第1章　概　述

1.1　干燥技术的发展

1.1.1　干燥技术的现状

我国的现代干燥技术是从20世纪50年代逐渐发展起来的，迄今对于常用的干燥设备，如气流干燥、喷雾干燥、流化床干燥、旋转闪蒸干燥、红外干燥、微波干燥、冷冻干燥等设备，我国均能生产供应，对于一些较新型的干燥技术如冲击干燥、对撞流干燥、过热干燥、脉动燃烧干燥、热泵干燥等也都已开发研究，有的已工业化应用。

干燥技术的研究既要研究成千上万种不同干燥物料的干燥性能，也要研究各种节能高效的新型干燥设备，以及研究一定的物料在某种干燥设备中的合理操作参数。人们一直希望通过干燥理论的研究建立干燥模型，以期在计算机上取得最佳结果。遗憾的是，直到今天，对于大多数干燥操作，在无经验的情况下，只能通过试验取得相关数据，来指导生产实践。

对于干燥技术，有三项目标是学者公认的，即：干燥操作要保证产品质量；干燥作业对环境不造成污染；干燥的节能研究。中国科学院工程物理研究所刘登瀛研究员研究了在微时间尺度和高热流密度作用下的超急速传热传质，用试验验证了非傅里叶导热（非平衡）效应的存在，首次提出了非傅里叶热效应和非费克扩散效应对于干燥过程的影响趋势，并对多层流化床干燥机和对撞流干燥机中非稳态干燥过程作了全面研究。此外，对垂直、半环及其组合对撞流干燥进行了理论和试验研究。中国农业大学刘相东教授在干燥理论方面研究了多孔介质内部水分迁移过程的孔道网络模拟及分形网络模拟，对物料和干燥介质之间的热传递过程做出新的解释，为干燥技术提供理论支持，他还对脉动燃烧干燥技术做了深入研究。中国农业大学曹崇文教授是中国谷物干燥专家，他在谷物干燥过程的计算机模拟方面进行了研究，开发了多种模拟软件，研究开发的5HG-45粮食干燥成套设备已推广百余台。此外还对多种新型干燥技术，如过热蒸汽干燥、冲击流干燥、脉动干燥、对撞流干燥等做了探讨和研究。中国林业科学院林化所的王宗濂研究员是国内著名的喷雾干燥专家之一，其课题组在离心喷雾雾化器的研究中以三支点力学模型解决了挠性轴系的一系列理论问题，研制喷液量5～40000kg/h、转速10000～32000r/min的雾化器。在高压喷雾方面研制了生产能力达50t/d，能生产0.3～0.5mm粒径的分散染料。大连理工大学干燥工程研究室的王喜忠教授是国内著名的喷雾干燥专家之一，其设计的最大装置年处理能力可达10000t，在磷脂油脂和番茄红素的微胶囊化技术、静电雾化技术、超临界干燥和纳米粉体干燥方面的研究都处于国内领先位置。香港科技大学化工系的陈国华博士对纸的热风冲击干燥做了深入研究，并首次发现有二次升速阶段，此外对中药食品等多孔物料的微波干燥及微波冷冻干燥做了独特的研究。天津科技大学的潘永康教授、李占勇教授研究生物活性物料和蔬果动态干燥时，发现有些生物物料干燥时，如果进风的湿球温度接近生物物料的发酵温度，则可最大限度地保存生物产品的活性。他们对流化床的工业应用做了开发研究，使振动流化床布风均匀，不漏粉料，物料在床内的停留时间可在较大范围内调整。设计的各种特殊的破碎装置，使受热后结团的物料，如聚酯颗粒和吸水树脂，能有效地干燥。东北大学徐成海教授研制了连续真空干燥设备和连续真空冷冻干燥设备，可冷冻干燥活菌、活毒、皮肤、骨骼、角膜等生物制品，在医学上有重要意义。河南科技大学朱文学教授研究利用分形理论研究谷物干燥过程中应力裂纹的扩展机理，进行了扩展动力学分析和扩展过程的模拟。通过对谷物红外辐射吸收特性的研究，运用非匹配红外吸收原则确定了谷物红外干燥光谱区域，设计了新一代的燃气红外干燥机，为谷物快速、保质、低成本的干燥、贮藏提供了新的选择。

食品干燥技术是一个非常活跃的研究方向。食品通过脱水干燥，可提高原料中可溶性物质的浓度，阻碍微生物繁殖，抑制蔬菜中酶的活性，从而使脱水后的蔬菜能够在常温下较久保存，且便于运输和携带。食品干燥可采用常压热风干燥（如网带式干燥机）、真空冷冻干燥、微波干燥、远红外干燥、渗透干燥和过热蒸汽干燥。近年来新开发的干燥设备有喷射泵式真空冻干设备、真空油炸果蔬脆片设备、氮气干燥器、太阳能成套干燥设备、微波真空干燥机、振动流化床干燥机等。

食品干燥研究存在的问题一是对各种脱水食品的复水性能缺乏研究，较少了解某些干制品改善复原性常用的手段；二是选择合适干制手段的能力较弱。近年来有过分夸大某种干燥方式的优点而忽略其缺点的趋势，如一味强调冻干产品品质的优点，而忽略其易吸潮、易碎、设备投资大、操作费用高等缺点。在保证品质方面，开发选用不同干制技术以适应不同食品原料的干制特性，从而保障干制品的品质。如真空冷冻干燥、过热蒸汽干燥分别适用于热敏性和过敏性物料的干燥；微波加热均匀，可以避免一般加热干燥过程由于内外加热不匀而引起的品质下降，能充分保持新鲜食材原有的营养成分，并具有反应灵敏、便于控制、热效率高、无余热、无污染等显著特点；远红外干燥可使干燥效率和干燥质量显著提高；连续冷冻干燥则是一种发展趋势。

微波干燥、远红外干燥和声波干燥是国际上应用较为普及的三种高效节能新技术。国际趋势是将微波或远红外与真空低温技术结合，避免内部升温失控。热泵和太阳能干燥是近年才应用在食品干燥中的节能新技术，但干制温度低、干燥时间较长。

1.1.2　干燥技术的可持续发展道路

干燥操作涉及的领域极为广泛，在化工、医药、食品、造纸、木材、粮食与农副产品加工、建材、环保等领域，干燥操作常常成为其生产过程的主要耗能环节；同时，干燥单元对环境的污染也相当严重，干燥技术必须走绿色可持续发展道路。

（1）改进干燥工艺，改变单一粗放型干燥方式

目前，我国多数产品的干燥操作是在单一干燥设备内、在一种干燥参数下完成的。从物料干燥动力学特性可以看出，物料在不同的干燥阶段，其最优干燥参数是不同的。采用单一干燥设备和单一干燥参数，不仅造成能源与资源的浪费，还会影响干燥质量与产量。因此，首先必须从干燥工艺上进行改进，例如采用组合干燥方式，即在物料的不同干燥阶段，采用不同干燥参数和干燥方式，可实现对干燥过程的优化控制。同时吸收绿色设计的理念，改变粗放型的干燥方式，逐步向循环经济的方向发展，即实现无废弃物、零污染排放、高效优化用能和优质生产。

（2）进行全面节能技术改造，实现装备的升级换代

全面节能应包括过程节能、系统节能和单元设备节能几个方面，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单位能耗产值。过程节能指生产过程的节能。对整个工业生产而言，是争取实现循环经济，即上游生产的产品或副产品可作为下游生产的原料或燃料。在循环经济理念中是没有废物的，而只是处于不同生产环节中的资源。如对干燥尾气的循环利用，既达到了节能目的，又防止了废气的排放。系统节能是指对干燥系统进行总能系统分析，以实现系统中各单元设备的优化配置，实现能源的对口合理梯级利用。单元设备节能包括干燥器和热源设备的节能改造。目前，在我国的干燥设备中，低效高污染的老式设备仍占大多数，低水平重复的现象相当严重。

除了采用经济和行业标准手段，逐渐淘汰这些落后设备以外，应当加大开发先进节能干燥设备的技术投入和推广力度，重视干燥基础理论研究，加快引进其他领域的科研成果，如热管技术、超临界流体技术、热泵技术、计算机智能技术、脉动燃烧技术等。干燥单元操作可以采取下列节能措施：提高入口空气温度；降低出口空气温度；降低蒸发负荷；预热料液；减少空气从连接处漏入；用废气预热干燥介质；采用组合干燥；利用内换热器；废气循环；改变热源；干燥区域保温，防止干燥过度。要采用先进的制造技术理念，如绿色制造，智能设计、并行设计技术，以实现干燥装备的升级换代。

（3）大力发展应用新能源与工业余热的干燥技术

大力调整和优化能源结构，是我国实施中长期能源发展规划的主要战略措施之一。我国有丰富的太阳能资源、生物能资源、风能和地热能，这些都是宝贵的新能源。国内外专家学者已对太阳能干燥技术进行了大量研究工作并取得了一些成果，譬如利用太阳能作为补充热力的热源已获成功。另外可采用先进节能技术如热管技术和热泵技术对余热进行回收，以达到节能的目的。