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流化床干燥机讲述冷冻干燥的原理
2021-04-14 19:24:45
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流化床干燥机讲述冷冻干燥的原理


一、 干燥原理    

干燥泛指从湿物猜中除掉水分(后面的干燥泛指水分)或其他湿分的各种操作。如在日常生活中将湿润物料置于阳光下曝晒以除掉水分,工业上用硅胶、石灰、浓硫酸等除掉空气、工业气体或有机液体中的水分(减湿)。在工业生产中,干燥一般指用热空气、烟道气以及红外线等加热湿固体物料,使其中所含的水分或溶剂汽化而除掉,是一种归于热质传递进程的单元操作。干燥的目的是使物料便于储存、运输和运用,或满意进一步加工的需求。例如谷物、蔬菜经干燥后可长时刻储存;合成树脂干燥后用于加工,可防止塑料制品中呈现气泡或云纹;纸张经干燥后便于运用和储存。干燥广泛应用于化工、食物、轻工、纺织、煤炭、农林产品加工和建材等各部门。

原理:在必定温度下,任何含水的湿物料都有必定的蒸气压,当此蒸气压大于周围气体中的水汽分压时,水分将汽化。汽化所需热量,或来自周围热气体,或由其他热源经过辐射、热传导供给。含水物料的蒸气压与水分在物猜中存在的办法有关。物料所含的水分,一般分为非结合水和结合水。非结合水是附着在固体外表和孔隙中的水分,它的蒸气压与纯水相同;结合水则与固体间存在某种物理的或化学的作用力,汽化时不但要战胜水分子间的作用力,还需战胜水分子与固体间结合的作用力,其蒸气压低于纯水,且与水分含量有关。在必定温度下,物料的水分蒸气压p同物料含水量x(每千克肯定干物料所含水分的千克数)间的联系曲线称为平衡蒸气压曲线(图1平衡蒸气压曲线),一般由实验测定。当湿物料与同温度的气流触摸时,物料的含水量和蒸气压下降,体系到达平衡时,物料所含的水分蒸气压与气体中的水汽分压持平,相应的物料含水量x﹡称为平衡水分。平衡水分取决于物料性质、结构以及与之触摸的气体的温度和湿度。胶体和细胞质物料的平衡水分一般较高,经过干燥操作能除掉的水分,称为自由水分(即物料初始含水量x1与x﹡之差)。

将湿物料置于温度、湿度和气速都安稳的气流中,物猜中的水分将逐渐下降。由实验可测得干燥速率 N与物料含水量x的联系曲线(图1干燥速率曲线),此曲线称为干燥速率曲线。干燥速率为单位时刻内单位物料外表汽化的水量,即:

式中G为肯定干物料的质量;A为露出于气流中的物料外表积;x为物料的含水量;τ为干燥时刻。从图示的干燥速率曲线可知:湿物料的干燥进程分为恒速干燥和降速干燥两个阶段,分界点的含水量称为临界含水量Xc。临界含水量不只取决于物料的性质和结构,还与气速、温度和湿度以及干燥器的类型有关。在恒速干燥阶段,物料的含水量大于临界含水量,物料外表布满非结合水分。若热量的供给仅来自热气体,则物料的外表温度等于气体的湿球温度。此阶段的干燥速率与物料的性质和含水量无关,仅取决于干燥器的结构以及气体的流速和性质。恒速干燥阶段所汽化的水分,悉数为非结合水分。在降速干燥阶段,物料的含水量低于临界含水量,干燥速率的改变规则与物料的性质和结构尤其是水分的存在办法有关。这时水分在固体物料内部的扩散起重要作用。减薄物料的厚度或减小其粒度,能够有效地进步干燥速率。降速干燥阶段汽化除掉的水分包含剩余的非结合水分和部分结合水分。物料的温度在干燥进程中逐渐升高。

二、 干燥品种  

依据热量的供给办法,有多种干燥类型:①对流干燥。使热空气或烟道气与湿物料直触摸摸,依托对流传热向物料供热,水汽则由气流带走。对流干燥在生产中应用较广,它包含气流干燥、喷雾干燥、流化干燥、反转圆筒干燥和厢式干燥等。②传导干燥。湿物料与加热壁面直触摸摸,热量靠热传导由壁面传给湿物料,水汽靠抽气设备排出。它包含滚筒干燥、真空耙式干燥等。③辐射干燥。热量以辐射传热办法投射到湿物料外表,被吸收后转化为热能,水汽靠抽气设备排出,如红外线干燥。④介电加热干燥。将湿物料置于高频电场内,依托电能加热而使水分汽化,包含高频干燥、微波干燥。在传导、辐射和介电加热这三类干燥办法中,物料受热与带走水汽的气流无关,必要时物料可不与空气触摸。

依据干燥物料所处环境压强可分为:①常压干燥。干燥操作在常压条件下进行,此办法较为多见,大多数干燥设备都为常压干燥。②加压干燥。干燥操作在高于大压力下进行,此法较为少见。③真空干燥。为更好地维护干燥物料,有必要下降加热温度。但当温度低于沸点时,干燥进展很慢。恰当下降压力可使水沸点温度下降,有利于缩短干燥时刻。

依据物料的加热温度可分为:①高温干燥。加热温度大于等于大气压力下水的沸点,此法物料干燥速度较快,但较易引起物料特性的改变。②常温干燥。在常温条件下对物料进行干燥,例如:风干、阴干等,此法能够较好地维护物料原有的特性。③冷冻干燥。对物料进行冷冻,使物料冻住,在物料不解冻的条件下进行干燥。此法能够较大程度地坚持物料原有特性,干燥前后的物料无化学改变。

三、 压强与沸点温度的联系

物质从液相变为气相的进程叫做汽化。由液相变为气相的转折点温度叫沸点。依照物质分子运动论的观念,气体中的分子均匀距离比液体中的大得多。液态时,物质分子之间有较强的吸引力,物质从液相转变为气相,有必要战胜分子间的引力而做功,这种功称为内功。别的,当物质从液相变为气相时,体积将增大许多倍,因而还有必要反抗大气压力而做功,这种功称为外功。做功需求耗费必定的能量。当液体蒸腾或沸腾时,坚持温度不变,都有必要从外界输入能量,这便是液体汽化时需求汽化热的原因。假设液体在绝热下蒸腾,则液体的温度将下降,这一现象被用来取得低温。例如,使用液氦的绝热蒸腾,可取得约为0.7K的低温。

对于水来说,其沸点温度与压强联系有着一一对应联系,压强低其沸点温度也低。表1为不同的压强下水的沸点温度数据。


压强Pa 104980 101325 70106 47395 31161 19910 12330 7378 4242 2337 1228 610.5

沸点℃ 101 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

            表 1  压强与水的沸点温度 

当压强为610.5Pa时,对应沸点温度为0℃,因为此温度又是水的冰点,在此点水的汽、液、固三态并存,咱们把此点叫做水的三相点。

四、 汽化与进步

物质从液相变为气相的进程叫做汽化。在图2中,对于水来说,如环境温度大于0℃、水汽分压P水汽小于水的饱满蒸汽压P饱满,则汽化能顺利进行。目前大多数干燥办法都是照此原理进行工作。

物质从固相变为气相的进程叫做进步。在图2中,假设环境温度小于0℃,水以固态冰的形式存在,环境中水汽分压P水汽小于冰外表的水饱满蒸汽压P饱满,则进步能顺利进行。如此刻环境中水汽分压P水汽大于冰外表的水饱满蒸汽压P饱满,则水汽凝结成冰或霜,咱们称此为凝华,它是进步的相反进程。

五、 冻干现象

人们普遍的概念,清洗衣料后,衣料干燥应在较高的温度、通风干燥的环境下进行,环境温度越高、空气干燥度越高,则衣料干得越快。可在酷寒地区,人们发现洗过的衣料,凉在一直冰雪不化的背阳处,冻成硬梆梆的衣料也会干燥。别的人们也发现放在冷库、冰箱冷冻室中未包装的食物,尽管冻得很硬,但外表现已干燥,这些便是冻干现象。

六、 冻干原理及界说

从图2中咱们能够看出,当温度为0℃时,水刚好处于冰点,此刻水处于液、气、固三态并存,咱们把此点叫做水的三相点。温度向上,水以汽、液二相呈现;温度向下、水以汽、固二相形态呈现。

当水冻住成冰后,早年面的学习中咱们知道,只需环境中的水汽分压P水汽小于对应温度冰的饱满蒸汽压P饱满,则冰直接从固态变为汽态而进行干燥进程,咱们把这一进程叫做进步干燥,冰直接从固态变为汽态的现象叫进步。

咱们把物料在冻住的情况下进行干燥,在干燥进程中冰不溶化,冰从固态直接汽化而干燥的进程叫冷冻干燥(简称冻干)。

七、 冻干物料的特点

1. 含水量、吸湿性及存贮功能

    冻干脱水比较彻底,冻干物料含水量在5%以下。因为进步干燥前的冻住,使物料形成了一个安稳的固体骨架,冰晶进步后,固体骨架根本不变,冻干物料具有多孔海绵状结构,因而具有较大的外表积。如露出在空气中,它的吸湿功能很强,也较易与空气发生各种反响。冻干物料含水量很低,只需包装恰当,不加任何防腐剂、在室温条件下也能够存贮较长时刻。

2. 形状和质地

    物猜中冰晶进步后,固体骨架根本不变,因而冻干物料形状改变较少,物料(包含液体)根本坚持原有形状不变。物猜中的水分以冰晶形式存在,原溶于水中的无机盐等溶解物被均匀地分配在物猜中,冰晶进步后,溶于水中的溶解物就地分出,留下多孔海绵状结构,避免了无机盐等成分的外表分出而引起的外表硬化现象,因为含水量很低,因而冻干物料质地酥松,它极易破碎和粉末化。

3. 色、香、味及活性

    冷冻干燥是在低温、真空条件下进行的操作。在此种条件下,物猜中热敏和易氧化成分不易受到破坏,物料的活性较大程度地得到保存;物猜中各种色素不易分化,酶和氨基酸简直不发生褐变,因而物料的色彩也简直不变;低温下芳香成分的挥发性较低,也无氧化等劣变反响,不会发生异味,相反因水分的脱去使芳香成分浓度相对添加,香气更加浓郁;因低温文无氧化等各种化学反响,所以物料的各种成分得到较有效的保存,其风味也根本不丢失,滋味因为脱水而变得更浓。

4. 复水功能和溶化功能

    因为冻干物料为多孔海绵状结构,没有无机盐等成分的外表分出而引起的外表硬化现象,水分能很简单进入内部与干物料充沛触摸,因而冻干物料与其他办法干燥的物料比较,有着优异的复水性。如冻干前物料是水溶性液体,那冻干后放入水中就能很快溶化。

八、 进步的根本条件

当水蒸气压大于610.5Pa时,冰只能先融化为水,然后再由水转化为水蒸气;而冰周围的蒸汽压低于610.5Pa时,冰能够直接进步为水蒸气,这便是进步干燥的理论基础。

冰进步时其状态点应在图2的进步区内。比如:温度为-10℃的冰假设周围的水蒸气压为400Pa,则有必要将蒸汽压降到低于286Pa(-10℃冰的饱满蒸汽压)时,冰才干开端进步。蒸汽压为286Pa(-10℃冰的饱满蒸汽压值),假设冰温为-20℃(对应饱满蒸汽压125Pa),进步尽管在进行,但进步速度太慢,咱们能够进步冰温,使温度接近-10℃(低于它),以加快进步速度;当冰温大约为-50℃时,因为此刻对应的蒸汽压接近于0Pa,因而再这么下降周围的蒸汽压也无法使冰进步,此刻有必要进步冰温以便进步得以进行。

九、 进步干燥的必要条件

跟着进步的进行,不断地吸收热量,致使冰失去热量而温度下降。如冰得不到热量补充,则会使冰温持续下降,当冰温大约为-50℃时,因为此刻对应的蒸汽压接近于0Pa,并中止进步。所以,进步干燥时,要不停地向冰晶传热,以供给进步所需的热量。但假设所供给的热量大于冰进步所需的热量,剩余的热量就会被冰作为显热吸收,导致冰温上升。当冰温上升到冰点时,冰就会融化。

假设冰外表的水蒸气压低于冰的饱满蒸汽压,则一部分冰进步为水蒸气,使水蒸气压升高。当水蒸气压增高到等于此温度下冰的饱满蒸汽压时,冰与水蒸气到达平衡,表现为冰中止进步。










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