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          流化床干燥機講述冷凍干燥的原理
          2021-11-29 11:42:59
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          流化床干燥機講述冷凍干燥的原理


          一、 干燥原理    

          干燥泛指從濕物猜中除掉水分(后面的干燥泛指水分)或其他濕分的各種操作。如在日常生活中將濕潤物料置于陽光下曝曬以除掉水分,工業上用硅膠、石灰、濃硫酸等除掉空氣、工業氣體或有機液體中的水分(減濕)。在工業生產中,干燥一般指用熱空氣、煙道氣以及紅外線等加熱濕固體物料,使其中所含的水分或溶劑汽化而除掉,是一種歸于熱質傳遞進程的單元操作。干燥的目的是使物料便于儲存、運輸和運用,或滿意進一步加工的需求。例如谷物、蔬菜經干燥后可長時刻儲存;合成樹脂干燥后用于加工,可防止塑料制品中呈現氣泡或云紋;紙張經干燥后便于運用和儲存。干燥廣泛應用于化工、食物、輕工、紡織、煤炭、農林產品加工和建材等各部門。

          原理:在必定溫度下,任何含水的濕物料都有必定的蒸氣壓,當此蒸氣壓大于周圍氣體中的水汽分壓時,水分將汽化。汽化所需熱量,或來自周圍熱氣體,或由其他熱源經過輻射、熱傳導供給。含水物料的蒸氣壓與水分在物猜中存在的辦法有關。物料所含的水分,一般分為非結合水和結合水。非結合水是附著在固體外表和孔隙中的水分,它的蒸氣壓與純水相同;結合水則與固體間存在某種物理的或化學的作用力,汽化時不但要戰勝水分子間的作用力,還需戰勝水分子與固體間結合的作用力,其蒸氣壓低于純水,且與水分含量有關。在必定溫度下,物料的水分蒸氣壓p同物料含水量x(每千克肯定干物料所含水分的千克數)間的聯系曲線稱為平衡蒸氣壓曲線(圖1平衡蒸氣壓曲線),一般由實驗測定。當濕物料與同溫度的氣流觸摸時,物料的含水量和蒸氣壓下降,體系到達平衡時,物料所含的水分蒸氣壓與氣體中的水汽分壓持平,相應的物料含水量x﹡稱為平衡水分。平衡水分取決于物料性質、結構以及與之觸摸的氣體的溫度和濕度。膠體和細胞質物料的平衡水分一般較高,經過干燥操作能除掉的水分,稱為自由水分(即物料初始含水量x1與x﹡之差)。

          將濕物料置于溫度、濕度和氣速都安穩的氣流中,物猜中的水分將逐漸下降。由實驗可測得干燥速率 N與物料含水量x的聯系曲線(圖1干燥速率曲線),此曲線稱為干燥速率曲線。干燥速率為單位時刻內單位物料外表汽化的水量,即:

          式中G為肯定干物料的質量;A為露出于氣流中的物料外表積;x為物料的含水量;τ為干燥時刻。從圖示的干燥速率曲線可知:濕物料的干燥進程分為恒速干燥和降速干燥兩個階段,分界點的含水量稱為臨界含水量Xc。臨界含水量不只取決于物料的性質和結構,還與氣速、溫度和濕度以及干燥器的類型有關。在恒速干燥階段,物料的含水量大于臨界含水量,物料外表布滿非結合水分。若熱量的供給僅來自熱氣體,則物料的外表溫度等于氣體的濕球溫度。此階段的干燥速率與物料的性質和含水量無關,僅取決于干燥器的結構以及氣體的流速和性質。恒速干燥階段所汽化的水分,悉數為非結合水分。在降速干燥階段,物料的含水量低于臨界含水量,干燥速率的改變規則與物料的性質和結構尤其是水分的存在辦法有關。這時水分在固體物料內部的擴散起重要作用。減薄物料的厚度或減小其粒度,能夠有效地進步干燥速率。降速干燥階段汽化除掉的水分包含剩余的非結合水分和部分結合水分。物料的溫度在干燥進程中逐漸升高。

          二、 干燥品種  

          依據熱量的供給辦法,有多種干燥類型:①對流干燥。使熱空氣或煙道氣與濕物料直觸摸摸,依托對流傳熱向物料供熱,水汽則由氣流帶走。對流干燥在生產中應用較廣,它包含氣流干燥、噴霧干燥、流化干燥、反轉圓筒干燥和廂式干燥等。②傳導干燥。濕物料與加熱壁面直觸摸摸,熱量靠熱傳導由壁面傳給濕物料,水汽靠抽氣設備排出。它包含滾筒干燥、真空耙式干燥等。③輻射干燥。熱量以輻射傳熱辦法投射到濕物料外表,被吸收后轉化為熱能,水汽靠抽氣設備排出,如紅外線干燥。④介電加熱干燥。將濕物料置于高頻電場內,依托電能加熱而使水分汽化,包含高頻干燥、微波干燥。在傳導、輻射和介電加熱這三類干燥辦法中,物料受熱與帶走水汽的氣流無關,必要時物料可不與空氣觸摸。

          依據干燥物料所處環境壓強可分為:①常壓干燥。干燥操作在常壓條件下進行,此辦法較為多見,大多數干燥設備都為常壓干燥。②加壓干燥。干燥操作在高于大壓力下進行,此法較為少見。③真空干燥。為更好地維護干燥物料,有必要下降加熱溫度。但當溫度低于沸點時,干燥進展很慢。恰當下降壓力可使水沸點溫度下降,有利于縮短干燥時刻。

          依據物料的加熱溫度可分為:①高溫干燥。加熱溫度大于等于大氣壓力下水的沸點,此法物料干燥速度較快,但較易引起物料特性的改變。②常溫干燥。在常溫條件下對物料進行干燥,例如:風干、陰干等,此法能夠較好地維護物料原有的特性。③冷凍干燥。對物料進行冷凍,使物料凍住,在物料不解凍的條件下進行干燥。此法能夠較大程度地堅持物料原有特性,干燥前后的物料無化學改變。

          三、 壓強與沸點溫度的聯系

          物質從液相變為氣相的進程叫做汽化。由液相變為氣相的轉折點溫度叫沸點。依照物質分子運動論的觀念,氣體中的分子均勻距離比液體中的大得多。液態時,物質分子之間有較強的吸引力,物質從液相轉變為氣相,有必要戰勝分子間的引力而做功,這種功稱為內功。別的,當物質從液相變為氣相時,體積將增大許多倍,因而還有必要反抗大氣壓力而做功,這種功稱為外功。做功需求耗費必定的能量。當液體蒸騰或沸騰時,堅持溫度不變,都有必要從外界輸入能量,這便是液體汽化時需求汽化熱的原因。假設液體在絕熱下蒸騰,則液體的溫度將下降,這一現象被用來取得低溫。例如,使用液氦的絕熱蒸騰,可取得約為0.7K的低溫。

          對于水來說,其沸點溫度與壓強聯系有著一一對應聯系,壓強低其沸點溫度也低。表1為不同的壓強下水的沸點溫度數據。


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

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

                      表 1  壓強與水的沸點溫度 

          當壓強為610.5Pa時,對應沸點溫度為0℃,因為此溫度又是水的冰點,在此點水的汽、液、固三態并存,咱們把此點叫做水的三相點。

          四、 汽化與進步

          物質從液相變為氣相的進程叫做汽化。在圖2中,對于水來說,如環境溫度大于0℃、水汽分壓P水汽小于水的飽滿蒸汽壓P飽滿,則汽化能順利進行。目前大多數干燥辦法都是照此原理進行工作。

          物質從固相變為氣相的進程叫做進步。在圖2中,假設環境溫度小于0℃,水以固態冰的形式存在,環境中水汽分壓P水汽小于冰外表的水飽滿蒸汽壓P飽滿,則進步能順利進行。如此刻環境中水汽分壓P水汽大于冰外表的水飽滿蒸汽壓P飽滿,則水汽凝結成冰或霜,咱們稱此為凝華,它是進步的相反進程。

          五、 凍干現象

          人們普遍的概念,清洗衣料后,衣料干燥應在較高的溫度、通風干燥的環境下進行,環境溫度越高、空氣干燥度越高,則衣料干得越快??稍诳岷貐^,人們發現洗過的衣料,涼在一直冰雪不化的背陽處,凍成硬梆梆的衣料也會干燥。別的人們也發現放在冷庫、冰箱冷凍室中未包裝的食物,盡管凍得很硬,但外表現已干燥,這些便是凍干現象。

          六、 凍干原理及界說

          從圖2中咱們能夠看出,當溫度為0℃時,水剛好處于冰點,此刻水處于液、氣、固三態并存,咱們把此點叫做水的三相點。溫度向上,水以汽、液二相呈現;溫度向下、水以汽、固二相形態呈現。

          當水凍住成冰后,早年面的學習中咱們知道,只需環境中的水汽分壓P水汽小于對應溫度冰的飽滿蒸汽壓P飽滿,則冰直接從固態變為汽態而進行干燥進程,咱們把這一進程叫做進步干燥,冰直接從固態變為汽態的現象叫進步。

          咱們把物料在凍住的情況下進行干燥,在干燥進程中冰不溶化,冰從固態直接汽化而干燥的進程叫冷凍干燥(簡稱凍干)。

          七、 凍干物料的特點

          1. 含水量、吸濕性及存貯功能

              凍干脫水比較徹底,凍干物料含水量在5%以下。因為進步干燥前的凍住,使物料形成了一個安穩的固體骨架,冰晶進步后,固體骨架根本不變,凍干物料具有多孔海綿狀結構,因而具有較大的外表積。如露出在空氣中,它的吸濕功能很強,也較易與空氣發生各種反響。凍干物料含水量很低,只需包裝恰當,不加任何防腐劑、在室溫條件下也能夠存貯較長時刻。

          2. 形狀和質地

              物猜中冰晶進步后,固體骨架根本不變,因而凍干物料形狀改變較少,物料(包含液體)根本堅持原有形狀不變。物猜中的水分以冰晶形式存在,原溶于水中的無機鹽等溶解物被均勻地分配在物猜中,冰晶進步后,溶于水中的溶解物就地分出,留下多孔海綿狀結構,避免了無機鹽等成分的外表分出而引起的外表硬化現象,因為含水量很低,因而凍干物料質地酥松,它極易破碎和粉末化。

          3. 色、香、味及活性

              冷凍干燥是在低溫、真空條件下進行的操作。在此種條件下,物猜中熱敏和易氧化成分不易受到破壞,物料的活性較大程度地得到保存;物猜中各種色素不易分化,酶和氨基酸簡直不發生褐變,因而物料的色彩也簡直不變;低溫下芳香成分的揮發性較低,也無氧化等劣變反響,不會發生異味,相反因水分的脫去使芳香成分濃度相對添加,香氣更加濃郁;因低溫文無氧化等各種化學反響,所以物料的各種成分得到較有效的保存,其風味也根本不丟失,滋味因為脫水而變得更濃。

          4. 復水功能和溶化功能

              因為凍干物料為多孔海綿狀結構,沒有無機鹽等成分的外表分出而引起的外表硬化現象,水分能很簡單進入內部與干物料充沛觸摸,因而凍干物料與其他辦法干燥的物料比較,有著優異的復水性。如凍干前物料是水溶性液體,那凍干后放入水中就能很快溶化。

          八、 進步的根本條件

          當水蒸氣壓大于610.5Pa時,冰只能先融化為水,然后再由水轉化為水蒸氣;而冰周圍的蒸汽壓低于610.5Pa時,冰能夠直接進步為水蒸氣,這便是進步干燥的理論基礎。

          冰進步時其狀態點應在圖2的進步區內。比如:溫度為-10℃的冰假設周圍的水蒸氣壓為400Pa,則有必要將蒸汽壓降到低于286Pa(-10℃冰的飽滿蒸汽壓)時,冰才干開端進步。蒸汽壓為286Pa(-10℃冰的飽滿蒸汽壓值),假設冰溫為-20℃(對應飽滿蒸汽壓125Pa),進步盡管在進行,但進步速度太慢,咱們能夠進步冰溫,使溫度接近-10℃(低于它),以加快進步速度;當冰溫大約為-50℃時,因為此刻對應的蒸汽壓接近于0Pa,因而再這么下降周圍的蒸汽壓也無法使冰進步,此刻有必要進步冰溫以便進步得以進行。

          九、 進步干燥的必要條件

          跟著進步的進行,不斷地吸收熱量,致使冰失去熱量而溫度下降。如冰得不到熱量補充,則會使冰溫持續下降,當冰溫大約為-50℃時,因為此刻對應的蒸汽壓接近于0Pa,并中止進步。所以,進步干燥時,要不停地向冰晶傳熱,以供給進步所需的熱量。但假設所供給的熱量大于冰進步所需的熱量,剩余的熱量就會被冰作為顯熱吸收,導致冰溫上升。當冰溫上升到冰點時,冰就會融化。

          假設冰外表的水蒸氣壓低于冰的飽滿蒸汽壓,則一部分冰進步為水蒸氣,使水蒸氣壓升高。當水蒸氣壓增高到等于此溫度下冰的飽滿蒸汽壓時,冰與水蒸氣到達平衡,表現為冰中止進步。










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