真空干燥技術(shù)

• 　　真空干燥是利用負(fù)壓(真空)降低物料中水的沸點(diǎn)，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(duì)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)系統(tǒng)加熱，會(huì)有更多的液體汽化，使干燥速度加快;

  　?、廴绻S持T不變，降低P_s，同樣會(huì)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(qiáng)與真空干燥的關(guān)系

  　　溫度和壓強(qiáng)都會(huì)影響真空干燥的效率。壓強(qiáng)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(huì)影響物料加熱效果。物料在一定的溫度下，壓力在1000Pa以下時(shí)，蒸發(fā)和沸騰同時(shí)進(jìn)行。水分升華速率取決于提供給升華界面熱量的多少、壓強(qiáng)的高低。物料的溫度高、壓強(qiáng)低，干燥速度就快。

  　　當(dāng)壓強(qiáng)在100Pa以下時(shí)，物料的水分會(huì)升華帶走大量的熱量，物料溫度因而降低，干燥過程延長(zhǎng)，能源消耗增加，達(dá)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(qiáng)至10000～20000Pa，以空氣為介質(zhì)增加熱量對(duì)流與傳導(dǎo)，以期達(dá)到預(yù)期的干燥目標(biāo)，但會(huì)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(shì)

  　　1、真空干燥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

  　　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(gè)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(dòng)下，進(jìn)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);

  　?、谶M(jìn)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(jī)理;

  　?、墼诨A(chǔ)學(xué)科研究成果的推動(dòng)下，進(jìn)行干燥傳遞過程機(jī)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;

  　?、苁褂媚：刂?、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(shì)

  　　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(duì)產(chǎn)品造成污染，需要在一臺(tái)干燥機(jī)中能進(jìn)行多個(gè)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(huì)象間隙式生產(chǎn)那樣每生產(chǎn)一個(gè)循環(huán)，設(shè)備溫度高低變化一次，部分能量浪費(fèi)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(shí)間少，可節(jié)省時(shí)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(duì)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(shí)踐證明，采用組合加熱技術(shù)對(duì)于縮短加熱時(shí)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(jī)的一個(gè)重要方向。目前這個(gè)領(lǐng)域在西方發(fā)達(dá)國(guó)家如意大利仍處于實(shí)驗(yàn)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(dòng)特性。微波能量藉電磁波來傳輸，對(duì)于處在微波場(chǎng)中的物質(zhì)，微波會(huì)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(lì)腔和波導(dǎo)進(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(gè)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(yùn)動(dòng)。

  　　水分的蒸發(fā)是一個(gè)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(jìn)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(jià)值的新技術(shù)。

  　　干燥時(shí)間：

  　　微波真空干燥時(shí)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(duì)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(shí)間需相應(yīng)地延長(zhǎng)。

  　　4、溶利種類。不同的溶劑所需的干燥時(shí)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(duì)較大的物料，但所需的干燥時(shí)間也因而有所改變。事實(shí)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(jìn)行，內(nèi)部溫度會(huì)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(dá)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(jìn)干燥的效果。

  　　當(dāng)物料必須以較大的形式出現(xiàn)時(shí)，需在物料接近減速干燥期時(shí)，降低微波功率，從而有效減少其內(nèi)外溫差，但相對(duì)的反效果是延長(zhǎng)了干燥時(shí)間。根據(jù)不同大小物料的干燥數(shù)據(jù)，減速干燥時(shí)間將從10~15分鐘延長(zhǎng)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(shí)具有其特性。當(dāng)它們被堆積在一起時(shí)，不應(yīng)看成是許多小顆粒，而是一個(gè)大的整體，此時(shí)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(huì)根據(jù)每個(gè)干燥期而變化。一般來說，當(dāng)含水率較高時(shí)，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(duì)應(yīng)水的蒸發(fā)溫度約20~25℃。

  　　當(dāng)進(jìn)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(huì)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(duì)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(duì)單個(gè)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(gè)加熱腔內(nèi)的物料，微波以多個(gè)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(duì)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?yàn)槲⒉ㄔ谥C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(duì)密集的區(qū)域，電場(chǎng)能量不會(huì)一致。要取得一致的干燥效果，除非物料本身處于運(yùn)動(dòng)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?yàn)椴煌a(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(dá)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(shí)，粉體處于ji細(xì)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(jì)性：

  　　效率是微波干燥法Z顯著的優(yōu)勢(shì)，用冷凍干燥法處理可能需要20-30小時(shí)，但換上微波真空干燥法，只須1-2小時(shí)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(shí)，微波真空干燥法在能源節(jié)約上也有一定的優(yōu)勢(shì)，通過大量實(shí)踐及綜合計(jì)算，可以提供一個(gè)近似的能耗值，每蒸發(fā)1千克水分，耗電量約1.6度。對(duì)于較高附加值的產(chǎn)品，這顯然是可以接受，而對(duì)一些附加值相對(duì)較低的產(chǎn)品，則需要從綜合成本計(jì)算。

  　　此外，對(duì)于水果、蔬菜、及農(nóng)副產(chǎn)品等含水率高達(dá)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(jì)的，也會(huì)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(yùn)行，即加熱腔內(nèi)必須盛有負(fù)載物。如果腔內(nèi)無物料，微波經(jīng)多次反射后會(huì)折返耦合口，從而在耦合口附近產(chǎn)生電場(chǎng)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?yàn)榻饘傥矬w會(huì)擾亂腔內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布，可能引起不諧振和擴(kuò)大駐波。

  　　另一個(gè)必須注意的要點(diǎn)是，要嚴(yán)格防止微波泄漏。系統(tǒng)的進(jìn)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(huì)干擾到其他探測(cè)元件的工作。