥时间2.恒速干燥湿物料表面温度等于空气湿球温度，温差不变，传热速率恒定，传质速率恒定；速度取决于表面汽化速率（外部干燥条件），表面汽化控制阶段游离水分为主3.降速干燥阶段低于临界点，升温下进行干燥速度取决于物料本身性质和干燥温度内部扩散控制阶段结合水为主二、生物工业产品干燥的特点热敏性物质快速高效，温度适宜，干燥时间要短，不应混入杂质干燥失活或变质：干燥温度、维持时间、活化能有关酶和蛋白质等的失活动力学：dpkpd0lnpkp失活方程0lnexp()pEZpRTp,p0——起始时刻及t时产物的活性E——产物失活时的活化能Z——频率因子T——t时刻的温度R——常数三、干燥设备的选型原则处理物料的理化性质、生物化学性能及其生产工艺，热敏性而言的类型：瞬时快速干燥设备、低温干燥设备及其他原则：产品质量要求（活性）、产品纯度（无菌、密闭、灭菌设施）、物料的特性、产量及劳动条件干燥设备类型见表2-5-1，教材299面第二节非绝热干燥设备一、常压干燥设备——麦芽干燥塔二、真空干燥设备一、常压干燥设备——麦芽干燥塔（一）单层高效麦芽干燥塔结构与操作优点：生产能力大，机械化操作，自动控制；技术经济和热力指标良好；结构简单，造价低（二）设计计算1.生产能力：2.空气耗量（含水量大于10%）水分蒸发速率：3.热量计算：干燥初期热量消耗2124VGhAV0eWGxx()gWkAxx3.热量与压力损失计算3.干燥初期热量消耗Q1——空气在加热器内吸收的热量Q2——空气在第一小时内带走的热量Q3——干燥塔热损失4.压力损失计算：厚0.3-1.5米，气流速度为0.3-15米/秒时123QQQQ1.081.5550.110pHv二、真空干燥设备真空下，接触式干燥过程，热敏性、易氧化物料；设备：密闭干燥室、冷凝器和真空泵组成真空箱式干燥器：干燥室，中空盘架带式真空干燥器：液状浆状，耙式真空干燥器机械真空泵和蒸汽喷射泵SZG系列双锥干燥机SZG系列双锥干燥机示意图YZJ真空干燥机圆通真空干燥机一、气流干燥原理及设备（一）气流干燥原理热气流将物料在流态下干燥潮湿分散状态颗粒湿物料，悬浮在热气流中，特点：干燥强度大；干燥时间短；适用性广；结构简单等。图13-1气流干燥流程1-空气过滤器2-预热器3-干燥管4-加料斗5-螺旋加料器6-旋风分离器7-风机8-锁气管9-产品出口712345986（二）气流干燥设备长管式气流干燥器：空气过滤器、空气加热器、干燥管旋风式气流干燥器计算：PG正负两级气流干燥机流程示意图QG系列气流干燥机计算1.颗粒悬浮速度：基尔比切夫准数与雷诺准数的关系（图2-5-10）：悬浮速度：324()3ssgKidReasvd空气与物料对流传热系数sNuKdNu可以按Re与Nu（努塞尔特准数）关系查出，图2-5-11，教材310为空气在干燥管内平均温度下的导热系数（2）物料的总表面积和（3）干燥时间（2）物料的总表面积；（3）干燥时间：6ssGAd3600'2QAT（4）干燥管长度和直径长度：直径：0()lvv43600LDv二、喷雾干燥原理及设备（一）原理和特点喷雾器将原料喷成雾状，与热空气发生热量和质量传递的干燥过程特点：干燥速度快、干燥温度较低、产品分散性和溶解性良好流程见图2-5-12，313面248765成品热空气废气料空气图13-9气流喷雾干燥流程1.6-过滤器2-空气分配盘3-袋滤器4-回风管5-电加热器7-瓷环8-棉兰3（二）喷雾干燥设备关键：喷雾器；压力式喷雾器（压力喷雾干燥塔）气流式喷雾器（气流喷雾干燥塔）离心式喷雾器（离心喷雾干燥塔）高速离心喷雾干燥机压力喷雾式干燥机1.气流式喷雾器（气流喷雾干燥塔）结构见2-5-13以高速气流通过喷嘴（孔径1-4mm）时将料液吸入、雾化，内部混合式和外部混合式689311236891368961832221968221863910927bcdef图13-4气流干燥器型式预热器2-加料器3-混合器4-分散机5-粉碎机6-干燥管7-分级器8-旋风分离器9-袋滤器10-空气净化器11-空气过滤12、13-风机2.离心喷雾干燥塔酶制剂；高速旋转圆盘产生离心力将料液甩出，与空气摩擦等作用而成细雾状被干燥的过程热风盘和离心喷雾机计算1.喷雾干燥室直径：A.根据喷距半径：或max2.25Dr0.210.20max0.163.3DGrn104ln3mvdrvB.根据干燥强度131.05()vQDA（三）附属设备1.空气加热器：传热面积2.粉尘分离器：扩散式旋风分离器011.15()2sQATTKT三、流化床干燥原理及设备（一）流化床干燥原理及特点原理：利用热空气使置于筛板上的颗粒状湿物料呈沸腾状态的干燥过程（空气流速与物料自由沉降速度相等）特点：传质速率大；干燥温度均匀，易控制；利于连续化、自动化操作，能耗小等。适用颗粒直径：30微米-6毫米（二）设备单层（单室和多室）和多层流化床干燥器、沸腾造粒干燥器干燥流程1.单层卧式多室流化床干燥器物料2348765910图13-20卧式多室沸腾干燥器空气加热器2-料斗3-风道4-风口5-成品出口6-视镜7-干燥室8-旋风分离器9-细粉回收器10-离心通风机废气2.沸腾造粒干燥器倒圆锥形，锥角30度造粒过程：料液水分完全蒸发，本身形成颗粒；附着在晶核后水分蒸发，种子表面形成薄膜；种子之间的碰撞粘连；影响因素：停留时间、摩擦作用、干燥温度沸腾制粒干燥机3.计算（1）临界流化速度方法21.820.9430.060.88()9.310ssmfdvRemfmfsvDRemfAr1400+5.22Ar22sdsgAr（2）操作流化速度大于临界流化速度而小于带出速度