第1章　概　述

1.1　干燥技術的發(fā)展

1.1.1　干燥技術的現狀

我國的現代干燥技術是從20世紀50年代逐漸發(fā)展起來的，迄今對于常用的干燥設備，如氣流干燥、噴霧干燥、流化床干燥、旋轉閃蒸干燥、紅外干燥、微波干燥、冷凍干燥等設備，我國均能生產供應，對于一些較新型的干燥技術如沖擊干燥、對撞流干燥、過熱干燥、脈動燃燒干燥、熱泵干燥等也都已開發(fā)研究，有的已工業(yè)化應用。

干燥技術的研究既要研究成千上萬種不同干燥物料的干燥性能，也要研究各種節(jié)能高效的新型干燥設備，以及研究一定的物料在某種干燥設備中的合理操作參數。人們一直希望通過干燥理論的研究建立干燥模型，以期在計算機上取得最佳結果。遺憾的是，直到今天，對于大多數干燥操作，在無經驗的情況下，只能通過試驗取得相關數據，來指導生產實踐。

對于干燥技術，有三項目標是學者公認的，即：干燥操作要保證產品質量；干燥作業(yè)對環(huán)境不造成污染；干燥的節(jié)能研究。中國科學院工程物理研究所劉登瀛研究員研究了在微時間尺度和高熱流密度作用下的超急速傳熱傳質，用試驗驗證了非傅里葉導熱（非平衡）效應的存在，首次提出了非傅里葉熱效應和非費克擴散效應對于干燥過程的影響趨勢，并對多層流化床干燥機和對撞流干燥機中非穩(wěn)態(tài)干燥過程作了全面研究。此外，對垂直、半環(huán)及其組合對撞流干燥進行了理論和試驗研究。中國農業(yè)大學劉相東教授在干燥理論方面研究了多孔介質內部水分遷移過程的孔道網絡模擬及分形網絡模擬，對物料和干燥介質之間的熱傳遞過程做出新的解釋，為干燥技術提供理論支持，他還對脈動燃燒干燥技術做了深入研究。中國農業(yè)大學曹崇文教授是中國谷物干燥專家，他在谷物干燥過程的計算機模擬方面進行了研究，開發(fā)了多種模擬軟件，研究開發(fā)的5HG-45糧食干燥成套設備已推廣百余臺。此外還對多種新型干燥技術，如過熱蒸汽干燥、沖擊流干燥、脈動干燥、對撞流干燥等做了探討和研究。中國林業(yè)科學院林化所的王宗濂研究員是國內著名的噴霧干燥專家之一，其課題組在離心噴霧霧化器的研究中以三支點力學模型解決了撓性軸系的一系列理論問題，研制噴液量5～40000kg/h、轉速10000～32000r/min的霧化器。在高壓噴霧方面研制了生產能力達50t/d，能生產0.3～0.5mm粒徑的分散染料。大連理工大學干燥工程研究室的王喜忠教授是國內著名的噴霧干燥專家之一，其設計的最大裝置年處理能力可達10000t，在磷脂油脂和番茄紅素的微膠囊化技術、靜電霧化技術、超臨界干燥和納米粉體干燥方面的研究都處于國內領先位置。香港科技大學化工系的陳國華博士對紙的熱風沖擊干燥做了深入研究，并首次發(fā)現有二次升速階段，此外對中藥食品等多孔物料的微波干燥及微波冷凍干燥做了獨特的研究。天津科技大學的潘永康教授、李占勇教授研究生物活性物料和蔬果動態(tài)干燥時，發(fā)現有些生物物料干燥時，如果進風的濕球溫度接近生物物料的發(fā)酵溫度，則可最大限度地保存生物產品的活性。他們對流化床的工業(yè)應用做了開發(fā)研究，使振動流化床布風均勻，不漏粉料，物料在床內的停留時間可在較大范圍內調整。設計的各種特殊的破碎裝置，使受熱后結團的物料，如聚酯顆粒和吸水樹脂，能有效地干燥。東北大學徐成海教授研制了連續(xù)真空干燥設備和連續(xù)真空冷凍干燥設備，可冷凍干燥活菌、活毒、皮膚、骨骼、角膜等生物制品，在醫(yī)學上有重要意義。河南科技大學朱文學教授研究利用分形理論研究谷物干燥過程中應力裂紋的擴展機理，進行了擴展動力學分析和擴展過程的模擬。通過對谷物紅外輻射吸收特性的研究，運用非匹配紅外吸收原則確定了谷物紅外干燥光譜區(qū)域，設計了新一代的燃氣紅外干燥機，為谷物快速、保質、低成本的干燥、貯藏提供了新的選擇。

食品干燥技術是一個非常活躍的研究方向。食品通過脫水干燥，可提高原料中可溶性物質的濃度，阻礙微生物繁殖，抑制蔬菜中酶的活性，從而使脫水后的蔬菜能夠在常溫下較久保存，且便于運輸和攜帶。食品干燥可采用常壓熱風干燥（如網帶式干燥機）、真空冷凍干燥、微波干燥、遠紅外干燥、滲透干燥和過熱蒸汽干燥。近年來新開發(fā)的干燥設備有噴射泵式真空凍干設備、真空油炸果蔬脆片設備、氮氣干燥器、太陽能成套干燥設備、微波真空干燥機、振動流化床干燥機等。

食品干燥研究存在的問題一是對各種脫水食品的復水性能缺乏研究，較少了解某些干制品改善復原性常用的手段；二是選擇合適干制手段的能力較弱。近年來有過分夸大某種干燥方式的優(yōu)點而忽略其缺點的趨勢，如一味強調凍干產品品質的優(yōu)點，而忽略其易吸潮、易碎、設備投資大、操作費用高等缺點。在保證品質方面，開發(fā)選用不同干制技術以適應不同食品原料的干制特性，從而保障干制品的品質。如真空冷凍干燥、過熱蒸汽干燥分別適用于熱敏性和過敏性物料的干燥；微波加熱均勻，可以避免一般加熱干燥過程由于內外加熱不勻而引起的品質下降，能充分保持新鮮食材原有的營養(yǎng)成分，并具有反應靈敏、便于控制、熱效率高、無余熱、無污染等顯著特點；遠紅外干燥可使干燥效率和干燥質量顯著提高；連續(xù)冷凍干燥則是一種發(fā)展趨勢。

微波干燥、遠紅外干燥和聲波干燥是國際上應用較為普及的三種高效節(jié)能新技術。國際趨勢是將微波或遠紅外與真空低溫技術結合，避免內部升溫失控。熱泵和太陽能干燥是近年才應用在食品干燥中的節(jié)能新技術，但干制溫度低、干燥時間較長。

1.1.2　干燥技術的可持續(xù)發(fā)展道路

干燥操作涉及的領域極為廣泛，在化工、醫(yī)藥、食品、造紙、木材、糧食與農副產品加工、建材、環(huán)保等領域，干燥操作常常成為其生產過程的主要耗能環(huán)節(jié)；同時，干燥單元對環(huán)境的污染也相當嚴重，干燥技術必須走綠色可持續(xù)發(fā)展道路。

（1）改進干燥工藝，改變單一粗放型干燥方式

目前，我國多數產品的干燥操作是在單一干燥設備內、在一種干燥參數下完成的。從物料干燥動力學特性可以看出，物料在不同的干燥階段，其最優(yōu)干燥參數是不同的。采用單一干燥設備和單一干燥參數，不僅造成能源與資源的浪費，還會影響干燥質量與產量。因此，首先必須從干燥工藝上進行改進，例如采用組合干燥方式，即在物料的不同干燥階段，采用不同干燥參數和干燥方式，可實現對干燥過程的優(yōu)化控制。同時吸收綠色設計的理念，改變粗放型的干燥方式，逐步向循環(huán)經濟的方向發(fā)展，即實現無廢棄物、零污染排放、高效優(yōu)化用能和優(yōu)質生產。

（2）進行全面節(jié)能技術改造，實現裝備的升級換代

全面節(jié)能應包括過程節(jié)能、系統(tǒng)節(jié)能和單元設備節(jié)能幾個方面，其根本目的是提高能源的利用效率，以降低一次能源消耗和提高單位能耗產值。過程節(jié)能指生產過程的節(jié)能。對整個工業(yè)生產而言，是爭取實現循環(huán)經濟，即上游生產的產品或副產品可作為下游生產的原料或燃料。在循環(huán)經濟理念中是沒有廢物的，而只是處于不同生產環(huán)節(jié)中的資源。如對干燥尾氣的循環(huán)利用，既達到了節(jié)能目的，又防止了廢氣的排放。系統(tǒng)節(jié)能是指對干燥系統(tǒng)進行總能系統(tǒng)分析，以實現系統(tǒng)中各單元設備的優(yōu)化配置，實現能源的對口合理梯級利用。單元設備節(jié)能包括干燥器和熱源設備的節(jié)能改造。目前，在我國的干燥設備中，低效高污染的老式設備仍占大多數，低水平重復的現象相當嚴重。

除了采用經濟和行業(yè)標準手段，逐漸淘汰這些落后設備以外，應當加大開發(fā)先進節(jié)能干燥設備的技術投入和推廣力度，重視干燥基礎理論研究，加快引進其他領域的科研成果，如熱管技術、超臨界流體技術、熱泵技術、計算機智能技術、脈動燃燒技術等。干燥單元操作可以采取下列節(jié)能措施：提高入口空氣溫度；降低出口空氣溫度；降低蒸發(fā)負荷；預熱料液；減少空氣從連接處漏入；用廢氣預熱干燥介質；采用組合干燥；利用內換熱器；廢氣循環(huán)；改變熱源；干燥區(qū)域保溫，防止干燥過度。要采用先進的制造技術理念，如綠色制造，智能設計、并行設計技術，以實現干燥裝備的升級換代。

（3）大力發(fā)展應用新能源與工業(yè)余熱的干燥技術

大力調整和優(yōu)化能源結構，是我國實施中長期能源發(fā)展規(guī)劃的主要戰(zhàn)略措施之一。我國有豐富的太陽能資源、生物能資源、風能和地熱能，這些都是寶貴的新能源。國內外專家學者已對太陽能干燥技術進行了大量研究工作并取得了一些成果，譬如利用太陽能作為補充熱力的熱源已獲成功。另外可采用先進節(jié)能技術如熱管技術和熱泵技術對余熱進行回收，以達到節(jié)能的目的。