Лекция 18. Сушка
18.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В производстве многих пищевых продуктов сушка, как правило, является обязательной операцией и представляет собой достаточно энергоемкую технологическую стадию процесса. От аппаратурно-технологического оформления и режима сушки зависит в большой степени качество продукта.
Сушке может предшествовать удаление влаги из материалов другими методами, например отжимом на прессах, центрифугированием. Однако механическим способом может быть удалена только часть свободной влаги.
Сушкой называют процесс удаления влаги из твердых влажных, пастообразных или жидких материалов (суспензий) путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Это сложный тепломассообменный процесс. Скорость его во многих случаях определяется скоростью внутридиффузионного переноса влаги в твердом теле.
Сушке подвергают пищевые материалы, находящиеся в различном агрегатном состоянии, а именно: гранулированные, формованные и зернистые материалы; пастообразные материалы; растворы и суспензии.
Выбор метода сушки и типа сушилки осуществляется на основе комплексного анализа свойств пищевых материалов как объектов сушки.
Наиболее важными отличительными свойствами пищевых материалов, которые следует учитывать при выборе метода сушки, являются низкая термостойкость, склонность к окислению и деструкции; склонность к короблению и потере товарного вида; неоднородность материала по начальному содержанию воды; наличие активных биохимических и химически активных веществ и ряд других особенностей.
Основными путями интенсификации процессов сушки и повышения экономичности работы сушилок являются:
проведение процессов в условиях эффективной гидродинамической обстановки, что позволяет значительно увеличить коэффициенты тепломассоотдачи;
применение комбинированных способов подвода теплоты, что позволяет наиболее рационально нагревать материал до температуры сушки;
создание комбинированных сушильных агрегатов (например, первая ступень — сушка в разбавленном псевдоожиженном слое, вторая — сушка в псевдоожижающем слое, распылительная сушка в сочетании с сушкой в псевдоожиженном слое и др.);
создание сушильных агрегатов с замкнутым циклом теплоносителя.
По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают следующие методы сушки:
конвективная, или воздушная, сушка — подвод теплоты осуществляется при непосредственном контакте сушильного агента с высушиваемым материалом;
контактная сушка — путем передачи теплоты от теплоносителя (например, насыщенного водяного пара) к материалу через разделяющую их стенку;
радиационная сушка — путем передачи теплоты инфракрасными излучателями;
диэктрическая сушка (СВЧ-сушка) — путем нагревания материала в поле токов высокой частоты;
сублимационная сушка — сушка в глубоком вакууме в замороженном состоянии.
Требования, предъявляемые к выбору рационального метода сушки и типа сушилки, заключаются в достижений наивыгоднейших технико-экономических показателей работы сушилки при получении продукта заданными свойствами, обеспечении надежности работы, снижении или исключении газовых выбросов в атмосферу.
Метод сушки и тип сушилки для конкретного материала выбирают на основании анализа материала как объекта сушки. Для этого исследуют структуру высушиваемого материала, тепловые и сорбционно-десорбционные характеристики, на основании которых определяют формы связи влаги с материалом, а также адгезионно-когезионные свойства материала.
18.2. СТАТИКА СУШКИ
Каждый твердый влажный материал способен поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Окружающая влажный материал среда может содержать либо только водяной пар, либо смесь водяного пара с газами. Обозначим парциальное давление водяного пара в смеси с воздухом через рп. Влаге, содержащейся во влажном материале, соответствует определенное давление водяного пара pм, называемое давлением водяного пара во влажном материале.
При контакте материала с влажным воздухом возможны три состояния системы:
1) давление водяного пара во влажном высушиваемом материале pм больше, чем его парциальное давление в окружающем материал воздухе или газе, т. е pм > рп .В этом случае происходит процесс десорбции влаги из материалов в окружающую среду, т. е. процесс сушки. Давление водяного пара в высушиваемом материале рм зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом;
2) парциальное давление пара в окружающей среде больше, чем его давление во влажном материале, т. е. рп>рм. В этом случае происходит сорбция влаги материалом, т. е. процесс увлажнения материала;
3) давления водяного пара во влажном материале и в окружающей среде равны, т. е. рм=рп. В этом случае наступает динамическое равновесие. Влажность материала, при которой наступает динамическое равновесие, называется равновесной влажностью 
. Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара рп или пропорциональной ему относительной влажности воздуха φ. Зависимость равновесной влажности от φ при t=const называется изотермой сорбции и устанавливается экспериментальным путем.
Состояние динамического равновесия является предельным в процессах сушки и увлажнения. При сушке давление пара у поверхности материала, уменьшаясь, стремится к равновесному. При увлажнении; наоборот, давление паров у поверхности, увеличиваясь, стремится к равновесию.
Различают свободную и связанную влагу в материале.
Под свободной влагой понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности (рм=рн). Скорость испарения связанной влаги из материала всегда меньше скорости испарения воды со свободной поверхности. При этом рм 
), а также при образовании геля.
Наиболее легко удаляется поверхностная влага и наиболее трудно — химически связанная влага.
Химически связанная влага представляет собой воду гидроксида, вошедшую в результате реакции гидратации в состав гидроксидов и соединений типа кристаллогидратов. Эту влагу можно удалить в результате прокаливания.
Формы физико-химической связи разнообразны.
Адсорбционно-связанная влага удерживается у поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой. Обладая значительной поверхностью, коллоидные структуры имеют большую адсорбционную способность. Адсорбционная влага удерживается молекулярным силовым полем. Адсорбция влаги сопровождается выделением теплоты, которая называется теплотой гидратации.
Осмотически связанная влага, или влага набухания, находится внутри скелета материала и удерживается осмотическими силами.
Капиллярно-связанная влага находится внутри макро — и микрокапилляров. Эта влага механически связана с материалом и относительно легко удаляется. Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом. Наиболее прочна эта связь у гигроскопичных веществ.
Для характеристики различных видов связи влаги с материалом используются изотермы сорбции — десорбции.
На рис. 18.1 приведены изотермы сорбции и десорбции крахмала. Кривая десорбции (изотерма десорбции) получена при удалении влаги из влажного крахмала, т. е. при его сушке. Кривая сорбции получена при увлажнении крахмала и называется изотермой сорбции. Фигура, образованная кривыми сорбции и десорбции, называется петлей гистерезиса. Явление гистерезиса указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности величина φ при сорбции влаги материалом должна быть выше, чем при сушке. Это можно объяснить наличием воздуха в капиллярах высушиваемого материала.
Рис. 18.1. Изотермы сорбции – десорбции влаги крахмалом
Сорбционно-десорбционные характеристики пищевых материалов позволяют выбрать наиболее благоприятные условия их хранения, а именно: относительную влажность воздуха и его температуру.
Значение сорбционно-десорбционных и массопроводных свойств упаковочных материалов позволяет для каждого пищевого продукта подобрать соответствующий упаковочный материал, обеспечивающий необходимый срок хранения продукта.
Анализ изотермы сорбции позволяет установить формы связи влаги с материалом. На рис. 18.2 представлена изотерма сорбции влаги хлебным сухарем. Пусть начальная влажность wн, конечная wк =wр (равновесной). Область изменения влажности сухаря от wH до wK называется областью сушки. В этой области из материала удаляется так называемая удаляемая влага. Область от гигроскопической влажности wг до wK называется областью десорбции. Выше кривой равновесной влажности находится область сорбции, т. е. увлажнения материала. Гигроскопическая влажность разграничивает влажное состояние материала (материал содержит свободную влагу) и гигроскопическое состояние материала (материал содержит только связанную влагу).
Рис. 18.2. Изотерма сорбции влаги хлебным сухарём
Проанализируем изотерму с учетом процесса удаления влаги из материала в интервале изменения φ от 0 до 1. На участке изотермы ОА кривая имеет выпуклость к оси абсцисс. Это характерно для мономолекулярной адсорбции. Для удаления влаги мономолекулярной адсорбции должно быть затрачено значительное количество теплоты, чтобы разорвать связь влаги с материалом. В интервале φ от 0,1 до 0,9 изотерма на участке АВ обращена выпуклостью к оси ординат, что характерно для полимолекулярной адсорбции. Для удаления этой влаги затрачивается меньшее количество теплоты, чем для удаления влаги мономолекулярной адсорбции.
Участок изотермы ВС (φ от 0,9 до 1,0) соответствует в основном влаге, содержащейся в микрокапиллярах (r 0, то в соответствии с уравнением (18.38) i2>i1. В этом случае сушилка работает неэкономично, так как не вся теплота полезно расходуется. Если же ∆ , приводимый во вращение от электропривода 7. Над шнеком расположены магнитроны 4. Материал загружается в бункер и транспортируется шнеком к разгрузочному люку. При движении в сушилке материал подвергается микроволновому воздействию — нагревается и высушивается. Кроме того, материал обдувается воздухом, подаваемым вентилятором 3. Сухой продукт удаляется из сушилки через разгрузочный люк.
1. Какой процесс называется сушкой? 2. Почему сушка является сложным тепломассообменным процессом? 3. Какие виды сушки применяют в пищевых производствах? 4. Что является движущей силой сушки? Когда происходит сушка и когда — увлажнение материала? 5. По каким данным и как определяется характер связи влаги с материалом? 6. Что такое энергия связи с материалом? Чему равняется расход теплоты на удаление свободной влаги? 7. Чему равняется общий расход теплоты на сушку? Как определить расход теплоты на удаление связанной влаги? 8. Почему процесс сушки разделяется на первый и второй периоды? 9. Какие факторы определяют скорость сушки в первом периоде? 10. Какие факторы определяют скорость сушки во втором периоде? 11. Почему для описания процесса сушки во втором периоде используют приближенный закон? 12. На что расходуется теплота при конвективной сушке? 13. Чем отличается идеальная сушка от реальной? 14. Как построить реальный процесс сушки в i – х-диаграмме? 15. Какие известны конструкции конвективных сушилок? 16. Какие известны конструкции контактных сушилок? 17. Какие материалы целесообразно сушить в конвективных сушилках, а какие — в контактных? 18. Какие продукты сушат в распылительных сушилках? Почему в ряде случаев сушильные установки делают двухступенчатыми? 19. Каким путем теплота теплоносителя к материалу передастся в конвективных и контактных сушилках? 20. Какие специальные виды сушки известны? 21. В каких случаях применяют сублимационную сушку? На чем она основана?
Источник
Экология СПРАВОЧНИК
Информация
Методы сушки и пути интенсификации этого процесса
Непрерывно продолжающиеся поиски новых методов сушки бумаги связаны с тем, что существующий метод сушки бумажного полотна на бумагосушильных цилиндрах является относительно дорогостоящим, а сушильная часть современной бумагоделательной машины занимает много места, является металлоемкой, потребляет много электроэнергии на привод и требует сравнительно больших капитальных затрат. Несмотря на указанные недостатки существующего метода сушки бумаги, следует сразу же отметить, что ни один из других известных методов сушки различных материалов не может полностью вытеснить существующий метод сушки бумаги, так как не придает бумаге важного потребительского свойства — гладкости поверх-, ности. Кроме того, современные способы интенсификации суще-! ствующего контактно-конвективного метода сушки бумаги обеспечивают возможность существенного повышения эффективности этого метода с достижением высоких удельных съемов воды и бумажной продукции. Поэтому на современном уровне науки и техники пока еще приходится в какой-то степени мириться с известными недостатками существующего метода сушки бумаги. В нижеприведенном кратком описании других возможных методов сушки бумаги указаны как возможные области их самостоятельного практического использования, так и области использования в сочетании с существующим методом сушки.[ . ]
Для сокращения размеров сушильной части бумагоделательной машины используют метод сушки под вакуумом. С этой целью бумагосушильные цилиндры могут быть помещены в камеру, в которой создается вакуум. Непрерывный вход в камеру бумажного полотна и выход из нее осуществляются через уплотнения. Благодаря вакууму в камере температура испарения влаги резко снижается с одновременным сокращением продолжительности сушки примерно в 2 раза. Соответственно примерно в 2 раза уменьшается число потребных бумагосушильных цилиндров. Вместе с тем из-за резкого сокращения продолжительности процесса сушки бумага обнаруживает небольшую усадку, пониженные показатели механической прочности и повышенные показатели пористости, пухлости и впитывающей способности. Из-за низкой температуры сушки получить необходимую степень проклейки бумаги при этом не представляется возможным. Таким образом, подобным методом сушки можно получить только пористые виды бумаги, которые, однако, можно изготовлять с использованием менее сложного оборудования. Поэтому в промышленности способ сушки бумаги под вакуумом не получил практического применения.[ . ]
Представляет определенный интерес сушка в поле высокой частоты. Сущность процесса заключается в том, что в переменном электрическом поле высокой частоты молекулы воды движутся с повышенной скоростью. При этом происходит выделение тепла и в большей степени в тех местах бумажного полотна, в которых оно влажнее, что приводит к автоматическому выравниванию влажности по ширине и толщине высушиваемого материала. При использовании указанного способа сушки в конце обычной сушильной части бумагоделательной машины можно, не пересушивая бумагу или картон, добиться их равномерной влажности при общем несколько повышенном содержании влаги, что будет способствовать экономии расхода пара на сушку. Высокочастотный способ сушки может быть использован и для сушки поверхностных покрытий бумаги или картона. Однако широкому промышленному применению способа высокочастотной сушки препятствует пока еще высокая стоимость этого способа и большая потребная мощность генератора, создающего высокочастотное поле. Так, для испарения только 1 т воды в час требуется генератор мощностью в 1000 кВт. [ . ]
Серьезным преимуществом высокочастотного способа сушки является то, что сушка в поле высокой частоты не вызывает деформации высушиваемого материала. Это послужило основанием для использования в СССР высокочастотной сушки для бездеформационного разъединения на отдельные листы, склеенных в один блок (как говорят «сцементированных») страниц книги или листов документов. Одновременно при этом происходит их дезинфекция.[ . ]
Тепломеханический способ сушки бумаги продуванием ее насквозь горячим воздухом, известный под названием перко-ляционной, или сквозной, сушки уже получил практическое применение при выработке впитывающих видов бумаги (фильтровальной, салфеточной и др.), а также пористых нетканых и текстильных материалов. Ожидается, что область возможного использования этого способа сушки будет расширена и его можно будет применять при выработке газетной, мешоч-ной и некоторых других видов бумаги.[ . ]
Основным достоинством сквозной сушки бумаги является возможность значительной интенсификации сушильного процесса и достижение высоких съемов воды — до 100— 150 кг/(м2-ч) в зависимости от температуры используемого воздуха. Сущность перколяцнонной сушки заключается в следующем: бумажное полотно прижимается сушильной сеткой к перфорированной поверхности сушильного цилиндра, через отверстия которого горячий воздух проходит насквозь через бумажное полотно и сушильную сетку.[ . ]
Недостатки этого способа сушки связаны с повышенными эксплуатационными расходами по сравнению с таковыми при обычном способе сушки бумаги, несколько повышенным износом сушильных сеток из-за высокой температуры воздуха и имеющей место в ряде случаев неудаляемой маркировки на поверхности бумаг от сетки. Вместе с тем при выработке впитывающих санитарно-гигиенических видов бумаги считают целесообразным, несмотря даже на повышенный расход тепла, сушить бумагу описанным способом даже при начальной сухости 22—27 % (вместо 42—45 %) и конечной сухости 80% перед крепированием для того, чтобы благодаря повышенной пухлости полотна при той же его толщине снизить массу 1 м2 изготовляемой бумаги. Это позволяет компенсировать повышенный расход тепла на сушку бумаги. Сквозная сушка бумаги дает возможность повысить ее пухлость, растяжимость, воздухопроницаемость и впитывающую способность при некотором снижении разрывной длины.[ . ]
При нанесении на поверхность бумаги различных покрытий (меловании, лакировании, нанесении светочувствительного слоя и пр.) часто для их сушки в потоке горячего воздуха или газа пользуются способом сушки на воздушной подушке, которая поддерживает бумажное полотно на некотором участке его движения. Этим предотвращается соприкосновение влажного покровного слоя с поверхностью сушильных цилиндров и бумаговедущих валиков. Сушка на воздушной подушке применяется и при изготовлении мешочной бумаги.[ . ]
В этом случае бумажное полотно на участке своей относительной сухости от 53 до 85 %, поддерживаемое воздушной подушкой, конвективно высушивается в сушильной камере с последующей досушкой обычным способом на бумагосушильных цилиндрах. Подобный способ сушки не ограничивает величину усадки бумаги, благодаря чему высушенное полотно приобретает важные для мешочной бумаги свойства: повышенную величину показателей растяжимости и сопротивления раздиранию.[ . ]
Среди эффективных средств интенсификации процесса сушки бумаги следует прежде всего отметить повышение температуры поверхности бумагосушильных цилиндров, что связано с увеличением давления применяемого пара. Однако это средство может быть использовано только в ограниченных случаях, когда высокая температура сушильной поверхности не оказывает отрицательного действия на свойства высушиваемой бумаги (например, при сушке оберточноупаковочных видов бумаги или тарного картона). В связи с отрицательным влиянием высокой температуры сушки на срок службы обычных сушильных сукон рекомендуется в подобных случаях использовать термостойкие сукна или сушильные сетки. Пар высокого давления можно применять для сушки бумаги также на самосъемочных бумагоделательных машинах, работающих без сушильных сукон.[ . ]
Источник
