【正文】 條件下完成脫水的操作過程。 ? 冷凍狀態(tài)的物料進(jìn)行干燥是水分升華過程，因此，冷凍干燥又稱為冷凍升華干燥。 ? 水分升華過程通常只能在一定的真空度下發(fā)生，需要借助于 (利用低溫冷卻使水汽結(jié)霜的 )冷阱，以保證在水分不斷升華條件下使真空系統(tǒng)的負(fù)荷降低和工作正常。 137 一、 冷凍干燥設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成 各種型式的冷凍干燥裝置系統(tǒng)均由預(yù)凍、供熱、蒸汽和不凝結(jié)氣體排除系統(tǒng)及干燥室等部分構(gòu)成，如 圖 。這些系統(tǒng)一般以冷凍干燥室為核心聯(lián)系在一起，有些部分直接裝在冷凍干燥室內(nèi)，如供熱的加熱板、供冷的制冷板和水汽凝結(jié)器等。預(yù)凍過程可以獨(dú)立于冷凍干燥機(jī)完成，此時(shí)冷凍干燥箱內(nèi)不設(shè)冷凍板。 （一） 預(yù)冷凍系統(tǒng) （二） 供熱系統(tǒng) （三） 低溫冷凝器（冷阱） 138 139 （一） 預(yù)冷凍系統(tǒng) ? 一般來說，各種物料凍結(jié)方法都可用來預(yù)凍。 ? 鼓風(fēng)式和接觸式凍結(jié)應(yīng)用最多。 ? 鼓風(fēng)式凍結(jié)一般在冷凍干燥主機(jī)外的速凍裝置中完成，以提高主機(jī)的工作效率。 ? 而接觸式凍結(jié)常在冷凍干燥室的物料擱板上進(jìn)行。 ? 液態(tài)物料可用真空噴霧凍結(jié)法進(jìn)行預(yù)凍。該方法是將液體物料從噴嘴中呈霧狀噴到凍結(jié)室內(nèi)，當(dāng)室內(nèi)為真空時(shí)，由于一部分水的蒸發(fā)使得其余部分的物料降溫而得到凍結(jié)。由于這種預(yù)凍方法可使料液在真空室內(nèi)連續(xù)預(yù)凍，因此可以使噴霧預(yù)凍室與升華干燥室相連，構(gòu)成完全連續(xù)式的冷凍干燥機(jī)。 140 （二） 供熱系統(tǒng) ? 作用 ? 加熱方式主要有 傳導(dǎo) 、 輻射 和 微波 加熱三種。 141 圖 利用壓縮機(jī)的排氣作為擱板加熱熱源的凍干系統(tǒng)，壓縮機(jī)在熱泵運(yùn)行方式和制冷運(yùn)行方式間切換，可節(jié)省能耗。 142 ?傳導(dǎo)加熱法 ? 物料放在料盤或輸送帶上接受傳導(dǎo)的熱量。 ? 按熱能的提供方式有直接加熱和間接加熱兩種。 ? 熱源有電、煤氣、石油氣、天然氣和煤等。 ? 載熱體：水、蒸汽、礦物油、乙二醇、三氯乙烯等。 ? 用壓縮機(jī)排氣加熱的凍干系統(tǒng) 143 ?作用 ? 提供升華所需的熱量。供給升華熱時(shí)，要保證傳熱速率既能使凍結(jié)層表面達(dá)到盡可能高的蒸汽壓，又不致使凍結(jié)層融化，所以應(yīng)根據(jù)傳熱速率決定熱源溫度。 ? 提供低溫凝結(jié)器 (冷阱 )融化積霜所需的熔解熱。 144 ?輻射加熱 ? 利用傳送鋼帶在干燥箱內(nèi)進(jìn)行物料輸送的冷凍干燥機(jī)，一般采用不與輸送帶接觸的輻射加熱器，先對(duì)鋼帶進(jìn)行加熱，再通過受熱的鋼帶對(duì)物料進(jìn)行接觸傳導(dǎo)加熱。 ? 另外，理論上，只要兩物體有溫差，就會(huì)發(fā)生熱量從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移的輻射傳熱。 ? 因此，在多層擱架板式冷凍干燥箱內(nèi)，作用于一層物料盤底的接觸加熱器，對(duì)下層物料而言，實(shí)際上就是一個(gè)輻射加熱器。 145 ?微波加熱 ? 微波加熱屬于內(nèi)部加熱，可使任何形狀物料的內(nèi)、外均一地將接受到的微波能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使里外同時(shí)升溫。 ? 這種加熱方式對(duì)于不規(guī)則物料的凍干有很多好處。 ? 但由于微波加熱系統(tǒng)的復(fù)雜性，到目前為止，尚未出現(xiàn)實(shí)用的微波加熱方式的工業(yè)化凍干設(shè)備。 146 （三） 低溫冷凝器（冷阱） ? 作用 ? 標(biāo)準(zhǔn)冷阱系統(tǒng) ? 也有直接抽氣的系統(tǒng)，如采用蒸汽噴射泵的真空系統(tǒng)。 ? 冷阱在系統(tǒng)中的位置 ? 冷阱的本質(zhì)與形式 ? 冷阱的除霜 147 ?標(biāo)準(zhǔn)冷阱系統(tǒng) 冷阱安裝在干燥室與系統(tǒng)的真空泵之間。由于冷阱溫度低于物料的溫度，即物料凍結(jié)層表面的蒸汽壓大于冷阱內(nèi)的蒸汽分壓，因而從物料中升華出的蒸汽，在通過冷阱時(shí)大部分以結(jié)霜的方式凝結(jié)下來，剩下的一小部分蒸汽和不凝結(jié)氣體則由真空泵抽走。 148 ?作用 干燥過程中升華的水分必須連續(xù)快速地排除。在 ， 1g冰升華可產(chǎn)生100m3的蒸汽，若直接采用真空泵抽吸，則需要極大容量的抽氣機(jī)才能維持所需的真空度，因此必須有脫水裝置。低溫冷凝器 (冷阱 )正是實(shí)現(xiàn)在低溫條件下除去大量水分的裝置。 149 ?冷阱在系統(tǒng)中的位置 冷阱可作為一個(gè)獨(dú)立單元置于干燥室與真空泵之間，也可以直接安裝在干燥箱內(nèi)，這種冷阱稱為內(nèi)置式冷阱。內(nèi)置式冷阱可避免用管道連接所帶來的流導(dǎo)損失。兩種方式的比較見表94。 150 ?冷阱的除霜 ? 低溫冷凝器在運(yùn)行過程中，積聚的霜應(yīng)及時(shí)除去。 ? 除霜方式有 間歇式 和 連續(xù)式 兩種。 151 ?單個(gè)冷凝器間歇式工作 對(duì)于較小的冷凍干燥系統(tǒng)，通常在冷凍干燥周期結(jié)束后，用一定溫度（常溫也可）的水來沖霜，并將其排除，然后進(jìn)行下一個(gè)周期的操作。這種沖水式除霜裝置投資成本低，除霜操作簡(jiǎn)便。 152 153 ?兩組冷阱交替除霜 在較大的冷凍干燥系統(tǒng)內(nèi)安裝有 兩組低溫冷凝器 ，一組正常運(yùn)行時(shí)，另一組則在除霜。利用切換裝置，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。這種連續(xù)式除冰裝置是全自動(dòng)控制的，可以將冷凝器的霜層厚度控制在不超過2~3mm，從而使霜層表面的溫差損失減少，降低了制冷的能耗，同時(shí)使冷凝器的能力維持恒定，使單位面積冷凍干燥能力維持最大值。 154 ?冷阱的本質(zhì)與形式 ? 低溫冷凝器本質(zhì)上屬于間壁式熱交換器。 ? 形式：列管式、螺旋管式、盤管式、板式等。 ? 內(nèi)置式低溫冷凝器 ? 外置式低溫冷凝器 155 156 一般呈圓筒狀，具有一大一小兩個(gè)管口，串聯(lián)在干燥箱和真空泵之間，圖 所示為幾種外置式低溫冷凝器。 157 二、 常見冷凍干燥裝置 冷凍干燥裝置按操作的連續(xù)性可分為間歇式、連續(xù)式和半連續(xù)式三類，在物料工業(yè)中應(yīng)用最多的是間歇式和半連續(xù)式裝置。 （一） 間歇式冷凍干燥機(jī) （二） 半連續(xù)式冷凍干燥系統(tǒng) （三） 連續(xù)式冷凍干燥系統(tǒng) 158 （一） 間歇式冷凍干燥機(jī) ? 間歇式冷凍干燥裝置有許多適合物料生產(chǎn)的特點(diǎn)，因此絕大多數(shù)的物料冷凍干燥裝置均采用這類裝置。 ? 間歇式冷凍干燥裝置 ? 特點(diǎn) 159 間歇式冷凍干燥裝置中的干燥箱與一般的真空干燥箱相似，屬盤架式。干燥箱有各種形狀，多數(shù)為圓筒形。盤架可以是固定式，也可做成小車出入干燥箱，料盤置于各層加熱板上。如采用輻射加熱方式，則料盤置于輻射加熱板之間，物料可于箱外預(yù)凍后裝入箱內(nèi)，或在箱內(nèi)直接進(jìn)行預(yù)凍。若為直接預(yù)凍，干燥箱必須與制冷系統(tǒng)相連接，見圖 。 ?間歇式冷凍干燥裝置 160 ?特點(diǎn) ? 優(yōu)點(diǎn)： ① 適應(yīng)多品種小批量的生產(chǎn)，特別是季節(jié)性強(qiáng)的物料生產(chǎn)； ② 單機(jī)操作，一臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障，不會(huì)影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行； ③ 便于設(shè)備的加工制造和維修保養(yǎng)； ④ 便于在不同的階段按照冷凍干燥的工藝要求控制加熱溫度和真空度。 ? 缺點(diǎn)： ① 由于裝料、卸料、啟動(dòng)等預(yù)備操作占用的時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備利用率低； ② 若要滿足一定的產(chǎn)量要求，往往需要多臺(tái)單機(jī)，并要配備相應(yīng)的附屬系統(tǒng)，導(dǎo)致設(shè)備的投資費(fèi)用增加。 161 （二） 半連續(xù)式冷凍干燥系統(tǒng) 針對(duì)間歇式設(shè)備生產(chǎn)能力低，設(shè)備利用率不高等的缺點(diǎn)，在向連續(xù)化過渡的過程中，出現(xiàn)了 多箱式 及 隧道式 等半連續(xù)式設(shè)備。 162 ?半連續(xù)隧道式冷凍干燥機(jī) 如圖 。升華干燥過程是在大型隧道式真空箱內(nèi)進(jìn)行的，料盤以間歇方式通過隧道一端的大型真空密封門進(jìn)入箱內(nèi)，以同樣的方式從另一端卸出。這樣，隧道式干燥機(jī)就具有設(shè)備利用率高的優(yōu)點(diǎn)，但不能同時(shí)生產(chǎn)不同的品種，且轉(zhuǎn)換生產(chǎn)另一品種的靈活性小。 163 ?多箱間歇式半連續(xù)式設(shè)備 ? 多箱間歇式設(shè)備由一組干燥箱構(gòu)成，每?jī)上涞牟僮髦芷诨ハ嘟诲e(cuò)。 ? 在同一系統(tǒng)中，各箱的加熱板加熱、低溫冷凝器制冷以及真空抽氣均利用同一個(gè)集中系統(tǒng)，但每箱可單獨(dú)控制。 ? 這種裝置也可用于同時(shí)生產(chǎn)不同的品種，提高了設(shè)備操作的靈活性。 164 165 （三） 連續(xù)式冷凍干燥系統(tǒng) ? 連續(xù)式冷凍干燥裝置的關(guān)鍵 ? 進(jìn)料輸送及加熱部件 ? 連續(xù)式冷凍干燥裝置舉例 ? 特點(diǎn) 166 ?進(jìn)料輸送及加熱部件 ? 在室外單體凍結(jié)的小顆粒狀物料，可以利用閉風(fēng)閥，送入凍干室。 ? 物料進(jìn)入凍干室后在輸送器傳送過程中得到升華干燥，最后干燥產(chǎn)品也通過閉風(fēng)閥出料。 ? 連續(xù)式凍干室內(nèi)的物料輸送裝置可以是水平向輸送的鋼帶輸送機(jī)，也可以是上下輸送的轉(zhuǎn)盤式輸送裝置。 ? 加熱板元件應(yīng)根據(jù)具體的輸送裝置而設(shè)置，以使物料得到均勻的加熱。 167 ?連續(xù)式冷凍干燥裝置的關(guān)鍵 ? 連續(xù)式冷凍干燥裝置的關(guān)鍵是在不影響干燥室工作環(huán)境條件下連續(xù)地進(jìn)出物料。 ? 根據(jù)物料狀態(tài)不同可有多種實(shí)現(xiàn)凍干箱連續(xù)進(jìn)出物料的方式。 ? 連續(xù)式冷凍干燥裝置一般均采用室外預(yù)冷凍 (除了前面所提到的用于液體物料的噴霧冷凍連續(xù)凍干方式以外 ) 。 168 ?連續(xù)式冷凍干燥裝置的特點(diǎn) ? 優(yōu)點(diǎn)： ① 處理能力大，適合單品種生產(chǎn)； ② 設(shè)備利用率高； ③ 便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化； ④ 勞動(dòng)強(qiáng)度低。 ? 缺點(diǎn)： ① 不適合多品種小批量的生產(chǎn)； ② 在干燥的不同階段，雖可控制不同的溫度，但不能控制不同真空度； ③ 設(shè)備復(fù)雜、龐大，制造精度要求高，投資費(fèi)用大。 169 ? 預(yù)凍好的原料裝在淺盤上，通過空氣鎖連續(xù)地送入凍干室內(nèi)，凍干好的物料也通過空氣鎖連續(xù)地將料盤送出。 ? 干燥過程 ?連續(xù)式冷凍干燥裝置 170 ?干燥操作過程 干燥過程大致為： ? 裝有適當(dāng)厚度預(yù)凍制品的料盤從預(yù)凍間被送至干燥機(jī)入口，通過空氣鎖進(jìn)入干燥室內(nèi)的料盤升降器，每進(jìn)入一盤，料盤就向上提升一層。 ? 等進(jìn)入的料盤填滿升降器盤架后，由水平向推送機(jī)構(gòu)將新裝入料盤一次性向前移動(dòng)一個(gè)盤位。 ? 這些料盤同時(shí)又推動(dòng)加熱板間的其它料盤向前移動(dòng)，干燥室內(nèi)另一端的料盤就被推出到出口端升降器。 ? 出口端升降器以類似方式逐一將料盤下降，再通過出口空氣鎖送出室外。 ? 室外的料盤也是連續(xù)輸送的。裝有干燥產(chǎn)品的料盤由輸送鏈送至卸料機(jī)，卸料后的空盤再通過水平和垂直輸送裝置送到裝料工位。如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。 171 ?微波干燥原理 原理 ： 當(dāng)待干燥的濕物料置于高頻電場(chǎng)時(shí)，由于濕物料中水分子具有極性，則分子沿著外電場(chǎng)方向取向排列，隨著外電場(chǎng)高頻率變換方向，則水分子會(huì)迅速轉(zhuǎn)動(dòng)或快速擺動(dòng)。又由于分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和相鄰分子間的相互作用，使分子隨著外電場(chǎng)變化而擺動(dòng)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)受到干擾和阻礙，從而引起分子間的摩擦而產(chǎn)生熱量，使其溫度升高。 第五節(jié) 微波干燥設(shè)備 172 ?微波干燥設(shè)備 微波干燥設(shè)備 173 小 結(jié) ?干燥設(shè)備的選型原則 ?麥芽干燥塔 ?真空干燥設(shè)備 ?氣流干燥設(shè)備 ?噴霧干燥設(shè)備 ?流化床干燥設(shè)備 ?冷凍干燥設(shè)備 ?微波干燥設(shè)備 174 ?思考題 1. 請(qǐng)舉 3例對(duì)流式干燥機(jī)在生物工業(yè)中應(yīng)用的例子？ 2. 高黏度漿狀物料的可用哪些類型的設(shè)備干燥？ 3. 噴霧干燥設(shè)備如何節(jié)能？ 4. 可有哪些措施避免或緩和流化床干燥設(shè)備內(nèi)已干物料與濕物料的混合碰撞？ 5. 試比較方形與圓筒形真空干燥箱箱體的特點(diǎn)。 6. 討論滾筒式干燥設(shè)備中對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有影響的機(jī)構(gòu)形式？ 7. 試分析間歇式冷凍干燥機(jī)可采用的進(jìn)料方式。 175