真空干燥技術

• 　　真空干燥是利用負壓(真空)降低物料中水的沸點，通過傳導傳熱提供足夠的熱量來蒸發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象表面的硬化現象，也可回收有用或有害的物質，還可實現“綠色干燥”，因而在食品、制藥、化工和制革等行業得到較為廣泛的應用。

  真空干燥原理

  　　真空干燥的基本原理是基于傳熱傳質理論，即在物料、物料與周圍環境以及周圍環境本身這三者之間的傳熱傳質。下式是克拉珀龍-克勞修斯公式，它揭示了真空干燥的動力學特性。

  　　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論：

  　　①水的汽化溫度隨壓力降低而降低，在真空條件下能實現低溫汽化，這就是真空干燥的理論基礎;

  　　②在壓力P_s不變的情況下，對系統加熱，會有更多的液體汽化，使干燥速度加快;

  　　③如果維持T不變，降低P_s，同樣會有更多的液體轉化為蒸汽，這也可以加快真空干燥速度。

  溫度、壓強與真空干燥的關系

  　　溫度和壓強都會影響真空干燥的效率。壓強越低，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，會影響物料加熱效果。物料在一定的溫度下，壓力在1000Pa以下時，蒸發和沸騰同時進行。水分升華速率取決于提供給升華界面熱量的多少、壓強的高低。物料的溫度高、壓強低，干燥速度就快。

  　　當壓強在100Pa以下時，物料的水分會升華帶走大量的熱量，物料溫度因而降低，干燥過程延長，能源消耗增加，達不到預期的干燥指標要求。目前，一般做法是通入空氣降低壓強至10000～20000Pa，以空氣為介質增加熱量對流與傳導，以期達到預期的干燥目標，但會因含氧而使物料中的易氧化成分氧化變質，加上溫度過高而分解，影響產品質量。

  真空干燥技術及設備的發展趨勢

  　　1、真空干燥技術的發展趨勢

  　　真空干燥技術總的來說是提高傳熱傳質效率，向GX節能、綠色環保、易于控制的方向發展，具體將發展如下幾個方面的技術：

  　　①在相關學科領域新技術、新成果的推動下，進行干燥新工藝、新裝備的研究，如將不同的干燥技術和干燥設備組合使用的技術;

  　　②進行干燥模擬技術的研究，以探究復雜干燥工藝過程的干燥機理;

  　　③在基礎學科研究成果的推動下，進行干燥傳遞過程機理的基礎研究，如間接加熱和組合式加熱的技術、特種干燥技術和新型干燥技術的研究;

  　　④使用模糊控制、專家系統控制設備的技術。

  　　2、真空干燥設備的發展趨勢

  　　①向干燥產品一體化作業方向發展。在食品、藥品的干燥過程中，為防止在不同作業流程轉換中對產品造成污染，需要在一臺干燥機中能進行多個操作，完成干燥產品所需的各種作業流程。

  　　②采用連續式生產技術的設備。其真空干燥室內的能量能夠保持穩定，不會象間隙式生產那樣每生產一個循環，設備溫度高低變化一次，部分能量浪費在設備部件的反復加熱上，因此更加節能。另外連續式真空干燥設備與周期式干燥設備相比，輔助時間少，可節省時間，提高產量。

  　　③設備采用組合式的加熱方式。在干燥設備內將對流傳熱、熱傳導、熱輻射或介電(高頻和微波)兩種或兩種以上的傳熱方式結合起來供熱，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合加熱物料的技術制造干燥設備就是一種探索，實踐證明，采用組合加熱技術對于縮短加熱時間，節約能源、提高干燥產品的質量是非常有利的。

  　　④采用更*的控制技術。采用專家系統控制工藝流程，模糊PID技術控制加熱溫度的變化范圍，人工智能模塊適應環境和產品工藝的變化是真空干燥機的一個重要方向。目前這個領域在西方發達國家如意大利仍處于實驗之中，還沒有工業化的成果。

  微波真空干燥技術

  　　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特性。微波能量藉電磁波來傳輸，對于處在微波場中的物質，微波會產生反射、吸收和穿透現象。由磁控管射出的微波，經激勵腔和波導進入裝載著被加熱物的微波諧振腔，在諧振腔內來回振蕩，從而加熱物料。

  　　微波與傳統加熱工藝的不同之處，在于依靠高頻電磁振蕩來引發分子運動，使物料整體加熱。由于外部水分的蒸發，或與外部介質的熱交換，外部溫度比內部低。從而形成一個由內向外的溫度梯度，水分在物料中總是傾向于從高溫處向低溫處運動。

  　　水分的蒸發是一個從內向外遷移的過程，因此物料內部的傳質與傳熱是同向的，這一特性使微波成為ji佳的干燥熱源。在食品工業中，熱敏型物質需要進行低溫快速干噪，而微波技術與真空技術的結合，就成為ji具應用價值的新技術。

  　　干燥時間：

  　　微波真空干燥時間的選擇十分重要，也受著許多因素的影響。

  　　1、系統的微波功率應與物料量相匹配。即根據蒸發量要求配應適當大小的系統裝置。

  　　2、物料本身的干燥難易程度。即物料分子與水分子或相應溶劑的親和水平。

  　　3、對成品含水率的要求。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、干燥時間需相應地延長。

  　　4、溶利種類。不同的溶劑所需的干燥時間及難易程度各有不同，而某些溶劑可能需要配合相應的回收系統。

  　　物料的尺寸及特性：

  　　微波具有穿透性，可以干燥相對較大的物料，但所需的干燥時間也因而有所改變。事實上，在微波真空干燥過程中，物料內部逐漸形成疏松多孔狀，其內部的導熱性開始減弱，即物料逐漸變成不良的熱導體。

  　　隨著微波真空干燥過程的進行，內部溫度會高于外部，物料體積愈大，其內外溫度梯度就愈大，內部的熱傳導不能平衡微波所產生的溫差，使溫度梯度達到不能接受的水平。因此，除非有特殊理由，否則應預先把物料處理到較小的粒狀或片狀，以改進干燥的效果。

  　　當物料必須以較大的形式出現時，需在物料接近減速干燥期時，降低微波功率，從而有效減少其內外溫差，但相對的反效果是延長了干燥時間。根據不同大小物料的干燥數據，減速干燥時間將從10~15分鐘延長至25~40分鐘，在大多數情況下，這一數據是可以接受的。

  　　粉末狀產品在微波干燥時具有其特性。當它們被堆積在一起時，不應看成是許多小顆粒，而是一個大的整體，此時需要特別注意料層的內外溫差。

  　　干燥溫度：

  　　產品的干燥溫度會根據每個干燥期而變化。一般來說，當含水率較高時，物料的蒸發溫度接近于在真空度下水(或相應溶劑)的蒸發溫度。標準的工作真空度是0.098~0.099兆帕斯卡，對應水的蒸發溫度約20~25℃。

  　　當進入減速干燥階段，物料中的游離水已基本上蒸發掉，物料分子與水分子的結合開始發生作用，物料溫度會明顯上升，物料愈干燥，溫度上升的速度就愈快。為了保證質量，需要對微波功率作出相應的調整，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，以及干燥后成品質量的均一性。

  　　對單個物料而言，微波是整體加熱的，不存在外部先受熱，然后內部逐漸升溫的情況，從而體現熱均勻性的一面;然而，當觀察整個加熱腔內的物料，微波以多個模式在腔內形成諧振。

  　　微波形成的模式愈多，加熱情況就愈均勻，但所形成的模式數目受腔體尺寸、形式、耦合口的位置和數量、物料多少等諸多因素影響。對這些條件的優化，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。因為微波在諧振腔內來回反射，無論怎樣改良，仍存在波峰與波節相對密集的區域，電場能量不會一致。要取得一致的干燥效果，除非物料本身處于運動狀態，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，因為不同產品的介電常數有異，不同含水率物質蒸發的速率也有區別，要在Z終達到同樣的干燥效果顯然是很困難的。

  　　當然也有例外的情況，如干燥兩種混和了的不同粉體時，粉體處于ji細致并充分混合的情況下，可看作是同一種物質。這種原理也能應用到液體或膏狀物質里。

  　　干燥的效率及經濟性：

  　　效率是微波干燥法Z顯著的優勢，用冷凍干燥法處理可能需要20-30小時，但換上微波真空干燥法，只須1-2小時便可，大大地提高了效率及與之相關的綜合效益。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的。

  　　同時，微波真空干燥法在能源節約上也有一定的優勢，通過大量實踐及綜合計算，可以提供一個近似的能耗值，每蒸發1千克水分，耗電量約1.6度。對于較高附加值的產品，這顯然是可以接受，而對一些附加值相對較低的產品，則需要從綜合成本計算。

  　　此外，對于水果、蔬菜、及農副產品等含水率高達90~95%的產品，如果一開始便用微波將全部水分脫去是不經濟的，也會降低效率。正確的程序是預先將產品水分含量降至30~60%，才用微波真空干燥法脫去剩余水分。

  　　系統的安全性：

  　　要注意的是，系統不能空載運行，即加熱腔內必須盛有負載物。如果腔內無物料，微波經多次反射后會折返耦合口，從而在耦合口附近產生電場的疊加，形成很高的駐波。另一方面，腔內也不應有金屬物體，因為金屬物體會擾亂腔內的場強分布，可能引起不諧振和擴大駐波。

  　　另一個必須注意的要點是，要嚴格防止微波泄漏。系統的進出口與外界相通的部位，均需要考慮微波的屏蔽或衰減，并確保微波不會干擾到其他探測元件的工作。