低压过热蒸汽干燥研究进展

陈蒙，辛文才，陈屹林，张绪坤，傅伟良，张城镇

南昌航空大学环保装备技术研究所（南昌 330063）

在过去的几十年中，过热蒸汽干燥作为一种新型干燥技术，不断吸引干燥领域的研究人员并展开一系列探索，被认为是一种最具潜力的干燥技术之一。过热蒸汽干燥技术是利用过热蒸汽作为干燥介质与湿物料进行热交换，以蒸发掉物料中多余水分，达到要求的含水率[1]。由于干燥介质和排出的废气均为蒸汽，在满足环保要求的同时还可以将排出的废蒸汽进行循环利用。所以过热蒸汽干燥技术具有环保节能的优点，而且大量研究表明该技术干燥后的产品品质好。采用常压和高压蒸汽干燥一些热敏性物料或者果蔬类产品时，可能会出现玻璃态转化或者出现热损伤、融化等现象，而低压过热蒸汽干燥能够很好解决这一问题[2-3]。对近年来国内外对过热蒸汽干燥和低压过热蒸汽干燥的研究进展进行综述，阐述过热蒸汽干燥对比与其他干燥方式的优势、影响干燥速率的因素及发展前景，为低压过热蒸汽干燥技术的进一步研究提供理论参考。

1 低压过过热蒸汽干燥的优势

1.1 节能环保

低压过热蒸汽干燥在节能减排方面的优越性主要体现在干燥后的蒸汽还含有大量潜热，可以加以利用。潜热是物质发生相变，在温度不发生变化时吸收或放出的热量，而显热是在同种物质状态因温度的变化引起的热量变化。释放潜热可以产生大量热量。将干燥后排出的低压蒸汽通过加压加以利用再次对未干燥的物料进行干燥，形成循环，可以大幅减小整个干燥过程的能耗，从而达到节能目的，针对蒸汽在压缩这一问题，刘军等[4]设计夹套式MVR热泵蒸发浓缩系统并开展研究，结果表明节能效果均十分显著，给过热蒸汽的循环再利用提供解决方案，同时可见低压过热蒸汽干燥在节能方面有着很好优越性及巨大研发潜力。卢烨等[5]利用低压过热蒸汽对紫菜进行干燥试验，根据试验数据对过热蒸汽干燥的能量消耗量进行计算，并与热风干燥进行对比，该试验的过热蒸汽能量回收率为84.8%，能量消耗远远小于热风干燥，体现过热蒸汽干燥在节能方面的优越性。

由于低压过热蒸汽干燥使用蒸汽作为干燥介质，整个干燥过程只有蒸汽一种气体，而且排出的废蒸汽还可以继续循环利用，所以干燥过程中没有其他污染气体的排出，是环保效果非常好的干燥方式。

1.2 干燥产品品质好

大量研究证明，低压过热蒸汽干燥后的产品品质要优于其他干燥方式。由于其在较低的干燥压力下水的沸点也同样降低，所以不需要很高的干燥温度，避免物料由高温而引起的变色、热损伤、融化、膨胀等不良影响，使产品在干燥后仍能保持较好的色泽，较强的抗氧化性及复水性，较高的生物活性和营养品质。

在国内，李占勇等[6]对低压过热蒸汽干燥青萝卜片过程进行研究，低压过热蒸汽干燥在逆转点温度以上不仅干燥效率要高于真空干燥，而且青萝卜片中维生素C的保留率也高于真空干燥。在国外，Niamnuy等[7]利用不同干燥方法对积雪草的生物活性化合物及生物活性开展研究，使用低压过热蒸汽干燥的干燥速率要高于热风干燥，结果发现50 ℃时，低压过热蒸汽干燥使得样品中酚类化合物、总三萜皂苷、抗氧化活性和抗菌活性最高。Sehrawat等[8]采用低压过热蒸汽、真空和热风干燥3种方法对干燥的芒果块的质量进行评价并对其干燥特性进行研究，研究结果表明在3种干燥方法中低压过热蒸汽干燥后的芒果块抗坏血酸、β-胡萝卜素、总酚含量和抗氧化活性最高，试验发现保持芒果块质量的最佳干燥条件是70 ℃下的低压过热蒸汽干燥。Sehrawat等[9]对洋葱片的低压过热蒸汽干燥过程与真空干燥和热风干燥进行比较，研究发现对于洋葱片来说在70 ℃下进行低压过热蒸汽干燥是最好的干燥条件，干辣椒的味道刺激性、抗氧化活性、颜色和复水性都优于同条件下的真空干燥和热风干燥，低压过热蒸汽干燥可以更好地保留生物活性成分。Hiranvarachat等[10]使用不同方法干燥胡萝卜块，研究发现与热风干燥相比，60 ℃下的低压过热蒸汽干燥后的胡萝卜具有更多的胡萝卜素含量及更高的抗氧化活性。在另一项研究中Devahastin等[11]发现低压过热蒸汽干燥干燥后胡萝卜块的复水特性要优于真空干燥。Methakhup等[12]研究醋栗片低压过热蒸汽干燥过程，干燥温度为65 ℃和75 ℃，干燥压力为10和13 kPa，干燥结果与真空干燥对比表明低压过热蒸汽干燥的醋栗片具有更高的抗坏血酸保留率（5%～10%）和更好的颜色。

国外有学者认为低压过热蒸汽干燥可以减少微生物的繁殖。Phungamngoen等[13]研究表明，虽然低压过热蒸汽干燥是干热过程，但是干燥后食物表面有着较高的水分活性，有助于增强蛋白质变性和膜降解，因此低压过热蒸汽干燥是温和的温度下对热敏物料进行杀菌和抑制微生物繁殖的有效方法[14]。

由此可以证明，低压过热蒸汽干燥是一种具有前景的保持较高产品品质的干燥技术。

2 影响低压过热蒸汽干燥速率的因素

由于低压过热蒸汽是在特殊的低压环境下进行干燥，所以干燥压力较低，可变范围较小，而干燥温度对干燥速率的影响变得尤为重要，而过热蒸汽的过热度，决定着干燥温度的高低[15]。所以国内外学者针对干燥温度对干燥效率的影响进行探究。

在国内，刘建波等[16]研究在低压过热蒸汽干燥中白萝卜片的干燥动力学特性，结果表明，低压过热蒸汽干燥时的温度是对干燥速率和白萝卜品质影响最大的因素，随着干燥温度升高，干燥时间缩短，但是干燥温度的升高会导致物料的总色差值变大，复水性降低。在国外，Kozanoglu等[17]使用低压过热蒸汽流化床对芫荽籽颗粒的干燥特性进行试验分析，结果发现随着操作温度升高，干燥速率增加，平衡含水率降低。但运行压力（40～67 kPa）和表面蒸汽流速（2.3～4.0 m/s）变化对含水率没有显著影响。试验表明，随着过热程度增加，平衡含水率降低，即过热度是影响干燥速率的最重要参数。

综上所述，干燥温度是影响低压过热蒸汽干燥的重要因素，其中过热度对速率的影响尤为重要，低压过热蒸汽干燥的干燥压力较低，蒸汽的饱和温度也较低，所以可以适当提升蒸汽的过热度来达到提高干燥速率的目的。

3 低压过热蒸汽与其他干燥方式的联合干燥

由于低压过热蒸汽干燥也存在着初始阶段凝结现象以及干燥时间长等弊端，在一些干燥要求比较高的生产中采用联合干燥会得到更好的效果。Nimmol等[18]研究一种食品的低压过热蒸汽与远红外辐射干燥相结合的联合干燥方式，主要研究不同参数下对干燥时间及能耗的影响，结果表明，低压过热蒸汽和红外辐射的联合干燥在90 ℃和7 kPa条件下，能耗最低，如果可将低压过热蒸汽中的干燥后的蒸汽加以利用，能耗将远小于真空红外辐射联合干燥。Nimmol等[19]将联合干燥系统应用到干燥香蕉干，结果显示低压过热蒸汽-远红外辐射干燥的联合干燥比和低压过热蒸汽-真空干燥的联合干燥的产品质量更好。Lekcharoenkul等[20]发现白菜在60 ℃低压过热蒸汽干燥下进行10 min，在45 ℃下进行真空干燥直至达到最终含水率，这种联合干燥的方法得到的萝卜硫素含量最高。由此可见，在一些情况下，选择合适的联合干燥方法可以最大化地保留物料中养分。Li等[15]研究发现低压过热蒸汽干燥的时间明显比真空干燥的时间更长，但是使用低压过热蒸汽干燥-热风干燥的联合干燥方式会缩短干燥时间而且能耗也低于单一的低压过热蒸汽干燥。可见使用低压过热蒸汽和其他干燥方式的联合干燥会弥补低压过热蒸汽干燥的时间、能耗等方面的不足。

在国内，干燥方式主要有传统的热风干燥、过热蒸汽干燥、微波干燥、红外辐射干燥等，每种干燥方式都有着自身的优越性与不足之处，低压过热蒸汽干燥与其他干燥方式的联合干燥可以做到优势互补，优势最大化，将会成为干燥应用市场中的一种趋势。

4 低压过热蒸汽干燥的动力学模拟

随着科学技术的不断发展，干燥过程的数学建模与动力学研究对干燥试验的进行和干燥设备的开发有着积极影响。在低压过热蒸汽干燥的试验研究中，大多数研究主要针对干燥速率、干燥过程的能耗干燥特性等方面。而干燥动力学主要研究干燥过程中湿含量与各种支配因素之间的关系，从宏观和微观上间接地反映传热传质的变化规律，对深入了解干燥机理、发展新型干燥设备及提高干燥加工工艺技术非常必要。

含水率的变化是衡量干燥速率的一项重要指标，国内外学者对于低压过热蒸汽干燥过程中能够预测物料含水率变化动力学模型进行研究。Suvarnakuta等[21]建立低压过热蒸汽干燥数学模型，该模型由热传导和质扩散方程及1个经验方程组成，并考虑物料收缩。结果表明，该模型可以预测胡萝卜块内部热量和水分变化特性，以及U-胡萝卜素的变化。Kittiworrawatt等[22]研究一种动力学模型来模拟低压过热蒸汽干燥中热量和质量的传输，预测产品干燥过程中含水率和温度，该模型考虑初始蒸汽凝结对干燥过程的影响，采用更加符合实际的传质边界条件，即蒸汽压力梯度和物料表面的物理条件。考虑物料收缩的影响，并通过试验数据验证模型的可预测性。该研究可用于预测食品和生物材料的低压过热蒸汽干燥过程，在各种条件下都可以预测产品的芯部温度和含水率的变化。Srivastav等[23]对低压过热蒸汽干燥动力学经验模型进行研究，并使用干燥试验中的数据进行拟合，来获得最佳预测含水率，对Page模型、指数模型、对数模型和ANN模型进行比较，研究发现ANN模型得到最大测定系数为0.999 7，说明模型可以很好地预测出低压过热蒸汽干燥的含水率和干燥速率。

除了对干燥过程的含水率变化的研究之外，有学者对干燥过程建立数学模型，探究干燥温度和压力对干燥速率的影响及对干燥速率的预测。为研究蒸汽温度和压力对干燥速率的影响，建立低压过热蒸汽干燥中1 cm3网格的ANN模型，研究发现经过优化的ANN模型各项数据都优于指数模型、对数模型和Page模型[24]。Messai等[25]研究多孔介质的低压过热蒸汽干燥过程，建立一个理论模型来对多孔颗粒在低压过热蒸汽干燥中的干燥过程进行模拟，研究表示，在干燥过程的恒速周期和降速周期，随着压力的降低和流体温度升高，物料流量增大。Elustondo等[26]提出一种计算低压过热蒸汽干燥食品干燥速率的简化表达式，并对不同的物料进行干燥，使用试验所得数据拟合表达式中的试验参数，拟合方程被证明可用于预测干燥速率。

对低压过热蒸汽干燥进行动力学研究是深入干燥理论研究的一个重要手段，通过综述国内外学者在这方面的研究表明，动力学模拟有助于我们掌握整个干燥过程，预测干燥速率、含水率、压力等参数，通过动力学模拟的研究，可对过热蒸汽干燥的工程设计、计算等方面提供帮助，使得过热蒸汽干燥理论更加完整准确，也将促进过热蒸汽干燥在工程实际应用中的可靠性、经济性。

5 低压过热蒸汽的逆转点温度

逆转点是在低压过热蒸汽干燥过程中的一个特殊的温度值，当过热蒸汽的温度比该点的温度高时，低压过热蒸汽干燥的干燥速率高于热风干燥，低于它时则相反。大量研究证明干燥过程中逆转点的存在，如果能够计算出逆转点温度，并使得干燥温度高于逆转点，那将使干燥速率大幅提高，相比于热风干燥的优势更加明显[1]。

在国内，李占勇等[6]对低压过热蒸汽干燥青萝卜片的逆转点温度进行研究，结果表明，青萝卜片在低压过热蒸汽干燥过程中都存在逆转点温度。在干燥压力0.009 5 MPa时，基于整个干燥阶段与第一降速干燥阶段计算的逆转点温度分别为92.7和86.1 ℃，但只有当干燥温度超过逆转点温度时，过热蒸汽干燥才具有干燥效率优势。低压过热蒸汽干燥在逆转点温度以上不仅干燥效率要高于真空干燥，而且青萝卜片中维生素C的保留率也高于真空干燥。研究结果还表明降低干燥压力与物料厚度可获得较低的逆转点温度。

在国外也有一些专家学者对逆转点温度进行探究，Messai等[27]计算恒定速率周期和下降速率周期的逆转点温度。结果表明，这2个干燥阶段的温度不相同。此外，研究外部压力、颗粒直径和颗粒渗透率等因素对逆转点温度的影响。可以看出，逆转点温度随参数的变化不是线性的。Suvarnakuta等[28]研究表明，超过逆转点温度时低压过热蒸汽干燥速率高于真空干燥的干燥速率，整个干燥阶段的温度逆转点和降速干燥阶段的逆转点不同，基于整个干燥阶段进行研究没有发现确定的逆转点。还有学者研究发现低压过热蒸汽干燥的逆转点温度会随着工作压力增大而升高。

综上所述，低压过热蒸汽干燥在不同干燥阶段的逆转点温度不同，所以要想达到更高的干燥速率，要在整个干燥过程的不同阶段设定不同的干燥温度，保证低压过热蒸汽干燥的干燥速率大于热风干燥。而且要在逆转点温度以上寻找一个最佳点，使得在尽可能节约能源的情况下使干燥效率最大化，过热蒸汽流动状态与边界条件的不同会导致逆转点温度的值有所变化，关于这些方面的问题还需进一步探究。

6 结语与研究展望

低压过热蒸汽干燥的节能环保、干燥品质好、传热传质效率高等优越性被许多试验研究所证明，尤其是在特殊的低压无氧环境下，对于热敏性物料和食品的干燥优势尤为突出。应尽可能在节约能耗的前提下提高过热蒸汽的过热度，可以提高干燥效率，同时干燥温度的设定要高于逆转点温度，以保证比热风干燥更快的干燥效率。由于低压过热蒸汽干燥成本较高，所以在节能方面要进行乏汽回收，以利用废蒸汽中的潜热，利用MVR技术将蒸汽再压缩后进行循环，以达到节能效果。由于单一干燥方式的局限性，很多研究发现低压过热蒸汽干燥与其他干燥方式的联合干燥系统往往能产生更好的效果，不同干燥方法可以同时进行，也可以分阶段进行，如在快速升温阶段，用热风干燥或者远红外干燥进行辅助干燥来避免蒸汽的凝结，就能有效提升干燥效率。除此之外，使用数学建模对低压过热蒸汽干燥进行动力学模拟对实际试验有一定指导意义，也能更好地了解低压过热蒸汽干燥过程中的传热传质，从而扩大其应用范围[29]，也是今后的研究方向之一。提高创新性低压过热蒸汽干燥技术，进一步研发更加高效的干燥设备，针对不同类型物料，开发不同的干燥工艺等方面还需要未来更加深入的研究。低压过热蒸汽干燥由于物料特性多样、干燥条件不同、干燥过程中各个阶段特性不同等因素，对干燥动力学理论模型的建立有着很大影响，所以动力学研究工作通用性不强，采用通用性较强的干燥动力学模型，能够有效避免干燥条件的变化所带来影响。后续应针对过热蒸汽干燥通用动力学模型开展深入研究。