第 八 章 干 燥 Drying 第一节 干燥的基本原理 第二节 干燥设备 第三节   喷雾干燥 第四节 冷冻干燥

第一节 干燥的基本原理 8-1 干燥的目的和方法 8-2 湿物料中的水分 8-3 干燥静力学 8-4 干燥动力学 8.2A 含水量 第一节 干燥的基本原理 8-1 干燥的目的和方法 8-2 湿物料中的水分 8.2A 含水量 8.2B 水分活度 8.2C 吸湿和解湿 8.2D 物料中水分的分类 8-3 干燥静力学 8.3A 干燥过程的物料衡算 8.3B 干燥过程的热量衡算 8.3C 干燥过程空气状态变化分析 8-4 干燥动力学 8.4A 干燥机理 8 .4B 干燥速率 8.4C 干燥时间的计算

8-1 干燥的目的和方法 1.物料去湿 2.干燥的目的 （1）机械去湿法 （1) 延长食品货架期 （2）化学去湿法 （2) 便于贮运 （3）热量去湿法 即为干燥 （3) 加工工艺的需要 3.干燥的方法 （1） 对流干燥 又称热风干燥 （2） 传导干燥 （3） 辐射干燥 包括红外线干燥和微波干燥两种方法

8-2 湿物料中的水分 8.2A 含水量 (1) 湿基含水量 w 是以整个湿物料为基准的含水量表示法 (2)干基含水量 x 8-2 湿物料中的水分 8.2A 含水量 (1) 湿基含水量 w 是以整个湿物料为基准的含水量表示法 (2)干基含水量 x 是以绝对干燥物料为基准的含水量表示法。 两种含水量的换算关系式：

8.2B 水分活度aw (water activity) 水的化学势： 纯水，aw=1, 溶有溶质，一般 aw<1,则 aw越小，相应的 μw 也越低 水分活度aw 的大小是物料中水分化学势μw 高低的标志 实践中水分活度 aw 的定义：

8.2C 吸湿和解湿 aw反映了食品中水分的热力学状态， 微生物生长 aw揭示水参与 的活动性程度 各种酶反应 物料解湿（moisture desorption） 即是干燥过程 （2) 当 aw<φ时， 物料吸湿（moisture sorption） （3) 当 aw =φ时， 达到吸湿—解湿平衡

在达吸湿—解湿平衡时， 相对于物料 湿空气相对湿度称为平衡相对湿度φe 相对于湿空气 物料的含水量称为平衡含水量xe 在数值上，aw = φ e 定温下 x~ aw 的关系曲线，称吸湿等温线

不 同 食 品 物 料 的 吸 湿 等 温 线

温 度 对 吸 湿 等 温 线 的 影 响

8.2D 物料中水分的分类 1.按物料与水分结合方式分类： （1）化学结合水 最牢，不能用一般干燥方法除去。 （2） 物理化学结合水   1.按物料与水分结合方式分类： （1）化学结合水 最牢，不能用一般干燥方法除去。 （2） 物理化学结合水 包括吸附水分，渗透水分和结构水分。 （3）机械结合水 包括毛细管水分、空隙水分和润湿水分。

2.按水分去除难易程度分类 (1）结合水分 （bound water） aw<1 （2）非结合水分 （unbound water） 其 aw≈1 3.按水分能否用干燥方 法除去分类 (1）自由水分（free water） （2）平衡水分 （equilibrium water）

达到解湿平衡，将失去多少水？这时牛肉中还含多 少克水？（鲜牛肉湿基含水量为73％） 例: 10kg牛肉在20℃、相对湿度为0.60的空气中 达到解湿平衡，将失去多少水？这时牛肉中还含多 少克水？（鲜牛肉湿基含水量为73％） 解： ms =m1(1-w1) =10.0×(1-0.73) = 2.70 kg 查图，线4：对应φ=0.60, x2 = 0.14 牛肉还含水 mw2= msx2 = 2.70×0.14 = 0.38kg mw1 = m-ms =10.0-2.70 =7.30kg 0.14 失水 W= mw1-mw2 = 7.30-0.38 = 6.92 kg

8-3 干燥静力学 热风干燥的基本流程

8.3A 干燥过程的物料衡算 1.水分蒸发量和产品量 以 绝对干燥物料作物料衡算 2.干燥空气用量 对进出干燥器的水分作衡算：

称作单位空气用量，kgd/kgw 8.3B 干燥过程的热量衡算 1.耗热量

令：q=Q/W 称单位热耗，J/kgw qL=QL/W —蒸发1kg水相应物料升温所需热量, J/kgw 则 2.热效率

例8-3 用回转干燥器干燥湿糖，进料湿糖湿基含水量为1. 28% ,温度为31℃，每小时生产湿基含水量为0 例8-3 用回转干燥器干燥湿糖，进料湿糖湿基含水量为1.28% ,温度为31℃，每小时生产湿基含水量为0.18%的产品4000kg,出料温度36℃。所用空气的温度20℃，湿球温度为17℃，经加热器加热至97℃后进入干燥室，排出干燥室的空气温度为40℃，湿球温度32℃。已知产品的比热容为1.26kJ/(kg·K)。 试求： （1）水分蒸发量； （2）空气消耗量； （3）加热器所用表压100kPa的加热蒸汽消耗量； （4）干燥器的散热损失； （5）干燥器的热效率。

解 （1）水分蒸发量 （2）空气用量 查图7-20湿空气的h-H图，得 （3）加热器中蒸汽用量 由h-H图可查得 h0=49kJ/kgd, h1=125kJ/kgd,, Tw1=38℃ h2=113kJ/kgd

（4）干燥器的散热损失 （5）干燥器的热效率

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8.3C 干燥过程空气状态变化分析 1.绝热干燥过程 令 n—物料带热散热净和 n=0,则h2=h1，称为绝热干燥过程。

2.实际干燥过程 大多数情况下, n < 0。干燥操作线的斜率 如图中线BC’所示。 若下两过程空 气出口温度同为T2： BC—绝热干燥过程 对应 q,l BC’ —实际干燥过程 对应q’,l’ 则 q’> q l’> l

例: 用气流干燥器将湿基含水量w1=5％的食品 物料干燥到w2=0.25％,产品量m2=1000kg/h。加热介 质用T0=20℃，φ0=0.80的新鲜空气经加热器加热到 T1=140℃，进入干燥器，出口温度T2=95℃，物料 入口温度θ1=50℃，出口温度θ2=80℃，干物料比 热容cs=1.256kJ/(kg.K)。 ⑴若此干燥过程为绝热干燥过程，求水分蒸发量W，空气用量l和热消耗q； ⑵若已知干燥器表面散热QL=33.4MJ/h，试求出 口空气的湿含量H2以及此实际干燥过程的l和q。 解：⑴绝热干燥过程

在h-H图上，查T0=20℃，φ0=0.80, h0=50kJ/kgd T1=140℃ ，h1=173kJ/kgd，H0=H1=0.012kgv/kgd。 过B点作等h线交T2=95℃等温线与C，查得 H2=0.030kgv/kgd, 如图所示。则： q =l(h1-h0）= 56×(173-50) = 6.89×103kJ/kgw (2)实际干燥过程 qL = QL/W = 33400/50 = 668kJ/kgw

qs = m2cs(θ2-θ1)/W = 1000×1.256×(80-50)/50 = 754kJ/kgw n = cwθ1-qs-qL = 4.187×50-754-668 = -1213kJ/kgw 在H1～H2间任取 H = HD = 0.025 h= hD = h1+n(HD-H1) = 173-1213×(0.025-0.012) = 10.2×103kJ/kgw 由HD,hD确定点D,作直线BD交T2 = 95℃等温线于 点C’,查C’的H’2=0.024 kgd/kgw q = l(h1-h0) = 83×(173-50) = 10.2×103kJ/kgw

n > 0 的过程少见。 如干燥需热部分加于干燥室，则 n > 0。

3.中间加热空气的干燥过程 AB’+C’B” = AB, 加热量相同。 优点：空气入干 燥室温度较低，利于 热敏料干燥。

8-4 干燥动力学 8.4A 干燥机理 1. 干燥过程中的传热和传质 （1）外部传热和传质 外部传热是对流传 热，热流密度 1. 干燥过程中的传热和传质 （1）外部传热和传质 外部传热是对流传 热，热流密度 q =α(T-Ts) 外部传质也是对 流传质，（ps-p）是传质的推动力。

（2）内部传热和传质 物料内的传热都是热传导，遵从傅立叶定律 内部的传质机理比较复杂，是下面几种机理的 一种或是几种的结合: ①  液态扩散 ②  气态扩散 ③毛细管流动 ④  热流动 2.表面汽化控制和内部扩散控制 （1）表面汽化控制 像糖、盐等潮湿的晶体物料， 水分的去除主要由外部扩散传质所控制。

8 .4B 干燥速率 （2）内部扩散控制 如面包、明胶等在干燥时， 其内部传质速率较小，为内部扩散控制 （2）内部扩散控制 如面包、明胶等在干燥时， 其内部传质速率较小，为内部扩散控制 同一物料的整个干燥过程，一般前阶段为表面汽化控制，后阶段为内部扩散控制。 8 .4B 干燥速率 1.干燥速率式 干燥速率（rate of drying）定义： ， 单位时间内在单位面积上除去的汽化水分量 用符号u 表示，单位为kgw/(m2·s) 因为dW=-msdx 故

u-t曲线和u-x曲线，称为干燥速率曲线。 2.干燥曲线与干燥速率曲线 （1）干燥曲线 通常将x-t曲线, 称作干燥曲线 （2）干燥速率曲线 u-t曲线和u-x曲线，称为干燥速率曲线。 AB段 物料预热段；. BC段 恒速干燥阶段； 临界点 CE段 降速干燥阶段

3．恒速干燥阶段 上式为理论上计算恒速干燥阶段干燥速率u0的方程。 空气对物料的表面传热系数α的经验公式： （1）空气平行流过物料表面，空气质量流量 qm=0.7~5.0kg/(m2·s)范围内有： （2）空气垂直流过物料表面，空气质量流量 qm=1.1~5.5kg/(m2·s)范围内有：

4.干燥的临界点 恒速干燥阶段到降速干燥阶段的转折点C， 称为干燥过程的临界点. 标志干燥机理的转折： ◆干燥由表面汽化控制到内部扩散控制的转变点 ◆物料由去除非结合水到去除结合水的转折点 物料干燥达临界点C时的物料含水量xc,称为临界含水量（critical water content）。 5.降速干燥阶段 此阶段的干燥机理已转为内部扩 散控制,开始汽化物料的结合水分。 到达E点，x 达到平衡含水量xe 干燥停止，u = 0

8.4C 干燥时间的计算 1.恒速阶段的干燥时间 2. 降速阶段的干燥时间

u0 如已知降速阶段的干燥速率曲线， 积分项 的值, 可用图解积分法求得 如缺乏降速阶段数据，可用近似计算处理 积分项 的值, 可用图解积分法求得 如缺乏降速阶段数据，可用近似计算处理 假定降速阶段 u与 x 呈线性关系 u0 直线斜率为：

3. 干燥的总时间 t = t1 + t2

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第二节 干燥设备 8-5 对流干燥设备 8-6 其它干燥设备

8-5 对流干燥设备 1.厢式干燥器（cabinet dryer) 即盘架式干燥器（tray dryer）, 常压间歇操作 厢内有多层支架，装有物料浅盘置于支架上 空气由风机吸入厢内，加热后均匀地送入各层

2.隧道式干燥器（tunnel dryer) 隧道的两端进、出料车处设置有密封门 装有物料的料盘摆放在料车上， 风机使已预热的空气形强大气流在干燥室中流动

3.带式干燥器（belt dryer) 组成：干燥室、输送带、风机、加热器、提升机、 排气管等 输送带呈环形，介质以穿流方式流过网带 上下相邻的两根环带运动方向相反， 湿物料从最上层输送带加入，依次落入下层输送带，干物料从下部卸出。

4.气流干燥器（pneumatic dryer） 主要由四部分组成： ①加热系统  由空气过滤器，风 机和预热器组成； ② 干燥室 由圆形长管组成； ③ 加料系统 由料斗和加料器组成 ； ④ 气、固分离和粉尘回收系统 由旋风分离器和风机等组成

5.流化床干燥器（fluidized-bed dryer） 主要由四部分组成： ①空气预热系统 由风机和加热器组成 ②干燥室 设有分布板的沸腾室； ③加料系统 由料斗和进料器组成； ④卸料及粉尘分离 系统 由卸料管、 旋风分离器、 风机及袋滤器等组成

8-6 其它干燥设备 1.真空干燥箱 （cabinet dryer with vacuum） 一般由干燥室、冷凝 器和真空泵等三个主要 部分组成。

2.滚筒干燥器（drum dryer） 是一种热传导式的连续式干燥器 主要组成部分： ①滚筒 可以转动的金属圆筒； ②加热系统 由加热剂 （蒸 汽或热水等）供应 机构 组成 ③排气系统 排除蒸汽 及不凝性气体 ④辅助机构 加料、卸 料器等

3.红外线干燥器（infrared dryer） 辐射器发射出红外线辐射至传送带上的物料， 能量被物料吸收而使水分汽化， 通入的空气作为载湿体将水汽不断带走。

4.微波干燥器（microwave dryer） 优点 ●干燥速率快 ●保持食品营养和风味 ●避免表面硬化和局部过热 ●热效率高

第三节   喷雾干燥 喷雾干燥（spray drying）是用雾化器将料液分散成雾滴，与热空气等干燥介质直接接触，使水分迅速蒸发的干燥方法。 8-7喷雾干燥原理及应用 8.7A 喷雾干燥原理 8.7B 喷雾干燥的特点和应用 8-8  喷雾干燥设备 8.8A 雾化器 8.8B 喷雾干燥塔

8-7 喷雾干燥原理及应用 8.7A 喷雾干 燥原理 1.喷雾干燥流程

2.物料衡算和热量衡算 属对流干燥,干燥静力学中讨论的对流干燥的 物料衡算和热量衡算原则适用于喷雾干燥。 物料衡算中，干物料质量恒定,干空气的质量流量恒定。 热量衡算时，n =ε= 0,可作为绝热干燥过程处理 3.喷雾干燥速率和时间 因A很大，Φ很大，故dW/dt 很大。 喷雾干燥时间为恒速和降速阶段干燥时间之和

8.7B 喷雾干燥的特点和应用 1.喷雾干燥的特点 （1）干燥时间很短 数十秒甚至数秒内 （2）干燥温度较低 T<Tw(50~60℃) （1）干燥时间很短 数十秒甚至数秒内 （2）干燥温度较低 T<Tw(50~60℃) （3）简化工艺流程 蒸发，结晶，干燥，粉碎， 筛分等操作一次完成 （4）适于连续化生产 （5）能满足不同食品生产工艺要求 可用以制微胶囊产品 2.喷雾干燥在食品工业中的应用 广泛用于生产：各种奶粉，蛋粉；葡萄糖， 植物蛋白粉；果蔬干粉制品；速溶茶，速溶咖 啡，香料；鱼粉，肉精；酵母粉，酶制剂等

8-8  喷雾干燥设备 8.8A 雾化器 1 压力式雾化器

（1）工作原理 主要由液体切向入口,旋转室,喷嘴孔等组成 由高压泵输送的液体自切向入口进入旋转 室，在室内旋转。 喷嘴中央形成空气旋流 液体则形成绕空气心旋转的环形薄膜 静压能转变为向前旋转 运动的液体的动能，从喷 嘴孔喷出。 在介质的摩擦作用下， 液膜伸长变薄，撕裂成细 丝，进一步断裂成雾滴。

（2）结构型式 ① 旋转型压力雾化器 ② 离心型压力雾化器 （3）滴径

例 奶粉车间进喷雾干燥塔热风温度为145℃，排 风相对湿度10％。车间空气温度24℃，相对湿度60％。 每小时喷含固形物46％的浓缩奶450kg，浓奶含固形物 46％，奶粉含水2.5％。（1）求每小时空气用量；（2） 求空气加热器需表压0.7MPa的蒸汽量；（3）若传热系 数为1200W/(m2·K)，求加热器换热面积。 解 查空气h-H图，由T0 = 24℃,φ=60％ 查得H0 = 0.012kgv/kgd， h0 = 50kJ/kgd, h1 = 178kJ/kgd. 设绝热干燥，由φ2 =0. 10曲线与等h1线交点，得 H2 = 0.035kgv/kgd （1）

（2）查水蒸气表，p = 800kPa 对应T = 170.4℃, Δvh = 2053kJ/kg。 S = Φ/Δvh = 1.32×106/2053 = 642kg/h （3）加热器 ΔT1 = 170.4-24 = 146.4K ΔT2 = 170.4-145 = 25.4K

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2.离心式雾化器 （1）工作原理 料液被输送到高速旋转的盘上， 在旋转面上，伸展为薄膜， 沿转盘周边伸展， 一定距离后破裂， 分散为雾滴。 雾化的能量来源于 转盘旋转的动能

（2） 结构型式 分光滑盘 和非光滑盘

（3） 喷雾矩 雾滴从转盘自水平方向甩出后的运动轨迹 喷雾矩半径： 在圆盘下0.9m处的平面上 占全喷雾质量99%的雾滴喷洒圆的半径（R99）0.9 0.9m (m) (R99)0.9

3.气流式雾化器 （1）工作原理 采用压缩空气或蒸汽， 以很高的速度（300m/s或声速）流动， 带动料液从喷嘴喷出 雾化力： 气液两相很大相对运动速度形成的摩擦力 雾化能量： 源于高速气流的动能

（2）结构型式 分内部混合式、外部混合式和内外混合式等型式

8.8B 喷雾干燥塔 1.干燥塔内雾滴与热空气的流向 （1）并流 分向上并流 向下并流

（3）混流 （2）逆流 热风向上，料液喷下 既有并流，又有逆流

2.喷雾干燥塔的直径和高度 (1) 塔径 ①干燥强度法 干燥强度Us ,单位为kgw/(m3·h) 塔径： ②喷雾矩法 ⑵ 塔高　压力式雾化器　一般　H =（3~5）D 　离心式雾化器 　　H =（0.5~1）D

第四节 冷冻干燥 8-9 冷冻干燥原理 8-10 冷冻干燥装置 冷冻干燥（freeze drying）又称冷冻升华干燥或 第四节 冷冻干燥 冷冻干燥（freeze drying）又称冷冻升华干燥或 真空冷冻干燥，简称冻干。 它是将湿物料降温冻结, 然后在真空条件下使物料中的水分由固态冰直接升 华为水蒸气而排除的干燥方法。 8-9 冷冻干燥原理 8.9A 冷冻干燥基本原理和过程 8.9B 冷冻干燥方程 8-10 冷冻干燥装置 8-10A 冷冻干燥设备 8.10B 冷冻干燥装置型式

8-9 冷冻干燥原理 8.9A 冷冻干燥基本原理和过程 1.冻结物料水分的升华 将固态水在低于三相点的一定压力下加热，水将由固态冰直接变为 8-9 冷冻干燥原理 8.9A 冷冻干燥基本原理和过程 1.冻结物料水分的升华 将固态水在低于三相点的一定压力下加热，水将由固态冰直接变为 气态，是冰的升华 （sublimation）。 冰的升华热 为2.84MJ/kg, 约为熔化热和 汽化热之和。

食品物料随升华干燥的进行，升华前沿 （sublimation front）将逐渐伸入物料内部， 水蒸气要穿过已干物料组织，传质阻力↑ sublimation front

2.冷冻干燥过程 (1）物料预冻 控制冻结速度很重要 （2）升华干燥 精细供热，设置冷阱 （3）解吸干燥 提高温度，剩余水分解吸汽化 3.冷冻干燥的特点 （1）成份破坏小 冻干在低温真空条件下进行， 热敏成分不致被破坏，食品的营养成分和 色香味能得到较好保护。 (2) 组织易复原 冻干中，物料的组织结构很少 受破坏，复水时，几乎可立即恢复食品原 来的结构状态。 （3)脱水较彻底 冻干有解吸干燥 ，制品的 aw ↓ 可在常温下长期贮存。

8.9B 冷冻干燥方程 讨论下基本情形：升华前沿向中心移动 传热传质通过相同已干层，但方向相反 升华干燥速率： kg/(m2·s) 冷 冻 δ/2 q u T2 T1 p2 p1 x2 x1 δd 升华干燥速率： kg/(m2·s)

冷 冻 层 已 干 δ/2 q u T2 T1 p2 p1 x2 x1 δd

升华干燥时间： 代入 两式均称冷冻干燥方程

8-10 冷冻干燥装置 8-10A 冷冻干 燥设备 1.干燥箱 圆筒形 强度高 矩形 空间利用率高 2.制冷系统 物料预冻 圆筒形 强度高 矩形 空间利用率高 2.制冷系统 物料预冻 直接供冷 间接供冷 皆需冷量 冷 阱 直接供冷 3.蒸气排出系统 包括冷阱和真空泵 4.加热系统

8.10 冷冻干燥装置型式 1.间歇式冷冻干燥装置

2.连续式冷冻干燥装置

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