生物制药工程原理与设备 电子教材 单元十一 干燥.doc

单元十一 干燥 除去固体、半固体物料中湿分的过程叫干燥。干燥的方法有机械干燥和热能干燥，机械干燥可去除大多数湿分；热能干燥是通过提升物料中湿分内能汽化成蒸汽而移除的过程，可分为加热干燥和冷冻干燥，是比较彻底的干燥法。按照压强增减情况，干燥过程又可分为常压干燥和真空干燥。 项目一 固体物料干燥过程 因固体物料与水分子间的结合力有强弱之分，所以不同固体物料中的水分移除速度有差异，亦即各种物料干燥速度、干燥时间有差别。 一、物料中的水分 （一）结合水分与非结合水分 按固体物料与水分子之间的作用力大小，物料中的水分可分为结合水分和非结合水分。以化学或物理方法结合的水分称为结合水分，如物料中的结晶水、吸附水、毛细管结构水，以及溶胀水分等。 1.结晶水分 与固体物料通过化学键结合的水分称为结晶水。结晶水分有结合力强，有定量组成关系，不能用普通干燥法去除等特点。 2.吸附水分 与固体物料以范德华力结合的水分称为吸附水分。吸附水分结合力中等，无定量组成关系，采用一般的干燥方法就能去除。 3.毛细管结构水分 在多孔固体物料中，由于毛细管吸附作用吸附的水分称为毛细管结构水分。毛细管结构水分受吸附力小，可用普通干燥法除去。 4.溶胀水分：以溶液形式存在于固体物料中的水分，如细胞水分。 机械地附着于物料固体表面、存积于大空隙内和固体颗粒堆积层中的水分称为非结合水分。非结合水分与物料分子之间的结合力很弱小，其蒸汽压力与同温度下纯水的蒸汽压力相同，用普通干燥法即可除去。 （二）自由水分与平衡水分 物料中的水分包括自由水分与平衡水分。在恒定的干燥条件下，用湿空气做干燥介质干燥固体物料，当固体物料中的水分蒸发与冷凝达到平衡后，物料中仍保留的水分称为平衡水分。平衡水分是干燥过程中物料残留的最低极限水分，这部分水分属于结合水分，不能用普通干燥方法去除。除平衡水分之外的水分称为自由水分。自由水分是相对概念，包括物料中全部非结合水分和部分结合水分。 二、固体湿物料的干燥过程 （一）固体湿物料的干燥过程 图11-1固体物料的干燥过程湿物料的干燥可分为两个大的阶段，第一个阶段湿物料内能升高加速运动，第二阶段湿物料内外水分扩散、汽化移除，如图11-1所示。 图11-1固体物料的干燥过程 进一步分析，在恒定干燥条件下，干燥过程可细分成预热段、恒速段、第一降速段、第二降速段。各阶段湿物料中水分含量随时间变化的趋势以及各段干燥速度都互不相同。 1.预热阶段 当物料受热后，其内部空隙中的水分因内能升高而由内向外移动，积累在固体物料的表面上形成表面自由水分。热能加快了内部水分的移出速度，由于水分渗出到表面，所以受热后有更多的水分蒸发到空气中。 在图中的A点表示湿物料进入干燥器受热的起点，随着固体物料温度的升高，物料中的水分蒸发速度加快，总含水量降低，预热阶段物料加速失水。 2.恒速干燥阶段 随着加热的进行，固体物料表面同时存在着蒸发与冷凝两个过程。一方面物料表面非结合水分蒸发到空气中，另一方面空气中的蒸汽返回到固体物料表面上冷凝成液体。当将物料加热到某一温度时，固体表面上的水分受热后蒸发到空气中的速度，以及空气中的蒸汽冷凝到固体物料表面的速度都保持恒定不变，表现为物料恒速失水，此阶段称为恒速干燥阶段。 在恒速干燥阶段，空气不再将热量用于提升固体湿物料的温度，而是给物料内部水分提供能量，加快内部水分的移动速度，维持固体物料表面布满水分的状态。图11-1中的B点是恒速干燥的起始点。 3.第一降速干燥阶段 当物料表面水分持续蒸发时非结合水分数量减少，当物料内部水分减少到无法补充外表面水分时，物料外表面不能继续维持全部润湿的状态，亦即固体物料表面局部缺水，恒速干燥结束，第一降速干燥开始。图11-1中的C点即是第一降速干燥起始点，所对应的物料含水量称为临界含水量。 在第一降速干燥阶段，物料内部的含水量降低，物料表面水分汽化量减少，干燥速度逐渐减小，物料表面温度略有上升。当固体物料表面再没有非结合水分时干燥速度急剧减小，干燥过程将进入第二降速干燥阶段。图11-1中的D点表示第一降速干燥阶段结束，第二降速干燥阶段开始。 4.第二降速干燥阶段 物料表面温度开始升高，内部水分向外表面移动速度极小，汽化过程从物料表面逐渐转移到物料内部，空气提供的热量要深入到物料内部才能使水分汽化。干燥过程的热量传递方式增多，水分汽化的方式也在增加，汽化阻力逐渐增强，干燥速度急剧下降直至为零。此时物料含水量降至为该空气状态下的平衡含水量，湿物料的干燥过程完结。 第二降速干燥过程速度缓慢耗时较长，所以在实际生产中，只要物料含水量降低到一定指标即终止干燥过程，所得干燥物料含水量约为平衡含水量。 （二）恒速阶段的干燥速度和干燥时间 1.干燥速度 单位时间单位面积上水分蒸发量叫干燥速度。 不同物料的干燥速度