真空干燥技术

　　真空干燥是利用负压(真空)降低物料中水的沸点，通过传导传热提供足够的热量来蒸发物料中多余水分的干燥方式。与常压干燥相比，真空干燥可避免被干燥对象表面的硬化现象，也可回收有用或有害的物质，还可实现“绿色干燥”，因而在食品、制药、化工和制革等行业得到较为广泛的应用。

真空干燥原理

　　真空干燥的基本原理是基于传热传质理论，即在物料、物料与周围环境以及周围环境本身这三者之间的传热传质。下式是克拉珀龙-克劳修斯公式，它揭示了真空干燥的动力学特性。

　　P_s=4.4168LlnT/(V''-V')+C

　　式中V''，V'分别为气体和液体水的比容，单位m³/kg;L为汽化潜热，单位kJ/kg;P_s是在温度T时的饱和蒸汽压，单位MPa;T为温度，单位K。

　　由公式可得出如下结论：

　　①水的汽化温度随压力降低而降低，在真空条件下能实现低温汽化，这就是真空干燥的理论基础;

　　②在压力P_s不变的情况下，对系统加热，会有更多的液体汽化，使干燥速度加快;

　　③如果维持T不变，降低P_s，同样会有更多的液体转化为蒸汽，这也可以加快真空干燥速度。

温度、压强与真空干燥的关系

　　温度和压强都会影响真空干燥的效率。压强越低，越有利于水分在较低温度下汽化，但真空度过高不利于热传导，会影响物料加热效果。物料在一定的温度下，压力在1000Pa以下时，蒸发和沸腾同时进行。水分升华速率取决于提供给升华界面热量的多少、压强的高低。物料的温度高、压强低，干燥速度就快。

　　当压强在100Pa以下时，物料的水分会升华带走大量的热量，物料温度因而降低，干燥过程延长，能源消耗增加，达不到预期的干燥指标要求。目前，一般做法是通入空气降低压强至10000～20000Pa，以空气为介质增加热量对流与传导，以期达到预期的干燥目标，但会因含氧而使物料中的易氧化成分氧化变质，加上温度过高而分解，影响产品质量。

真空干燥技术及设备的发展趋势

　　1、真空干燥技术的发展趋势

　　真空干燥技术总的来说是提高传热传质效率，向GX节能、绿色环保、易于控制的方向发展，具体将发展如下几个方面的技术：

　　①在相关学科领域新技术、新成果的推动下，进行干燥新工艺、新装备的研究，如将不同的干燥技术和干燥设备组合使用的技术;

　　②进行干燥模拟技术的研究，以探究复杂干燥工艺过程的干燥机理;

　　③在基础学科研究成果的推动下，进行干燥传递过程机理的基础研究，如间接加热和组合式加热的技术、特种干燥技术和新型干燥技术的研究;

　　④使用模糊控制、专家系统控制设备的技术。

　　2、真空干燥设备的发展趋势

　　①向干燥产品一体化作业方向发展。在食品、药品的干燥过程中，为防止在不同作业流程转换中对产品造成污染，需要在一台干燥机中能进行多个操作，完成干燥产品所需的各种作业流程。

　　②采用连续式生产技术的设备。其真空干燥室内的能量能够保持稳定，不会象间隙式生产那样每生产一个循环，设备温度高低变化一次，部分能量浪费在设备部件的反复加热上，因此更加节能。另外连续式真空干燥设备与周期式干燥设备相比，辅助时间少，可节省时间，提高产量。

　　③设备采用组合式的加热方式。在干燥设备内将对流传热、热传导、热辐射或介电(高频和微波)两种或两种以上的传热方式结合起来供热，或在不同的阶段采用不同的传热方式。如日本柴田弘道提出采用过热蒸汽和微波结合加热物料的技术制造干燥设备就是一种探索，实践证明，采用组合加热技术对于缩短加热时间，节约能源、提高干燥产品的质量是非常有利的。

　　④采用更先进的控制技术。采用专家系统控制工艺流程，模糊PID技术控制加热温度的变化范围，人工智能模块适应环境和产品工艺的变化是真空干燥机的一个重要方向。目前这个领域在西方发达国家如意大利仍处于实验之中，还没有工业化的成果。

微波真空干燥技术

　　微波属于电磁波，具有干涉、衍射、透射、反射等一系列的电磁波波动特性。微波能量藉电磁波来传输，对于处在微波场中的物质，微波会产生反射、吸收和穿透现象。由磁控管射出的微波，经激励腔和波导进入装载着被加热物的微波谐振腔，在谐振腔内来回振荡，从而加热物料。

　　微波与传统加热工艺的不同之处，在于依靠高频电磁振荡来引发分子运动，使物料整体加热。由于外部水分的蒸发，或与外部介质的热交换，外部温度比内部低。从而形成一个由内向外的温度梯度，水分在物料中总是倾向于从高温处向低温处运动。

　　水分的蒸发是一个从内向外迁移的过程，因此物料内部的传质与传热是同向的，这一特性使微波成为ji佳的干燥热源。在食品工业中，热敏型物质需要进行低温快速干噪，而微波技术与真空技术的结合，就成为ji具应用价值的新技术。

　　干燥时间：

　　微波真空干燥时间的选择十分重要，也受着许多因素的影响。

　　1、系统的微波功率应与物料量相匹配。即根据蒸发量要求配应适当大小的系统装置。

　　2、物料本身的干燥难易程度。即物料分子与水分子或相应溶剂的亲和水平。

　　3、对成品含水率的要求。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、干燥时间需相应地延长。

　　4、溶利种类。不同的溶剂所需的干燥时间及难易程度各有不同，而某些溶剂可能需要配合相应的回收系统。

　　物料的尺寸及特性：

　　微波具有穿透性，可以干燥相对较大的物料，但所需的干燥时间也因而有所改变。事实上，在微波真空干燥过程中，物料内部逐渐形成疏松多孔状，其内部的导热性开始减弱，即物料逐渐变成不良的热导体。

　　随着微波真空干燥过程的进行，内部温度会高于外部，物料体积愈大，其内外温度梯度就愈大，内部的热传导不能平衡微波所产生的温差，使温度梯度达到不能接受的水平。因此，除非有特殊理由，否则应预先把物料处理到较小的粒状或片状，以改进干燥的效果。

　　当物料必须以较大的形式出现时，需在物料接近减速干燥期时，降低微波功率，从而有效减少其内外温差，但相对的反效果是延长了干燥时间。根据不同大小物料的干燥数据，减速干燥时间将从10~15分钟延长至25~40分钟，在大多数情况下，这一数据是可以接受的。

　　粉末状产品在微波干燥时具有其独特性。当它们被堆积在一起时，不应看成是许多小颗粒，而是一个大的整体，此时需要特别注意料层的内外温差。

　　干燥温度：

　　产品的干燥温度会根据每个干燥期而变化。一般来说，当含水率较高时，物料的蒸发温度接近于在真空度下水(或相应溶剂)的蒸发温度。标准的工作真空度是0.098~0.099兆帕斯卡，对应水的蒸发温度约20~25℃。

　　当进入减速干燥阶段，物料中的游离水已基本上蒸发掉，物料分子与水分子的结合开始发生作用，物料温度会明显上升，物料愈干燥，温度上升的速度就愈快。为了保证质量，需要对微波功率作出相应的调整，以平衡其上升温度。

　　微波加热的均匀性：

　　微波加热的均匀性影响各部分物料的干燥速度，以及干燥后成品质量的均一性。

　　对单个物料而言，微波是整体加热的，不存在外部先受热，然后内部逐渐升温的情况，从而体现热均匀性的一面;然而，当观察整个加热腔内的物料，微波以多个模式在腔内形成谐振。

　　微波形成的模式愈多，加热情况就愈均匀，但所形成的模式数目受腔体尺寸、形式、耦合口的位置和数量、物料多少等诸多因素影响。对这些条件的优化，能够改善微波加热的均匀性，然而却不可能做到完全一致的加热温度。因为微波在谐振腔内来回反射，无论怎样改良，仍存在波峰与波节相对密集的区域，电场能量不会完全一致。要取得一致的干燥效果，除非物料本身处于运动状态，有助微波谐振模式的改变，从而改善热均匀性。

　　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。一般建议每次只干燥一种物料，因为不同产品的介电常数有异，不同含水率物质蒸发的速率也有区别，要在Z终达到同样的干燥效果显然是很困难的。

　　当然也有例外的情况，如干燥两种混和了的不同粉体时，粉体处于ji细致并充分混合的情况下，可看作是同一种物质。这种原理也能应用到液体或膏状物质里。

　　干燥的效率及经济性：

　　效率是微波干燥法Z显著的优势，用冷冻干燥法处理可能需要20-30小时，但换上微波真空干燥法，只须1-2小时便可，大大地提高了效率及与之相关的综合效益。值得一提的是，一些含酒精或其他溶剂的物料一根本是不能被冻结的。

　　同时，微波真空干燥法在能源节约上也有一定的优势，通过大量实践及综合计算，可以提供一个近似的能耗值，每蒸发1千克水分，耗电量约1.6度。对于较高附加值的产品，这显然是可以接受，而对一些附加值相对较低的产品，则需要从综合成本计算。

　　此外，对于水果、蔬菜、及农副产品等含水率高达90~95%的产品，如果一开始便用微波将全部水分脱去是不经济的，也会降低效率。正确的程序是预先将产品水分含量降至30~60%，才用微波真空干燥法脱去剩余水分。

　　系统的安全性：

　　要注意的是，系统不能空载运行，即加热腔内必须盛有负载物。如果腔内无物料，微波经多次反射后会折返耦合口，从而在耦合口附近产生电场的叠加，形成很高的驻波。另一方面，腔内也不应有金属物体，因为金属物体会扰乱腔内的场强分布，可能引起不谐振和扩大驻波。

　　另一个必须注意的要点是，要严格防止微波泄漏。系统的进出口与外界相通的部位，均需要考虑微波的屏蔽或衰减，并确保微波不会干扰到其他探测元件的工作。