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冷冻干燥的原理
[2012-12-21]    查看次数:439
一、 干燥原理    
干燥泛指从湿物料中除去水分(后面的干燥泛指水分)或其他湿分的各种操作。如在日常生活中将潮湿物料置于阳光下曝晒以除去水分,工业上用硅胶、石灰、浓硫酸等除去空气、工业气体或有机液体中的水分(减湿)。在工业生产中,干燥通常指用热空气、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去,是一种属于热质传递过程的单元操作。干燥的目的是使物料便于贮存、运输和使用,或满足进一步加工的需要。例如谷物、蔬菜经干燥后可长期贮存;合成树脂干燥后用于加工,可防止塑料制品中出现气泡或云纹;纸张经干燥后便于使用和贮存。干燥广泛应用于化工、食品、轻工、纺织、煤炭、农林产品加工和建材等各部门。
原理:在一定温度下,任何含水的湿物料都有一定的蒸气压,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,或由其他热源通过辐射、热传导提供。含水物料的蒸气压与水分在物料中存在的方式有关。物料所含的水分,通常分为非结合水和结合水。非结合水是附着在固体表面和孔隙中的水分,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,汽化时不但要克服水分子间的作用力,还需克服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。在一定温度下,物料的水分蒸气压p同物料含水量x(每千克绝对干物料所含水分的千克数)间的关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接触时,物料的含水量和蒸气压下降,系统达到平衡时,物料所含的水分蒸气压与气体中的水汽分压相等,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、结构以及与之接触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,通过干燥操作能除去的水分,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、湿度和气速都恒定的气流中,物料中的水分将逐渐降低。由实验可测得干燥速率 N与物料含水量x的关系曲线(图1干燥速率曲线),此曲线称为干燥速率曲线。干燥速率为单位时间内单位物料表面汽化的水量,即:
式中G为绝对干物料的质量;A为暴露于气流中的物料表面积;x为物料的含水量;τ为干燥时间。从图示的干燥速率曲线可知:湿物料的干燥过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。临界含水量不仅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,物料表面布满非结合水分。若热量的供应仅来自热气体,则物料的表面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,全部为非结合水分。在降速干燥阶段,物料的含水量低于临界含水量,干燥速率的变化规律与物料的性质和结构尤其是水分的存在方式有关。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,能够有效地提高干燥速率。降速干燥阶段汽化除去的水分包括剩余的非结合水分和部分结合水分。物料的温度在干燥过程中逐渐升高。
二、 干燥种类  
根据热量的供应方式,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接接触,依靠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最广,它包括气流干燥、喷雾干燥、流化干燥、回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接接触,热量靠热传导由壁面传给湿物料,水汽靠抽气装置排出。它包括滚筒干燥、真空耙式干燥等。③辐射干燥。热量以辐射传热方式投射到湿物料表面,被吸收后转化为热能,水汽靠抽气装置排出,如红外线干燥。④介电加热干燥。将湿物料置于高频电场内,依靠电能加热而使水分汽化,包括高频干燥、微波干燥。在传导、辐射和介电加热这三类干燥方法中,物料受热与带走水汽的气流无关,必要时物料可不与空气接触。
根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,此方式较为多见,大多数干燥装置都为常压干燥。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。为更好地保护干燥物料,必须降低加热温度。但当温度低于沸点时,干燥进展很慢。恰当降低压力可使水沸点温度降低,有利于缩短干燥时间。
根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,此法物料干燥速度最快,但最易引起物料特性的变化。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,此法可以较好地保护物料原有的特性。③冷冻干燥。对物料进行冷冻,使物料冻结,在物料不解冻的条件下进行干燥。此法可以最大程度地保持物料原有特性,干燥前后的物料无化学变化。
三、 压强与沸点温度的关系
物质从液相变为气相的过程叫做汽化。由液相变为气相的转折点温度叫沸点。按照物质分子运动论的观点,气体中的分子平均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,必须克服分子间的引力而做功,这种功称为内功。另外,当物质从液相变为气相时,体积将增大许多倍,因此还必须反抗大气压力而做功,这种功称为外功。做功需要消耗一定的能量。当液体蒸发或沸腾时,保持温度不变,都必须从外界输入能量,这就是液体汽化时需要汽化热的原因。如果液体在绝热下蒸发,则液体的温度将降低,这一现象被用来获得低温。例如,利用液氦的绝热蒸发,可获得约为0.7K的低温。
对于水来说,其沸点温度与压强关系有着一一对应关系,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℃,由于此温度又是水的冰点,在此点水的汽、液、固三态并存,我们把此点叫做水的三相点。
四、 汽化与升华
物质从液相变为气相的过程叫做汽化。在图2中,对于水来说,如环境温度大于0℃、水汽分压P水汽小于水的饱和蒸汽压P饱和,则汽化能顺利进行。目前大多数干燥方法都是照此原理进行工作。
物质从固相变为气相的过程叫做升华。在图2中,如果环境温度小于0℃,水以固态冰的形式存在,环境中水汽分压P水汽小于冰表面的水饱和蒸汽压P饱和,则升华能顺利进行。如此时环境中水汽分压P水汽大于冰表面的水饱和蒸汽压P饱和,则水汽凝结成冰或霜,我们称此为凝华,它是升华的相反过程。
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。可在严寒地区,人们发现洗过的衣料,凉在始终冰雪不化的背阳处,冻成硬梆梆的衣料也会干燥。另外人们也发现放在冷库、冰箱冷冻室中未包装的食品,虽然冻得很硬,但表面已经干燥,这些就是冻干现象。
六、 冻干原理及定义
从图2中我们可以看出,当温度为0℃时,水刚好处于冰点,此时水处于液、气、固三态并存,我们把此点叫做水的三相点。温度向上,水以汽、液二相出现;温度向下、水以汽、固二相形态出现。
当水冻结成冰后,从前面的学习中我们知道,只要环境中的水汽分压P水汽小于对应温度冰的饱和蒸汽压P饱和,则冰直接从固态变为汽态而进行干燥过程,我们把这一过程叫做升华干燥,冰直接从固态变为汽态的现象叫升华。
我们把物料在冻结的情况下进行干燥,在干燥过程中冰不溶化,冰从固态直接汽化而干燥的过程叫冷冻干燥(简称冻干)。
七、 冻干物料的特点
1. 含水量、吸湿性及存贮性能
    冻干脱水比较彻底,冻干物料含水量在5%以下。由于升华干燥前的冻结,使物料形成了一个稳定的固体骨架,冰晶升华后,固体骨架基本不变,冻干物料具有多孔海绵状结构,因此具有较大的表面积。如暴露在空气中,它的吸湿性能很强,也较易与空气发生各种反应。冻干物料含水量很低,只要包装恰当,不加任何防腐剂、在室温条件下也可以存贮较长时间。
2. 形状和质地
    物料中冰晶升华后,固体骨架基本不变,因此冻干物料形状变化较少,物料(包括液体)基本保持原有形状不变。物料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料中,冰晶升华后,溶于水中的溶解物就地析出,留下多孔海绵状结构,避免了无机盐等成分的表面析出而引起的表面硬化现象,由于含水量很低,因此冻干物料质地酥松,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,物料中热敏和易氧化成分不易受到破坏,物料的活性最大程度地得到保存;物料中各种色素不易分解,酶和氨基酸几乎不发生褐变,因此物料的颜色也几乎不变;低温下芳香成分的挥发性较低,也无氧化等劣变反应,不会产生异味,相反因水分的脱去使芳香成分浓度相对增加,香气更加浓郁;因低温和无氧化等各种化学反应,所以物料的各种成分得到最有效的保存,其风味也基本不流失,味道由于脱水而变得更浓。
4. 复水性能和溶化性能
    由于冻干物料为多孔海绵状结构,没有无机盐等成分的表面析出而引起的表面硬化现象,水分能很容易渗入内部与干物料充分接触,因此冻干物料与其他方式干燥的物料相比,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、 升华的基本条件
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,冰可以直接升华为水蒸气,这就是升华干燥的理论基础。
冰升华时其状态点应在图2的升华区内。比如:温度为-10℃的冰如果周围的水蒸气压为400Pa,则必须将蒸汽压降到低于286Pa(-10℃冰的饱和蒸汽压)时,冰才能开始升华。蒸汽压为286Pa(-10℃冰的饱和蒸汽压值),如果冰温为-20℃(对应饱和蒸汽压125Pa),升华虽然在进行,但升华速度太慢,我们可以提高冰温,使温度接近-10℃(低于它),以加快升华速度;当冰温大约为-50℃时,由于此时对应的蒸汽压接近于0Pa,因此再这么降低周围的蒸汽压也无法使冰升华,此时必须提高冰温以便升华得以进行。
九、 升华干燥的必要条件
随着升华的进行,不断地吸收热量,致使冰失去热量而温度降低。如冰得不到热量补充,则会使冰温继续降低,当冰温大约为-50℃时,由于此时对应的蒸汽压接近于0Pa,并停止升华。所以,升华干燥时,要不停地向冰晶传热,以提供升华所需的热量。但如果所提供的热量大于冰升华所需的热量,多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。
假如冰表面的水蒸气压低于冰的饱和蒸汽压,则一部分冰升华为水蒸气,使水蒸气压升高。当水蒸气压增高到等于此温度下冰的饱和蒸汽压时,冰与水蒸气达到平衡,表现为冰停止升华。
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