过热蒸汽干燥技术

过热蒸汽干燥技术基础认识过热蒸汽干燥是最近发展起来的新技术，与传统热风干燥相比具有节能、环保、干燥产品质量好等优点，在国外已经广泛应用于各个行业，国内研究较少，尚处于实验室研究阶段。其用于食品干燥是近20年发展起来的，尤其是用低压过热蒸汽干燥食品等热敏性物料，避免了过热蒸汽干燥操作温度较高，从而影响产品质量的问题，具有广阔的发展前景。过热蒸汽干燥是指用过热蒸汽直接与被干燥物料接触而去除水分的干燥方式。与传统的热风干燥相比，这种干燥以水蒸汽作为干燥介质，干燥机排出的废气全部是蒸汽，利用冷凝的方法可以回收蒸汽的潜热再加以利用。因此，其干燥介质的消耗量明显减少，故单位热耗低。国际干燥协会主席Mujumdar把过热蒸汽干燥称为在未来具有巨大潜力和发展前景的干燥新技术。1.过热蒸汽的性质当蒸汽温度超过相应压力下的饱和温度，称为过热蒸汽。过热蒸汽相对与饱和蒸汽具有更高的温度。过热蒸汽的获得一般有两种方法：a.使饱和蒸汽通过换热面继续加热；b.干饱和蒸汽减压。2.过热蒸汽干燥的基本原理2.1.干燥逆转点研究发现，利用过热蒸汽进行干燥时，存在一个温度点，在此温度以上时，用过热蒸汽蒸发的速率大于用干空气蒸发的速率；在此温度以下时，则正好相反。此温度叫做“逆转点”，如图1所示。图1过热蒸汽干燥蒸发速率与介质温度的关系Taleb通过试验研究证实了逆转点的存在，还证实过热蒸汽在不同条件下逆转点不是唯一的，其中影响因素最大的是蒸汽的流态。专家分析认为：造成逆转温度存在的原因主要是干燥介质不同的基本热力学特性及其在不同操作条件下不同的变化规律、低温和高温时两种介质温度与物料表面温度差以及两种介质对流换热系数随温度升高的改变情况不一样等。2.2.过热蒸汽干燥的蒸汽压和平衡水分过热蒸汽干燥用蒸汽作干燥介质，传质阻力小，无表面结壳现象，物料温度达对应压力下沸点温度，介质和物料的平衡水分较低。Beeby和Potter认为，过热蒸汽干燥，由于只有一种气态成分，干燥机内的蒸汽压等于总的压力，如果要去除物料中的水分，必须使周围的蒸汽压小于自由水分的蒸汽压，温度应高于水分在对应压力下的沸点。过热蒸汽干燥的传热介质有学者研究表明在过热蒸汽干燥过程中，并不改变干燥过程的一般特性，即一般干燥过程的3个阶段：一是加热升温期，这个时期湿物料吸收热从喂入温度上升到开始蒸发水分；二是恒速干燥期，恒速干燥条件下，只要物料表面保持湿润，水分蒸发速度就不会改变；三是当水分降到不足使表面保持湿润时，进入降速干燥期。但是过热蒸汽干燥在这3个阶段又有着不同于热风干燥的特性。过热蒸汽干燥中干燥发生在介质对应压力下的沸点温度，因此在加热段涉及到大量的热传递。研究表明，加热段会产生蒸汽凝结在湿物料的表面，凝结的数量取决于被干物料的热扩散率、含水量及蒸汽的过热度。恒速干燥段表面温度保持在干燥机操作压力下的沸点温度，高于热风干燥，故水分扩散系数大；并且干燥速率不受颗粒表面水分蒸发的影响，主要取决于介质和物料的温度差和传热系数。Nomura和Hyodo等人研究表明，在过热蒸汽干燥中恒速段比热风干燥段要长，其主要原因是在过热蒸汽条件下，水分子更活跃。3.过热蒸汽干燥的优点1)可利用蒸汽的潜热，热效率高，节能效果显著。英国Thomas用盘式过热蒸汽干燥机干燥陶瓷粉、染料，每吨染料汽耗花费从20英镑降低到2英镑，节能达90%。瑞典的一种过热蒸汽干燥机干燥泥炭土单位蒸发量的能耗仅为热风干燥的1/6～1/7。2)干后产品品质好。用过热蒸汽干燥的主要原因是产品的质量得到改善。Davahastin等研究过热蒸汽干燥胡萝卜块，发现复水性、颜色、维生素保留量优于真空干燥。李业波等研究表明过热蒸汽撞击干燥后样品的内部孔隙少于热风撞击干燥，截面也比较平滑，样品的淀粉糊化度高于热风撞击干燥。3)过热蒸汽传热系数大。Potter和Keogh用流化床干燥机干燥煤炭得出过热蒸汽干燥时传热系数为200～500W2·K，而热风搅拌式干燥其传热系数仅为20～50W2·K。4)过热蒸汽的比热大，蒸汽用量少，这就可以减少设备的体积和废气的净化量。5)无爆炸和失火危险。过热蒸汽干燥无空气存在，没有氧化和燃烧反应。一些通常不能用热风干燥的食品原料，可以用过热蒸汽干燥。6)过热蒸汽干燥有利于保护环境。过热蒸汽干燥是在密封条件下进行的，粉尘含量大大降低。用过热蒸汽干燥可以消除城市垃圾、污泥等的臭味。7)过热蒸汽具有灭菌消毒作用。过热蒸汽干燥物料的温度是操作条件下水的沸点温度，在干燥有灭菌要求的食品原料和药品原料同时，能消灭细菌和其他有毒微生物。4.过热蒸汽干燥的缺点1)过热蒸汽干燥设备投资大。从原理上讲，热风干燥机均可改为过热蒸汽干燥机。然而，过热蒸汽干燥喂料和卸料不能有空气渗入，喂入和产品收集系统复杂，设备费和维修费用高。2)过热蒸汽干燥喂料易产生结露现象。过热蒸汽干燥，温度超过100℃,当喂入大气温度条件下的物料时，开始会有凝结现象产生，这就意味着干燥时间要加长。3)过热蒸汽干燥不适合热敏性物料。由于过蒸汽干燥物料温度超过100℃,对一些热敏性物料是不适宜的。在真空条件下操作虽会使产品的质量得到保证，又会提高设备的成本和操作的复杂性；但过热蒸汽干燥过程中如果废气没有被充分利用，这种干燥的节能优势是不存在的。5.过热蒸汽在食品行业的应用5.1.过热蒸汽用于食品干燥的优点在食品、药品等热敏性物料的干燥过程中，为了保持物料中的有效成分，保证产品的质量，必须采用较低的干燥温度，通常采用冷冻干燥来干燥此类物料。但是冷冻干燥时间长、能耗大、经济效益低。因此急需寻找一种低温、高速、能量利用率高的干燥方法。过热蒸汽用于食品干燥是近20年来发展起来的，但是由于温度过高影响热敏性物料的适应性，最近又提出了用低压过热蒸汽干燥食品，并进行了研究。用低压过热蒸汽干燥罗勒(又名兰香)叶子，发现干燥过程不改变物料成分，且物料内芳香成分保留量在80%以上，而热风干燥只能保留初始含量的60%。用过热蒸汽和真空干燥胡萝卜块发现，过热蒸汽干燥产品维生素c的保留量高于真空干燥，其原因是在过热蒸汽干燥过程中维生素c的氧化较少。大量学者对不同的食品如土豆片、面条、大豆、稻谷、蔬菜、虾米、鸡肉、各种水果片等进行了过热蒸汽干燥的研究，研究表明过热蒸汽干燥食品和热风干燥相比，除了节能环保等上述优点，还突出表现在干燥时间短、物料收缩变形小、颜色保持新鲜、多孔、复水性好和维生素含量高等方面。5.2.过热蒸汽干燥食品存在的问题尽管过热蒸汽用于食品干燥具有明显的优势，但是干燥过程中物料温度能够达到操作压力下的沸点温度，可能会损害一些热敏性物料的有效成分。因此，对一些要求温度很低的食品物料不适合，但是对于可以承受较高温度的食品来说又能起到较好的杀菌消毒作用，近来提出的低压过热蒸汽干燥通过调节不同的操作压力，可以降低干燥温度，从而拓宽了过热蒸汽干燥的适用范围。同时，还可以结合不同的干燥方式(如干燥强度很大的撞击流干燥)来减少干燥时间，从而限制物料的温升，保证产品质量。由于过热蒸汽干燥不能有气体泄漏，喂料和卸料不能有空气渗入，这就需要有密封的喂料系统和卸料系统，为了达到节能的目的，还要有相应的废气收集系统，因此设备复杂、费用高。同时，由于某些物料可能会引起设备腐蚀和锈蚀，因此对设备材料要求也较高。设备的复杂性也导致了维修费用的提高。5.3.过热蒸汽应用于食品干燥的发展趋势现有的各种过热蒸汽干燥机，如过热蒸汽陶瓷盆干燥机、过热蒸汽流化床干燥机、带式过热蒸汽干燥机、管式过热蒸汽干燥机、常压蒸汽干燥机、连续式无空气干燥机、过热蒸汽输送式干燥机等，经对不同的物料进行了实验研究，均取得了较好的干燥效果。中国农业科学院的研究员用过热蒸汽对撞流干燥玉米饼也取得优于热风对撞流干燥的产品质量。这种干燥方式利用了撞击流干燥瞬间干燥的特点，从而避免了温度高对物料有效成分的破坏，保证了产品质量。近来国外学者致力于结合不同的前处理过程如灭活、冷冻等物理处理过程和把物料在NaCl、甘油、离子和非离子的表面活性剂中浸渍后再用过热蒸汽干燥，发现前处理过程可以提高干燥速度，尤其是在温度较低的干燥状况下对干燥速率影响更大。另有不少学者把过热蒸汽干燥同其它干燥方法如热泵干燥等结合起来对物料进行干燥，虽然干燥时间有所延长，但是取得了比单纯的过热蒸汽干燥更好的产品质量。过热蒸汽干燥与其它干燥方式结合起来以满足各种物料不同干燥阶段对操作参数的要求，从而在节能的同时保证产品质量；研究最多的还是利用低压过热蒸汽干燥不同的物料，因为这种方法结合了过热蒸汽和负压甚至真空干燥的优点，避开了常压过热蒸汽干燥物料温度过高的劣势，扩大了过热蒸汽干燥对热敏性物料的适应性。6.结束语20世纪80年代以来，过热蒸汽干燥已经广泛应用于化工、轻工等行业，在国外也对不同的物料进行了大量的研究，但是在国内对这方面的研究非常有限。而过热蒸汽用于食品干燥也是最近20年才引起重视，并进行研究。过热蒸汽干燥对提高干燥效率、降低干燥能耗、减少环境污染、提高产品质量具有重要的意义，是一种很有发展前景的干燥新技术。因此，把过热蒸汽用于食品干燥有着广阔的前景。