11 第十二章 食品干燥原理.ppt

第1页：第12章食品干燥原理封面

第12章食品干燥原理

第2页：本章的学习目的与要求

本章的学习目的与要求

• 能够完成食品干燥最佳工艺优化工作；
• 掌握湿空气的热力学性质，熟练使用焓湿图；
• 掌握食品材料的水分性质，能够设计计算干燥设备；
• 了解食品真空冷冻干燥技术原理与装备。

第3页：湿空气的热力学性质

12－1 湿空气的热力学性质

• 绝对湿度和相对湿度
• 湿含量
• 湿空气的比热容和比体积
• 湿空气的热含量
• 干球温度、湿球温度和露点温度

第4页：绝对湿度和相对湿度

绝对湿度和相对湿度

第5页：湿含量

湿含量

第6页：湿空气的比热容和比体积

比热容和比体积

第7页：湿空气的热含量

热含量

第8页：干球温度湿球温度与露点温度

干球温度、湿球温度、露点温度

第9页：焓湿图

12－2 焓湿图

第10页：湿空气焓湿图

第11页：焓湿图上的状态变化

第12页：两种图的关系

两种图的关系

第13页：两种湿空气图的换算

第14页：前次课堂内容的简单回顾

前次课堂内容的简单回顾

• 湿空气＝干空气+水蒸气
• 湿空气的湿含量d、热含量h、比热容cp、比体积vH是以含1kg干空气的湿空气所具有的量。
• 湿球温度是绝热饱和温度，露点温度是等湿饱和温度。

第15页：湿物料的性质

12-3 湿物料的性质

第16页：物料中水分的结合形式

水分性质

• 组织结构束缚
• 分子间力的束缚
• 自由水
• 化学结合水
• 物理化学结合水

第17页：湿物料的含水量

湿物料的含水量干基水分湿基水分水分活度

第18页：平衡水分

平衡水分Me

第19页：常压热风干燥流程

12-4 常压热风干燥

• 空气侧参数：风量 L，温度 T，湿含量 d，相对湿度 Φ，热含量 h
• 物料侧参数：温度 Θ，含水量 MW，质量 m
• 进口状态：T0、d0、Φ0、h0
• 出口状态：T1、d1、Φ1、h1 与 T2、d2、Φ2、h2

第20页：干燥计算的质量衡算

干燥计算——质量衡算

• 求解：水分蒸发量；所需要的空气量；所需要的热量；湿物料添加量;风机功率等。
• 已知：干制产品量；产品含水量；湿物料含水量。

第21页：质量衡算的注意事项

干燥计算——质量衡算

• 注意：将湿空气参数与物料变量结合起来，在它们之间进行着传热与传质。

第22页：干燥计算的热量衡算

干燥计算——热量衡算

第23页：干燥器热量衡算

第24页：热损失分析

热损失分析

• 废气带走热量；
• 物料带走热量；
• 什么情况下h1＝h2？什么情况下h2>h1？
• 从干燥器表面散失的热量；
• 干燥器内设施加热的热量；

第25页：干燥器的热效率与干燥效率

干燥器热效率、干燥效率和蒸发效率热效率蒸发效率干燥效率

第26页：湿空气计算例题-1

例题-1

• 空气的温度为30℃，露点温度为12℃，问：1）当冷却到16℃时，相对湿度为多少？2）有600m3的空气，当温度从30℃冷却到2℃时，能失去多少kg水？

第27页：湿空气计算例题-2

例题-2

• 温度为16℃，相对湿度为65%的空气被加热到38℃，通过食品料层后排出的废气相对湿度为90%，求1）每kg空气需要多少热量？2)每kg空气去掉多少食品中的水分？

第28页：干燥计算例题-3

• 要在10小时内将42000kg含水率为24%的物料干燥至15.5%，如果干燥空气从温度为5℃，相对湿度为60%的环境状态下加热至43℃，试确定风机的风量（m3/h）。假定从该物料中排出的废气相对湿度为98%，问需要多大的加热器(kJ/h)？例题-3

第29页：例题解题步骤分析

• 解题步骤分析或者

第30页：干燥过程的推动力和阻力

12-5 干燥理论

• 物料干燥过程的推动力和阻力热风干燥和辐射干燥接触干燥和微波干燥

第31页：表面汽化控制与内部扩散控制

• 表面汽化控制和内部扩散控制
• 表面汽化控制：
• 内部扩散控制：粉末食品，结构疏松食品，干燥初始阶段大块状食品，结构致密食品，干燥后期阶段，易形成致密膜食品，畜肉制品等

第32页：干燥过程的阶段

干燥过程

• 预热阶段
• 等速干燥阶段
• 降速干燥阶段
• 缓苏阶段
• 冷却阶段

第33页：等速干燥计算

等速干燥计算

第34页：降速干燥

降速干燥

第35页：苹果片干燥实验曲线例题

例题

• 用10%蔗糖溶液处理过的苹果片的干燥实验曲线，实验条件是：空气平行流过苹果片，流速3.65m/s。干燥开始40min，所用空气的干球温度76.7℃，湿球温度37.8℃。之后，所用空气的干球温度71.1℃，湿球温度43.3℃。苹果片初始湿基水分为85.4%，堆放厚度0.0127m，求干燥至湿基水分13%时所用的时间。解：1)将实验曲线图(a)转换成图(b)。2)从例题附图(b)可知，降速干燥阶段存在两个阶段，即第一降速阶段和第二降速阶段。因此，应采用式(12-48)计算所用时间。

第36页：例题参数的确定

3)由已知条件确定公式中各参数4)由图确定公式中各参数

第37页：课堂小结

课堂小结

• 熟练常压热风干燥计算方法，掌握物料水分计算方法和空气参数计算间的关系，熟练应用湿空气焓湿图解决干燥计算问题。
• 干燥过程中存在两种控制：即表面汽化控制和内部扩散控制，如何调控使干燥过程达到最佳是食品工程师的任务。
• 了解常用的干燥设备结构与特性。

第38页：思考题

思考题

• 图12-5 当相对湿度5%和10%与温度线100℃相交后，为什么与湿含量无关？能用公式说明吗？
• 对于以表面汽化控制为主的材料，在干燥工艺设计时如何提高干燥速率？
• 物料中的水分在向外迁移时，什么时候以气态为主，什么时候以液态为主？
• 为什么干燥完成后，还要冷却？

第39页：冷冻干燥原理与冰的饱和蒸气压表

1Torr（托）＝1mmHg＝133Pa。

第40页：冻干过程除去的水分

冻干过程除自由水（游离水）除束缚水（结合水）

第41页：冻干的传热与传质控制

传热控制过程：热量不足引起升华速率下降。传质控制过程：水蒸汽扩散的阻力大，引起压力和温度上升，使冻品融化。King提出的URIF(uniformly retreating ice front)两个假设：1）冰晶在冻品中分布均匀；2）升华界面后移所形成的多孔层是绝对干物质。首先建立水蒸气在多孔干燥层内部的干燥方程：干燥表面至冷阱表面的摩尔质量扩散方程：稳态传热与传质

第42页：共晶点共溶点与塌陷温度

共晶点、共溶点、塌陷温度与玻璃化温度

第43页：冻干食品的特点

• 优质：基本保持食品原有的色、香、味、形，维生素和蛋白质等营养物质损失少。
• 方便：食用或加工前，复水快，可直接食用或烹调。
• 不用冷藏：密封包装后，可在常温下长期贮存、运输和销售。
• 重量轻：满足宇航、旅游等人员需求。
• 成本高：冻干食品成本是热风干燥食品的4～6倍。冻干食品的特点

第44页：药品冷冻干燥的特点

药品冷冻干燥技术与其它干燥方法相比具有以下几个特点：

• 冻干在低温下进行，能最大程度避免生物蛋白、激素、疫苗等药品中的活性成份产生变性或失去生物活力。
• 冻干在真空下进行，氧气含量小，能使药品中易氧化的物质得到保护。
• 药品中的挥发性成份能得以尽可能的减少。
• 药品中微生物的生长和酶的作用几乎无法进行。
• 药品冻干后能最好地保持药品原来的形状。
• 药品冻干后具有较好的复水性。
• 冻干可除去药品中95%以上的水分，使其能在室温或相对较高温度下长期保存。
• 冻干设备的初期投资较大、冻干过程能耗较高

第45页：冻干设备的主要组成

冻干设备的主要组成

• 主要组成
• 清洗消毒

第46页：压力与蒸气体积

压力与蒸气体积（冷阱的必要性）

1 克水体积：常温常压下 1 毫升；100Pa、-20℃ 下 1200000 毫升。

第47页：冻干机结构标题页

冻干机结构

第48页：冻干机结构

冻干机结构

第49页：冻干机整机组成

第50页：冻干机干燥箱搁板

第51页：冻干机捕水器

第52页：冻干机真空系统

第53页：食品冻干工艺

食品冻干工艺预处理装盘速冻捕水器温度降至－40℃以下加热真空升华干燥解吸干燥包装

第54页：预冻方法与冰晶形态

预冻方法（制冷部分1）机内：机外：慢速冻结快速冻结表层区柱状区晶粒区冰晶冰间质搁板

第55页：捕水器与冻干机性能

捕水器与冻干机性能（制冷部分2）

• 捕水器是冻干系统中能耗最大的部件
• 升华阶段负荷大，解析阶段负荷小。
• 捕水器结构优化设计是提高系统性能的关键之一
• 真空阻力小，结霜量大且均匀，易融霜是设计目标。

第56页：真空与系统性能

真空与系统性能

• 真空度过高虽然降低全压，但对传热不利
• 真空泵抽出系统渗入的不凝性气体
• 捕水器抽出水蒸气
• 开始阶段真空泵负荷大

第57页：冻干加热系统

加热系统

• 供热不足：升华热补充不上，造成冻干品温度下降，饱和蒸气压随之下降，在捕水器温度不变情况下，水蒸气驱动压差减小。
• 供热过多：升华界面容易融化，此外，升华干燥层可能出现塌陷。
• 微波加热法
• 接触加热法
• 辐射加热法
• 接触、辐射混合加热法

第58页：冻干赋形剂与保护剂

冻干赋形剂与保护剂

• 赋形剂
• 保护剂

第59页：冻干保护剂的种类表

第60页：冻干终点判断

冻干终点判断常规方法：冻干品温度内外一致（升华干燥结束）捕水器温度下降（升华干燥结束）干燥箱压力下降解吸干燥结束（试验确定）动压测量技术

第61页：本章结束

本章结束