Сушка материалов способы осуществления

Аппараты для сушки материалов

Сушка — это процесс удаления влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению. Различают сушку конвективную (в потоке нагретого газа или пара), контактную или кондуктивную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), высокочастотную (диэлектрическим нагревом), радиационную (инфракрасным излучением), сублимационную (под вакуумом). По своей физической сущности сушка является сложным тепло-массообменным процессом. Удаление влаги при сушке сопровождается перемещением тепла и влаги внутри высушиваемого материала и переносу влаги с поверхности материала в окружающую среду, поэтому интенсивность сушки зависит от способа подвода тепла к материалу, скорости перемещения влаги из глубины материала к его поверхности и способа отвода испаряющейся влаги. Большое влияние на скорость процесса оказывает форма связи влаги с материалом и его теплофизические свойства.

Связь влаги с материалом может быть механической, физико-химической и химической. Механически связанная влага заполняет макро- и микрокапилляры в объеме материала и удаляется наиболее легко. Самой прочной является механическая связь влаги с гигроскопичными материалами, для которых характерна развитая структура микрокапилляров. Физико-химическая связь может быть обусловлена адсорбцией воды материалом, а также осмотическими силами, которые удерживают влагу внутри структурного скелета материала. Химически связанная влага — это вода, вошедшая в состав материала в результате реакции гидратации, т.е. вода гидроокисей и соединений типа кристаллогидратов. Эта влага не удаляется при сушке (иногда удаляется прокаливанием).

Виды сушки, применяемые в химической промышленности, классифицируют по способу подвода тепла к высушиваемому материалу. Наиболее распространена конвективная сушка, когда тепло к поверхности материала передается непосредственно от сушильного агента (воздух, инертный газ, дымовые газы, реже — перегретый водяной пар). При кондуктивной сушке тепло материалу передается через контактную поверхность, обогреваемую теплоносителем (водяной пар, ВОТ, расплавы солей и металлов, электронагрев). Гораздо реже конвективной и контактной применяется радиационная сушка (инфракрасными лучами) и сушка в поле токов высокой частоты. Сушка сублимацией со сбросом давления практически не находит применения в химической промышленности.

В процессе конвективной сушки влага перемещается из глубины материала к поверхности за счет градиента влажности, а градиент температуры несколько тормозит процесс, т.к. температура на поверхности материала больше, чем в глубине (потоки влаги и тепла направлены в противоположные стороны). При кондуктивной сушке градиенты влажности и температуры направлены одинаково, поэтому удаление из материала капиллярно связанной влаги идет более интенсивно, чем при конвективной сушке.

Механизм радиационной сушки аналогичен конвективной. Вначале температура поверхности много больше температуры внутренних слоев материала и под действием градиента температуры влага перемещается внутрь материала, возникает значительный градиент влагосодержания. К концу периода облучения материал прогревается, градиент температуры уменьшается, влага движется к поверхности и интенсивно испаряется.

При сушке в поле токов высокой частоты ионы и электроны в материале изменяют направление движения синхронно с изменением знака зарядов электродов, между которыми помещается материал (обычно штучный), дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные поляризуются. Эти процессы сопровождаются трением и выделением тепла, которое нагревает материал, способствуя продвижению влаги к периферийным слоям и ее испарению с поверхности материала. Как и при контактной сушке, в этом случае внутри материала температура выше, чем на поверхности, т.е. градиенты влажности и температуры направлены в одну сторону. Этот способ сушки связан с относительно высокими затратами энергии, поэтому он применяется лишь для материалов, особенно чувствительных к перегреву и растрескиванию.

Сублимационная сушка влажного материала включает испарение льда, в который превращается механически связанная влага при давлении парогазовой смеси над материалом меньше 4.58 мм рт. ст., а затем, уже при температуре выше 0 о С, — испарение переохлажденной адсорбционно связанной жидкости внутри материала.

Температурный режим сушки, скорости относительного перемещения материала и сушильного агента необходимо подбирать так, чтобы процессы диффузии влаги к поверхности материала и ее удаления с поверхности находились в строгом соответствии, иначе возможно коробление поверхности материала и ухудшение его качества.

3.2.1 Основы кинетики сушки

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса:

а) сушка (десорбция влаги из материала) — если парциальное давление пара над поверхностью материала Р_п м превышает его парциальное давление в окружающей среде Р_п с ( Р_п м > Р_п с );

б) увлажнение (сорбция влаги материалом) — если Р_п м Р_п с .

В процессе сушки величина Р_п м уменьшается и приближается к пределу Р_п м = Р_п с . При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельное влагосодержание материала U_р, называемое равновесным.

Равновесное влагосодержание зависит от свойств материала и параметров окружающей среды, а также от характера связи влаги с материалом. Влажному материалу присущи все формы связи с влагой, и очень трудно разграничить периоды сушки, соответствующие различным видам этой связи. Поэтому на основе данных экспериментов строят изотермы сорбции материалов, которые дают возможность установить связь между влагосодержанием материала и относительной влажностью воздуха, а также определить равновесное влагосодержание при сушке.

Скорость сушки характеризуется изменением влагосодержания высушиваемого материала в единицу времени: , где U — влагосодержание материала (кг влаги/кг сухого), t — продолжительность сушки. Средняя скорость сушки за весь ее период , где m_в — масса испаренной влаги, m_c — масса абсолютно сухого материала.

Различают два периода сушки:

1. Период постоянной скорости, когда влага испаряется со всей поверхности материала так же, как с зеркала испарения некоторого объема жидкости. В этом периоде скорость сушки определяется только интенсивностью массоотдачи (влагоотдачи) с поверхности материала в окружающую среду.

2. Период падающей скорости, когда она определяется интенсивностью перемещения влаги изнутри материала к его поверхности. С началом этого периода поверхность испарения влаги постепенно уменьшается (на поверхности подсохшего материала возникают сухие участки), что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии. В конце второго периода испарение влаги с поверхности материала может прекратиться совсем и переместиться в его внутренние слои. В таких случаях второй период разделяют на две стадии: равномерно и неравномерно падающей скорости сушки.

В первом периоде сушки и на первой стадии второго из материала удаляется механически связанная влага, на второй стадии второго периода — адсорбционно и осмотически связанная. Двум основным периодам предшествует относительно короткий период прогрева материала до температуры сушки (АВ на рис. 3.1, 3.2).

Кинетика сушки обычно изучается экспериментально — путем взвешивания образца высушиваемого материала через определенные промежутки времени и расчета его

влагосодержания. По результатам эксперимента строят т.н. кривую сушки (рис. 3.1), которая позволяет выделить периоды процесса и определить их продолжительности.

Первый период (ВК₁)- это изменение влагосодержания материала от начального U_нач до критического U_кр. Температура материала q в течение всего первого периода соответствует температуре мокрого термометра t_м сушильного агента. Во втором периоде (К₁С)

температура материала повышается до конечной температуры сушильного агента t₂, а влагосодержание падает до равновесного U_р и далее не меняется (CD). Если второй период состоит из двух стадий, то выделяется участок равномерно падающей скорости сушки (К₁К₂) и отмечается второе критическое влагосодержание U’_кр. Путем графического дифференцирования кривой сушки, т.е. проведения касательной к ней и определения тангенса угла ее наклона к оси t (угол a на рис 3.1), можно вычислить мгновенную

скорость сушки и на основе результатов дифференцирования построить кривую скоро сти сушки (рис. 3.2). С помощью этой зависимости устанавливается целесообразное конечное влагосодержание высушиваемого материала.

Скорость сушки в первом периоде можно определить из уравнения массоотдачи , где b — коэффициент массоотдачи от влажной поверхности к потоку сушильного агента (кг/м 2 /с), F — поверхность испарения высушиваемого материала,

— (3.1)

средняя движущая сила процесса сушки в пределах первого периода, х₁, х₂, х_нас — влагосодержания сушильного агента на входе в аппарат, на выходе из него и в непосредственной близости от влажной поверхности (при температуре t_м). Следовательно

, (3.2)

где f — удельная поверхность абсолютно сухого материала (м 2 /кг).

Коэффициент массоотдачи b можно определить из критериального уравнения

. (3.3)

В этом уравнении Nu’ = b × l / D — массообменный критерий Нуссельта, Re = w × l / n — критерий Рейнольдса, Pr’ = n / D — диффузионный критерий Прандтля, Gu = ( T₁ — T_м)/ T₁ — критерий Гухмана. Значения коэффициентов B и n зависят от значения критерия Рейнольдса, например при Re > 6000 B = 0.35, n = 0.65. В выражения для вычисления критериев входят следующие величины: l — определяющий размер (длина поверхности испарения в направлении движения сушильного агента), D — коэффициент диффузии паров воды в среде сушильного агента (м 2 /с), w — скорость движения сушильного агента, n — его кинематическая вязкость, Т₁, Т_м — абсолютные температуры сушильного агента на входе в сушилку и мокрого термометра.

По известному значению N может быть приблизительно найдена продолжительность сушки t = t ₁ + t ₂ , где длительность первого периода

, (3.4)

а длительность второго

. (3.5)

Формула (3.5) получена в результате решения дифференциального уравнения, характеризующего процесс изменения влагосодержания внутри частицы материала при следующих допущениях:

— частицы материала имеют форму шара;

— поры в частице и влага в них распределены равномерно;

— все сопротивление массопереносу сосредоточено внутри частицы, т.е. подводимая к ее поверхности влага отводится моментально.

Заметим, что значения критического U_кр и равновесного U_р влагосодержания материала определяются экспериментально, с помощью кривой сушки и изотерм сорбции, а его конечное влагосодержание U_к определяется требованиями стандартов или технических условий на продукт. Обычно U_кр U_к U_р, причем соответствующая U_к скорость сушки не должна быть слишком низкой (проверяется по кривой скорости сушки).

Источник

Классификация способов сушки.

Введение

Сушка – это процесс удаления из материалов влаги путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Аппараты, в которых осуществляют сушку, называют сушилками. По способу сообщения тепла различают конвективные, контактные, терморадиационные, сублимационные и высокочастотные сушилки.

Процессы сушки широко применяются в промышленности и сельском хозяйстве. Объектами сушки могут быть разнообразные материалы на различных стадиях их переработки (сырьё, полуфабрикаты, готовые изделия).

Сушкой называется процесс удаления из материала любой жидкости, в результате чего в нём увеличивается относительное содержание сухой части. На практике при сушке влажных материалов, в том числе пищевых продуктов, удаляют главным образом воду, поэтому под сушкой понимают процесс обезвоживания материалов. Таким образом, хотя понятие сушка является более общим, однако практически термин “сушка” и “обезвоживание” являются идентичными.

Материалы сушатся с различной целью: для уменьшения массы (это удешевляет их транспортировку), увеличения прочности (керамические изделия, древесина), повышения теплоты сгорания (топливо), повышения стойкости при хранении и для консервирования (зерно, пищевые продукты, биопрепараты).

Большинство пищевых продуктов являются влажными телами, содержащими значительное количество воды. Вода входит в состав растительных и животных тканей и являются необходимой составной частью пищи человека. Однако избыток воды снижает питательную ценность пищевых продуктов, значительно удорожает их транспортировку и может вызвать порчу продуктов вследствие жизнедеятельности различных микроорганизмов в водной среде. Поэтому большинство пищевых продуктов подвергают сушке, в процессе которой их влажность значительно снижается.

Сушка – это сложный технологический (физико-химический) процесс, который должен обеспечить не только сохранение качественных показателей материала, но в ряде случаев и улучшение этих показателей.

Процесс тепловой сушки пищевых продуктов заключается в переводе влаги, находящейся в них, в парообразное состояние и удаление образующегося пара во внешнюю, окружающую продукты, среду.

Существуют различные методы сушки материалов. Можно выделить 2 основных принципа:

1) удаление влаги из материала без изменения её агрегатного состояния – в виде жидкости,

2) удаление влаги из материала с изменением её агрегатного состояния, т.е. при фазовом преобразовании жидкости в пар.

Повышение производительности сушильных установок может быть достигнуто как экстенсивным методом, т.е. путём увеличения габаритов сушильной камеры, сокращением простоев и т.п., так и более эффективными интенсивными методами, путём повышения скорости сушки и соответствующего сокращения продолжительности процесса. Повышение концентрации сухого вещества, в очень сложных системах путём выпаривания при многократном использовании тепла в многокорпусной выпарной установке является так же более экономичным, чем процесс сушки испарением.

Классификация способов сушки.

· По способу воздействия сушильного агента

Естественная сушка — сушка на открытом воздухе при естественном освещении, без влияния человека на факторы интенсифицирующие процесс (температуры продукта и сушильного агента (воздуха), давление, скорость движения сушильного агента, влажность и т. д.). Используется для сушки плодов, ягод, грибов в регионах с подходящими климатическими условиями.

Искусственная сушка — производиться в специальных аппаратах (сушильных установках), с принудительным изменением факторов, влияющих на интенсивность процесса (температура, давление влажность, геометрические размеры объекта сушки и т. д.).

· По давлению в рабочей камере

Атмосферная — сушильным агентом является, как правило, атмосферный воздух с отклонением давления в сушильной камере не выше 49 МПа.

Вакуумная — сушка производится в вакууме.

Под избыточным давлением.

· По способу подвода тепла к влажному материалу сушилки классифицируются на:

Конвективные — тепловая энергия передается конвекцией;

Кондуктивные (контактные) — тепловая энергия передается с помощью теплопроводности;

Терморадиационные — тепловая энергия передается с помощью термоизлучения;

Высокочастотные — тепловая энергия преобразуется из электрической внутри высушиваемого материала;

Комбинированные — передача тепла осуществляется с помощью комбинаций вышеупомянутых способов.

· В зависимости от направления движения высушиваемого материала и сушильного агента

Прямоточные — направление движения высушиваемого материала и сушильного агента совпадает;

Противоточные — направление движения высушиваемого материала и сушильного агента противоположное;

Перекрёстные — направление движения высушиваемого материала и перпендикулярно направлению сушильного агента

Виды сушки

Инфракрасная сушка. Наиболее актуальной и перспективной в данный

момент является сушка продуктов питания с применением инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение твердых тел обусловлено возбуждением молекул и атомов тела вследствие их теплового движения. При поглощении инфракрасного излучения облучаемым телом в нем увеличивается тепловое движение атомов и молекул, что вызывает его нагревание. Перенос энергии происходит от тела с большим потенциалом переноса тепла к телу с меньшим потенциалом. Для пищевых продуктов глубина проникновения инфракрасных лучей достигает 6 — 12 мм. На эту глубину проникает небольшая часть энергии излучения, но температура слоя, лежащего на расстоянии 6-7 мм от поверхности материала, растет значительно интенсивнее, чем при нагреве конвективным способом. Коротковолновые инфракрасные лучи оказывают более сильное воздействие на пищевые продукты как за счет большой глубины проникновения, так и более эффективного воздействия на молекулярную структуру продуктов.

Инфракрасная сушка продуктов питания, как технологический процесс, основана на том, что инфракрасное излучение определенной длинны волны активно поглощается водой, содержащейся в продукте, но не поглощается тканью высушиваемого продукта, поэтому удаление влаги возможно при невысокой температуре (40-60 градусов Цельсия), что дает практически полностью сохранить витамины, биологически активные вещества, естественный цвет, вкус и аромат подвергающихся сушке продуктов. Оборудование для сушки овощей и фруктов, мяса и рыбы, зерна, круп и других пищевых и непищевых материалов основанное на использовании инфракрасного излучения является наиболее перспективным в настоящее время.

Сушка продуктов по данной технологии позволяет сохранить содержание витаминов и других биологически активных веществ в сухом продукте на уровне 80-90% от исходного сырья.

Сублимационная сушка продуктов (сублимационная вакуумная сушка, также известная как лиофилизация или возгонка) — это удаление влаги из свежезамороженных продуктов в условиях вакуума.

В настоящее время этот метод сушки продуктов является наиболее совершенным, но в то же время и наиболее дорогостоящим. Этот способ был открыт в начале прошлого века, однако использовался только для производства довольно ограниченного количества и ассортимента сухопродуктов для нужд армии и космонавтики.

Акустический метод сушки продуктов основан на воздействии на обезвоживаемый продукт интенсивных ультразвуковых волн. Данный процесс сушки носит циклический характер, волна выбивает влагу, находящуюся на поверхности продукта, затем оставшаяся влага равномерно распределяется по капиллярам и процесс повторяется снова. Это происходит до тех пор, пока продукт не достигнет заданной влажности.

Акустический способ позволяет сушить широкий набор материалов: продукты сельского хозяйства (зерно, овощи, фрукты и другие), древесина, хлопок, лекарственные препараты и травы, бумага, продукция химической и других отраслей промышленности.

Кондуктивный способ сушки пищевых продуктов основывается на передаче тепла высушиваемому продукту путем непосредственного контакта с нагреваемой поверхностью сушильного оборудования.

Источник