几种浆态物料冻干过程传热传质特性的研究

摘要

真空冷冻干燥(Vacuum Freeze-drying)，简称冻干(FD)，是一种非常重要的干燥技术，理想冷冻干燥后的物质，其物理、化学和生物性状基本不变，它是一种优质的干燥方法。在食品、药品以及化工行业中，有较多的浆态原料需要干燥。与其它干燥方法相比，冷冻干燥方法具有很多突出优点，但不足之处是干燥速率低、干燥时间长和干燥过程能耗大。因此，缩短干燥时间和降低干燥过程能耗是冷冻干燥领域的重要研究方向。 本文在综述国内外浆态物料冻干发展的基础上，运用实验与理论相结合的方法，对几种浆态物料的冻干过程作了较为全面的研究。在浆态物料冻干过程的实验研究中，测量了实验物料的基本物性数据，包括含水量、共晶点温度、共熔点温度等，在对浆态物料的抽空冻结特性研究基础上，选用山楂浆液，通过正交实验，定性的分析了物料厚度、冻结方式、搁板温度、干燥时压力对干燥速率的影响；通过二次正交回归实验，定量的分析了冰箱冻结方式下，物料厚度、搁板温度以及干燥室压力与干燥时间的关系，得出了回归模型，并分析了各因素间的交互作用；通过与鸡蛋液冻干过程的对比，分析了不同浆态物料间的冻干特性。 在浆态物料冻结过程的理论研究中，分析论述了搁板冻结、冷库冻结以及抽空冻结的机理，通过比较确定了各自的应用范围。建立了搁板冻结方式下的数学模型，应用ANSYS有限元分析软件模拟了第一类边界条件下，山楂浆液的冻结过程，分析比较了降温方式、物料厚度、最终冻结温度对冻结速率的影响，得出浆态物料冻结过程的传热特性。在干燥过程的理论研究中，建立了冻干过程的二维模型，应用有限元分析软件模拟了干燥过程的温度分布，归纳总结出描述浆态物料冻干过程的方法和理论依据，为其它浆态物料的冻干和工业大规模生产提供方便。 本文首次提出了以干燥制品生产率和冻干过程中单位质量物料耗电量二参数表征冷冻干燥过程经济性指标，以减少干燥时间和提高干燥制品生产率为优化目标，对冷冻干燥的操作条件进行了优化。最后分析比较了几种贮存条件下的贮存效果，给出了较为理想的贮存条件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2冷冻干燥过程应用基础

1.2.1冷冻干燥过程的基本原理

1.2.2冷冻干燥的应用领域

1.3浆态物料冷冻干燥过程的研究现状与发展趋势

1.3.1浆态物料冷冻干燥过程的国内外研究现状

1.3.2浆态物料冷冻干燥过程的发展趋势

1.3.3冷冻干燥物料的传递性质参数研究

1.3.4提高干燥速率和控制冷冻干燥过程的方法

1.4本文研究的主要内容和意义

第二章浆料冻干过程的实验研究

2.1实验系统

2.2实验准备

2.2.1物料的共晶点、共熔点温度的测定

2.2.2物料含水率的测定

2.2.3物料准备与实验方法

2.3浆态物料抽空冻结的实验研究

2.3.1浆态物料抽空冻结的实验方法

2.3.2抽空冻结的单因素实验

2.4山楂浆液冻干的实验研究

2.4.1正交实验设计

2.4.2正交实验结果与分析

2.4.3回归正交实验设计

2.4.4二次回归正交实验结果与分析

2.5不同浆态物料冻干过程的比较

2.6本章小结

第三章冻结过程传热特性研究

3.1引言

3.2冻结过程机理描述

3.2.1搁板冻结

3.2.2冷库冻结

3.2.3抽空冻结

3.3冻结过程的传热研究

3.3.1搁板冻结的物理模型

3.3.2搁板冻结的数学模型

3.3.3模型求解

3.3.4山楂浆液冻结过程的理论模拟结果及分析

3.4本章小结

第四章冻干过程传热传质特性的研究

4.1冷冻干燥过程的物理模型

4.2冷冻干燥过程的数学模型

4.2.1升华干燥过程

4.2.2解吸干燥过程

4.3数学模型的数值解法

4.3.1移动边界问题的数值解法回顾

4.3.2冻干模型的计算分析

4.3.3浆态物料冻干过程的传热传质特性分析

4.4本章小结

符号说明

第五章冻干过程的经济性分析与优化

5.1冷冻干燥过程经济性评价指标

5.2冷冻干燥的操作条件对过程经济性的影响

5.3冷冻干燥过程的优化

5.3.1预冻结方式的优化

5.3.2搁板温度的优化

5.3.3干燥室压力的优化

5.4本章小结

第六章冻干产品的储藏

6.1影响制品稳定性的因素

6.1.1残余水分含量

6.1.2储存温度

6.1.3包装材料

6.1.4玻璃化转变温度

6.2几种贮存条件比较

6.3本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文