第十三章乾燥過程與裝置
為了減少的體積，便於運輸，防止成品在儲存過程中變性、變質，保持生物產品的效能，生物產品加工需要經過乾燥過程，將物料的溼分降低到適當的範圍內。
乾燥是將溼物料的溼分（水分或其他溶劑）除去的加工過程，往往是整個生物加工過程中在包裝之前的最後一道工序，與最終產品的質量密切相關，乾燥方法的選擇對於保證產品的質量至關重要，乾燥方法有不同的分類方式。
按照熱能傳遞給溼物料的方式可分為：
1．直接乾燥
熱空氣與物料直接接觸，物料乾燥所需的熱量主要依靠物料與熱空氣的對流傳熱。這類乾燥方法包括：表面乾燥、氣流乾燥、噴霧乾燥、振動乾燥及沸騰造粒乾燥等。
直接乾燥法可以使用較高溫度的熱空氣，乾燥速度大，裝置投資少，但熱效率低。直接乾燥是目前應用最廣泛的乾燥方法。
2．間接乾燥
物料乾燥所需要的熱量通過金屬等材料直接傳遞，乾燥速度慢，裝置造價高，但熱效率高。間接乾燥裝置有：真空乾燥、冷凍乾燥、輻射乾燥（紅外線和遠紅外乾燥）等。
3．介電加熱乾燥
主要有：高頻高燥和微波乾燥等。
按照乾燥的操作方式可以分為連續操作和間歇操作。連續操作或間歇操作的選擇由下列原則決定：
（1）間歇操作
通常用於：小批量生產，處理量少或多品種生產；與乾燥銜接的前後工段生產不連續；物料的供給、成品的排出和物料在乾燥器內連續輸送有困難；乾燥時間極長的物料。間隙操作的特點是裝置簡單，操作中故障少，投資和操作費用少；其缺點是物料受熱時間長，不適用熱敏物料；勞動強度大；自動控制比較麻煩。
（2）連續操作
如果與乾燥銜接的前後工段整個是連續的，則通常採用連續乾燥。連續乾燥的特點是熱效率比間歇乾燥高，容易實現自動化，操作人員少，故在處理量大時應採用連續操作。同時由於乾燥的時間短，對於處理量少的熱敏性的物料有時也需採用連續操作。
我國乾燥裝置技術與裝備，經過二十多年來的發展，已經發生了根本性的變化。目前，我國已有數百家乾燥裝置製造企業，並成立了乾燥裝置行業協會；我國製造的常用乾燥裝置，基本上已經滿足國內市場的需求，某些型號的裝置還出口到國外，其中噴霧乾燥裝置、旋轉快速乾燥裝置、振動流化床乾燥機、用蒸汽管傳熱的迴轉圓筒乾燥機及糧油乾燥機等，均接近或達到90年代國際水平，從而結束了依賴大量從國外進口的時代，但在某些乾燥技術方面，國內與國外仍存在差距。
第一節氣流乾燥
氣流乾燥是把含有水的泥狀、塊狀、粉粒狀物料，通過適當的方法使它們分散到熱空氣中，在與熱氣流並流輸送的同時進行乾燥而獲得粉狀乾燥製品的過程。
一、氣流乾燥流程與裝置
氣流乾燥流程圖見圖13-1。溼物料由加料鬥4經加料器5送入氣流乾燥3。空氣通過空氣過濾器1濾取灰塵，經加熱器2加熱到一定溫度後送入乾燥管。
由於熱氣流的高速流動，物料顆粒分散於氣流之中，氣固兩相之回發生傳熱和傳質作用，使物料獲得乾燥。已乾燥的物料隨氣流帶出，經分離器6分離氣體和固體，產品通過鎖氣器8從出口9卸出。廢氣經風機7排走。
由此流程可知，氣流乾燥裝置中除了乾燥器本身外，還包括：空氣過濾器、風機、加料鬥、卸料器、分離器等附屬裝置，今將這些簡述如下：
空氣過濾器的型式要由產品所要求的清潔程度及周圍空氣的情況決定，如藥品、食品等的乾燥，空氣都需經過一定程度的過濾，有時甚至還需進行無菌處理。空氣過濾介質為鐵絲網，中間夾上用豆油煮過的絲瓜囊或鐵絲等，使塵埃容易粘在上面。
風機的選擇需由整個乾燥系統的流體阻力和所需風量而定。風機放置位置（在乾燥器的前或後）應由乾燥器的操作壓力決定。若風機置於分離器之後，則乾燥器在負壓下操作，可以避免粉塵由於裝置密封不嚴往外漏洩，同時負壓操作有利子物抖水分的汽化，但風機卻處在較高溫度和濕度的不利情況下工作；若風機置於空氣加熱器之前，乾燥器則在正壓下操作，適合用於清潔嚴格的場合。
在實際生產中常使用二颱風機，分別設定在乾燥器的前後，使乾燥器的操作壓力控制在-10~10公釐水柱的範圍內，以避免大量漏氣。
空氣加熱器通常採來用蒸汽加熱的翅片式加熱器，可採用螺旋翅片式，也可以採用管式的換熱器，加熱蒸汽壓力一般為：0.2~0.
3mpa，加熱後空氣溫度為80~90℃。小型乾燥器也有採用電加熱的，但成本較高。
乾燥管：一般採用圓形，其次有方形和不同直徑交替的所謂脈衝管，如圖13-2所示。
為了充分利用氣流乾燥中的顆粒加速運動段具有很高的傳熱和傳質作用來強化乾燥過程，採用管徑交替縮小與擴大的脈衝氣流乾燥管來達到。即加入的物料顆粒，首先進入管徑小的乾燥管內，氣流以較高速度流過，使顆粒產生加速運動，當其加速運動終了時，乾燥管徑突然增大，由於顆粒運動的慣性，使該段內顆粒速度大於氣流速度，顆粒在運動過程中，由於氣流阻力而不斷減速，直至減速終了時，乾燥管徑再突然縮小，如此顆粒又被加速，重複交替地使管徑縮小與擴大，使顆粒的運動速度在加速後又減速，不進入等速運動階段，使氣流與顆粒間的相對速度與傳熱面積較大，從而強化了傳熱、傳質速率。另外，在擴大段氣流速度大大下降，也相應地增加了乾燥的時間。
加料器和卸料器對保證穩定的連續生產和成品質量很重要，圖13-3所示的物種型式加料器適用於散狀物料。為了防止在加料過程中物料結塊，可採用震動加料器。
乾燥裝置中最常用的氣——固分離器是旋風分離器，其結構簡單、占地面積小，清洗方便，顆粒大於5微公尺時可獲得較高的分離效率。為了提高收率，可在旋風分離器後再串聯乙個袋濾器作為第二級分離。濕法淨化在乾燥裝置中很少採用，這是因為乾燥的目的是為了獲得幹固體產品，僅當放空的廢氣要求嚴格淨化時才採用。
二、氣流乾燥器的型式
（一）按照加料方式分類
為了使適應各種物料在乾燥前的不同狀態，應採用不同的加料方式，加料方式有三種：
（1）直接加料型
原料從加速管中間直接投入，利用高速氣流的衝擊使物料分散而進行乾燥（圖13-4（a））。
（2）帶分散機型
某些含水顆粒體物料，如在熱氣流中不易分散，或進料過程中易結塊，可在進料口設分散機。分散機是由帶放射狀棒的轉輪和鎖氣外殼組成，在分散機中無熱風流過（圖13-4（b））
（3）帶粉碎機型
在乾燥管前設定粉碎機，其結構見圖13-5。由於粉碎機具有高速迴旋的鼠籠式轉子，能把物料和熱風高速攪拌，所以熱容量係數極高，可達3000~10000千卡/公尺3·小時·℃。在粉碎機中可除去全部蒸發水的50~80%。
採用粉碎機加料的流程有如下幾種：
（1）圖13-4（c）適用於濾餅等泥狀物料，經粉碎機粉碎後進入乾燥管。
（2）如物料含水較多，加料有困難可將一部分已乾燥的成品粉末返回到原料中去混合，以減少原料的含水率增加其流動性。由於成品迴圈受熱，對熱敏性物料需注意物料因重複加熱而變質的問題。這種流程見圖13-4（d）。
（3）圖13-4（e）的流程適用於乾燥管處在很小的負壓下操作，不能適用密封加料裝置的溼物料。
（4）圖13-4（f）為在乾燥管上附設分級器，粗粒子在此分級並返回粉碎機，使成品粒子水分均一。
（二）按乾燥管形狀分類
（1）直管式
直管式（圖13-6（a））適用於比較容易乾燥的無聊，如以除去附著水為主或臨界含水率不高的場合，而且要求成品含水率在0.5~1%。
（2）變徑管式
變徑管的形式很多，圖13-6（b）、（c）、（d）為集中應用較多的變徑管。變徑管是將顆粒等速運動段的直徑擴大，使物料與氣流的相對速度加大，有利於顆粒表面氣膜更新。加速傳熱，並使物料在乾燥管內的停留時間增大。
適用於較難乾燥的物料，以及成品含水率要求較低（<0.5%）的場合。圖13-6（d）所示的變徑具有占地面積小的優點。
三、氣流乾燥的特點和適用範圍
氣流乾燥有如下特點：
（1）可獲得高度乾燥的成品
由於物料加到熱風中去，逐步分散成很小的粒子和熱空氣的接觸面積極大，傳熱速度也很大，而且在氣流乾燥過程中可使物料中所含的水分幾乎都成為附著水，水分全部以表面蒸發的形式除去，因此物料的臨界含水率極低。例如粒徑50微公尺以下的顆粒幾乎可一直乾燥到平衡水分。對目前常用的氣流乾燥的物料分析表明：
一般臨界含水率為1~3%。
（2）適用於熱敏性物料的乾燥
氣流乾燥時間極短，一般為0.5~2秒，最長也不過5~7秒，而且乾燥過程基本上是以表面乾燥的形式進行，物料表面溫度始終為空氣的溼球溫度（一般為55~60℃左右），即使經歷降速乾燥階段，由於氣流乾燥均為並流操作，物料也不易過熱，成品溫度一般不超過70~90℃。
（3）熱效率高
乾燥管的熱效率通常為50~60%。熱風溫度在400℃以上時，每公斤幹空氣可蒸發水分0.1~0.15kg。
（4）熱損失少
乾燥器結構緊湊，散熱面積小，風量損失也少。
（5）裝置簡單，操作容易，投資少。
（6）操作穩定，便於自動化。
（7）乾燥過程伴隨著顆粒的空氣輸送，整個過程都是連續的，便於與前後工序銜接。（8）可以有很大的裝置規模。
直徑1.5公尺的乾燥管蒸發水分可達8噸/小時，裝置規模的大小取決於風量的大小。隨著乾燥管，分離器直徑的增大，會影響物料在熱風中的均勻分布，使乾燥效率和捕集效率下降。
氣流乾燥的規模雖然有這些因素的制約，但是與其他型式的乾燥器相比，能力還是很大的。
氣流乾燥適用於大小為0.7公釐以下的物料。對有較高含水率的物料也能乾燥到含水率0.5%以下。
氣流乾燥不適宜乾燥臨界含水率高、降速段長的物料。但由於粒子間、粒子與器壁間的碰撞、摩擦劇烈，故不適合對成品外形有一定要求（如結晶體）的物料。
四、氣流乾燥的計算
氣流乾燥的計算主要是計算乾燥管的尺寸，即乾燥管的長度與直徑。確定乾燥管長度的方法有兩種，一種是按同型別產品的工廠在生產上查定資料為依據，如測定在生產中乾燥管內的氣流速度，物料與空氣的接觸時間來計算乾燥管的長度。另一種方法，是按照理論進行計算，下面著重介紹此方法：
（1）通過基爾比切夫準數求出物料的懸浮速度和乾燥過程終空氣與物料的給熱係數α。
基爾比切夫準數13-1)
式中 ——微粒平均直徑，m，可用篩子分級，根據篩孔平均直徑計算；
——微粒的平均密度，kg/m3；
——空氣在乾燥管內平均溫度時的密度，kg/m3；
——空氣在乾燥管內平均溫度時的運動粘度，m2/s。
求得準數ki後，可根據圖13-7所示的關係求出顆粒懸浮雷諾準數，這樣便可以求出顆粒的懸浮速度。
，m/s13-2）
同時應用圖13-8可以從雷諾準數來查出努塞爾特準數，這樣就能確定空氣與物料顆粒之間的給熱係數。
13-3）
式中 ——在平均溫度時，空氣的導熱係數，kj/（m2·h·℃）。
（2）微粒總表面積的計算
設微粒為規則的球形，表面積為：
13-4）
式中 ——每小時進入乾燥管的微粒個數
式中 ——乾燥器的生產能力，kg/h。
所以，m2/h
（3）乾燥時間的計算
物料與空氣之間的平均溫差為：
13-5）
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