真空干燥技術(shù)

• 　　真空干燥是利用負壓(真空)降低物料中水的沸點,，通過傳導(dǎo)傳熱提供足夠的熱量來蒸發(fā)物料中多余水分的干燥方式,。與常壓干燥相比，真空干燥可避免被干燥對象表面的硬化現(xiàn)象,，也可回收有用或有害的物質(zhì),，還可實現(xiàn)“綠色干燥"，因而在食品,、制藥,、化工和制革等行業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用。

  真空干燥原理

  　　真空干燥的基本原理是基于傳熱傳質(zhì)理論,，即在物料,、物料與周圍環(huán)境以及周圍環(huán)境本身這三者之間的傳熱傳質(zhì)。下式是克拉珀龍-克勞修斯公式,，它揭示了真空干燥的動力學(xué)特性,。

  　　P_s=4.4168LlnT/(V''-V')+C

  　　式中V'',，V'分別為氣體和液體水的比容，單位m³/kg;L為汽化潛熱,，單位kJ/kg;P_s是在溫度T時的飽和蒸汽壓,，單位MPa;T為溫度，單位K,。

  　　由公式可得出如下結(jié)論：

  　?、偎钠瘻囟入S壓力降低而降低，在真空條件下能實現(xiàn)低溫汽化,，這就是真空干燥的理論基礎(chǔ);

  　?、谠趬毫_s不變的情況下，對系統(tǒng)加熱,，會有更多的液體汽化,，使干燥速度加快;

  　　③如果維持T不變,，降低P_s，同樣會有更多的液體轉(zhuǎn)化為蒸汽,，這也可以加快真空干燥速度,。

  溫度、壓強與真空干燥的關(guān)系

  　　溫度和壓強都會影響真空干燥的效率,。壓強越低,，越有利于水分在較低溫度下汽化，但真空度過高不利于熱傳導(dǎo),，會影響物料加熱效果,。物料在一定的溫度下，壓力在1000Pa以下時,，蒸發(fā)和沸騰同時進行,。水分升華速率取決于提供給升華界面熱量的多少、壓強的高低,。物料的溫度高,、壓強低，干燥速度就快,。

  　　當(dāng)壓強在100Pa以下時,，物料的水分會升華帶走大量的熱量，物料溫度因而降低,，干燥過程延長,，能源消耗增加，達不到預(yù)期的干燥指標(biāo)要求,。目前,，一般做法是通入空氣降低壓強至10000～20000Pa,，以空氣為介質(zhì)增加熱量對流與傳導(dǎo)，以期達到預(yù)期的干燥目標(biāo),，但會因含氧而使物料中的易氧化成分氧化變質(zhì),，加上溫度過高而分解，影響產(chǎn)品質(zhì)量,。

  真空干燥技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展趨勢

  　　1,、真空干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢

  　　真空干燥技術(shù)總的來說是提高傳熱傳質(zhì)效率，向GX節(jié)能,、綠色環(huán)保,、易于控制的方向發(fā)展，具體將發(fā)展如下幾個方面的技術(shù)：

  　?、僭谙嚓P(guān)學(xué)科領(lǐng)域新技術(shù),、新成果的推動下，進行干燥新工藝,、新裝備的研究,，如將不同的干燥技術(shù)和干燥設(shè)備組合使用的技術(shù);

  　　②進行干燥模擬技術(shù)的研究,，以探究復(fù)雜干燥工藝過程的干燥機理;

  　?、墼诨A(chǔ)學(xué)科研究成果的推動下，進行干燥傳遞過程機理的基礎(chǔ)研究,，如間接加熱和組合式加熱的技術(shù),、特種干燥技術(shù)和新型干燥技術(shù)的研究;

  　　④使用模糊控制,、專家系統(tǒng)控制設(shè)備的技術(shù),。

  　　2、真空干燥設(shè)備的發(fā)展趨勢

  　　①向干燥產(chǎn)品一體化作業(yè)方向發(fā)展,。在食品,、藥品的干燥過程中，為防止在不同作業(yè)流程轉(zhuǎn)換中對產(chǎn)品造成污染,，需要在一臺干燥機中能進行多個操作,，完成干燥產(chǎn)品所需的各種作業(yè)流程。

  　　②采用連續(xù)式生產(chǎn)技術(shù)的設(shè)備,。其真空干燥室內(nèi)的能量能夠保持穩(wěn)定,，不會象間隙式生產(chǎn)那樣每生產(chǎn)一個循環(huán)，設(shè)備溫度高低變化一次,，部分能量浪費在設(shè)備部件的反復(fù)加熱上,，因此更加節(jié)能。另外連續(xù)式真空干燥設(shè)備與周期式干燥設(shè)備相比，輔助時間少,，可節(jié)省時間,，提高產(chǎn)量。

  　　③設(shè)備采用組合式的加熱方式,。在干燥設(shè)備內(nèi)將對流傳熱,、熱傳導(dǎo)、熱輻射或介電(高頻和微波)兩種或兩種以上的傳熱方式結(jié)合起來供熱,，或在不同的階段采用不同的傳熱方式,。如日本柴田弘道提出采用過熱蒸汽和微波結(jié)合加熱物料的技術(shù)制造干燥設(shè)備就是一種探索，實踐證明,，采用組合加熱技術(shù)對于縮短加熱時間,，節(jié)約能源、提高干燥產(chǎn)品的質(zhì)量是非常有利的,。

  　　④采用更*的控制技術(shù),。采用專家系統(tǒng)控制工藝流程，模糊PID技術(shù)控制加熱溫度的變化范圍,，人工智能模塊適應(yīng)環(huán)境和產(chǎn)品工藝的變化是真空干燥機的一個重要方向,。目前這個領(lǐng)域在西方發(fā)達國家如意大利仍處于實驗之中，還沒有工業(yè)化的成果,。

  微波真空干燥技術(shù)

  　　微波屬于電磁波,，具有干涉、衍射,、透射、反射等一系列的電磁波波動特性,。微波能量藉電磁波來傳輸,，對于處在微波場中的物質(zhì)，微波會產(chǎn)生反射,、吸收和穿透現(xiàn)象,。由磁控管射出的微波，經(jīng)激勵腔和波導(dǎo)進入裝載著被加熱物的微波諧振腔,，在諧振腔內(nèi)來回振蕩,，從而加熱物料。

  　　微波與傳統(tǒng)加熱工藝的不同之處,，在于依靠高頻電磁振蕩來引發(fā)分子運動,，使物料整體加熱。由于外部水分的蒸發(fā),，或與外部介質(zhì)的熱交換,，外部溫度比內(nèi)部低。從而形成一個由內(nèi)向外的溫度梯度,，水分在物料中總是傾向于從高溫處向低溫處運動,。

  　　水分的蒸發(fā)是一個從內(nèi)向外遷移的過程,，因此物料內(nèi)部的傳質(zhì)與傳熱是同向的，這一特性使微波成為ji佳的干燥熱源,。在食品工業(yè)中,，熱敏型物質(zhì)需要進行低溫快速干噪，而微波技術(shù)與真空技術(shù)的結(jié)合,，就成為ji具應(yīng)用價值的新技術(shù),。

  　　干燥時間：

  　　微波真空干燥時間的選擇十分重要，也受著許多因素的影響,。

  　　1,、系統(tǒng)的微波功率應(yīng)與物料量相匹配。即根據(jù)蒸發(fā)量要求配應(yīng)適當(dāng)大小的系統(tǒng)裝置,。

  　　2,、物料本身的干燥難易程度。即物料分子與水分子或相應(yīng)溶劑的親和水平,。

  　　3,、對成品含水率的要求。如一般干燥成品,，含水率可以控制在3~5%,，如要求低至1%或以下、干燥時間需相應(yīng)地延長,。

  　　4,、溶利種類。不同的溶劑所需的干燥時間及難易程度各有不同,，而某些溶劑可能需要配合相應(yīng)的回收系統(tǒng),。

  　　物料的尺寸及特性：

  　　微波具有穿透性，可以干燥相對較大的物料,，但所需的干燥時間也因而有所改變,。事實上，在微波真空干燥過程中,，物料內(nèi)部逐漸形成疏松多孔狀,，其內(nèi)部的導(dǎo)熱性開始減弱，即物料逐漸變成不良的熱導(dǎo)體,。

  　　隨著微波真空干燥過程的進行,，內(nèi)部溫度會高于外部，物料體積愈大,，其內(nèi)外溫度梯度就愈大,，內(nèi)部的熱傳導(dǎo)不能平衡微波所產(chǎn)生的溫差，使溫度梯度達到不能接受的水平。因此,，除非有特殊理由,，否則應(yīng)預(yù)先把物料處理到較小的粒狀或片狀，以改進干燥的效果,。

  　　當(dāng)物料必須以較大的形式出現(xiàn)時,，需在物料接近減速干燥期時，降低微波功率,，從而有效減少其內(nèi)外溫差,，但相對的反效果是延長了干燥時間。根據(jù)不同大小物料的干燥數(shù)據(jù),，減速干燥時間將從10~15分鐘延長至25~40分鐘,，在大多數(shù)情況下，這一數(shù)據(jù)是可以接受的,。

  　　粉末狀產(chǎn)品在微波干燥時具有其特性,。當(dāng)它們被堆積在一起時，不應(yīng)看成是許多小顆粒,，而是一個大的整體,，此時需要特別注意料層的內(nèi)外溫差。

  　　干燥溫度：

  　　產(chǎn)品的干燥溫度會根據(jù)每個干燥期而變化,。一般來說,，當(dāng)含水率較高時，物料的蒸發(fā)溫度接近于在真空度下水(或相應(yīng)溶劑)的蒸發(fā)溫度,。標(biāo)準(zhǔn)的工作真空度是0.098~0.099兆帕斯卡,，對應(yīng)水的蒸發(fā)溫度約20~25℃。

  　　當(dāng)進入減速干燥階段,，物料中的游離水已基本上蒸發(fā)掉,，物料分子與水分子的結(jié)合開始發(fā)生作用，物料溫度會明顯上升,，物料愈干燥，溫度上升的速度就愈快,。為了保證質(zhì)量,，需要對微波功率作出相應(yīng)的調(diào)整，以平衡其上升溫度,。

  　　微波加熱的均勻性：

  　　微波加熱的均勻性影響各部分物料的干燥速度,，以及干燥后成品質(zhì)量的均一性。

  　　對單個物料而言,，微波是整體加熱的,，不存在外部先受熱，然后內(nèi)部逐漸升溫的情況，從而體現(xiàn)熱均勻性的一面;然而,，當(dāng)觀察整個加熱腔內(nèi)的物料,，微波以多個模式在腔內(nèi)形成諧振。

  　　微波形成的模式愈多,，加熱情況就愈均勻,，但所形成的模式數(shù)目受腔體尺寸、形式,、耦合口的位置和數(shù)量,、物料多少等諸多因素影響。對這些條件的優(yōu)化,，能夠改善微波加熱的均勻性,，然而卻不可能做到一致的加熱溫度。因為微波在諧振腔內(nèi)來回反射,，無論怎樣改良,，仍存在波峰與波節(jié)相對密集的區(qū)域，電場能量不會一致,。要取得一致的干燥效果,，除非物料本身處于運動狀態(tài)，有助微波諧振模式的改變,，從而改善熱均勻性,。

  　　物料混合干燥：

  　　不同特性的物料或不同含水率的相同物料，不宜放在一起干燥,。一般建議每次只干燥一種物料,，因為不同產(chǎn)品的介電常數(shù)有異，不同含水率物質(zhì)蒸發(fā)的速率也有區(qū)別,，要在Z終達到同樣的干燥效果顯然是很困難的,。

  　　當(dāng)然也有例外的情況，如干燥兩種混和了的不同粉體時,，粉體處于ji細致并充分混合的情況下,，可看作是同一種物質(zhì)。這種原理也能應(yīng)用到液體或膏狀物質(zhì)里,。

  　　干燥的效率及經(jīng)濟性：

  　　效率是微波干燥法Z顯著的優(yōu)勢,，用冷凍干燥法處理可能需要20-30小時，但換上微波真空干燥法,，只須1-2小時便可,，大大地提高了效率及與之相關(guān)的綜合效益。值得一提的是,，一些含酒精或其他溶劑的物料一根本是不能被凍結(jié)的,。

  　　同時,，微波真空干燥法在能源節(jié)約上也有一定的優(yōu)勢，通過大量實踐及綜合計算,，可以提供一個近似的能耗值,，每蒸發(fā)1千克水分，耗電量約1.6度,。對于較高附加值的產(chǎn)品,，這顯然是可以接受，而對一些附加值相對較低的產(chǎn)品,，則需要從綜合成本計算,。

  　　此外，對于水果,、蔬菜,、及農(nóng)副產(chǎn)品等含水率高達90~95%的產(chǎn)品，如果一開始便用微波將全部水分脫去是不經(jīng)濟的,，也會降低效率,。正確的程序是預(yù)先將產(chǎn)品水分含量降至30~60%，才用微波真空干燥法脫去剩余水分,。

  　　系統(tǒng)的安全性：

  　　要注意的是,，系統(tǒng)不能空載運行，即加熱腔內(nèi)必須盛有負載物,。如果腔內(nèi)無物料,，微波經(jīng)多次反射后會折返耦合口，從而在耦合口附近產(chǎn)生電場的疊加,，形成很高的駐波,。另一方面，腔內(nèi)也不應(yīng)有金屬物體,，因為金屬物體會擾亂腔內(nèi)的場強分布,，可能引起不諧振和擴大駐波。

  　　另一個必須注意的要點是,，要嚴(yán)格防止微波泄漏,。系統(tǒng)的進出口與外界相通的部位，均需要考慮微波的屏蔽或衰減,，并確保微波不會干擾到其他探測元件的工作,。