Сушка

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ СУШКА Сушкой или высушиванием называют процесс термического удаления части содержащейся в исходном, влажном материале жидкости. Чаще всего такой жидкостью является вода. Однако в некоторых случаях из материалов удаляют иные жидкости, например органические растворители. Сушка является обязательной операцией в производстве многих пищевых продуктов (сахар, сухари, зефир, пастила, сухофрукты и др.). Высушивание производится с целью улучшения каких-либо физико-химических свойств материалов, уменьшения расходов на транспорт значительных количеств материала или когда наличие в материале влаги нежелательно для его последующей химической или физико-химической переработки или использования. В сушильной технике влажные материалы подразделяют на капиллярно-пористые (не деформируемые в процессе сушки), коллоидные (как правило, деформируемые) и коллоидные капиллярно-пористые, обладающие промежуточными свойствами. Способы удаления влаги из материала: 1) Механический (прессование или отжим в центрифугах); 2) Физико-химические способы основаны на применении водопоглощающих средств (силикагель, H2SO4, CaCl2 ) 3) Тепловые способы, основанные на превращении в пар содержащейся в материале влаги с последующим удалением этого пара. Наиболее полно влага удаляется при тепловой сушке. Формы связи влаги с материалом Формы связи влаги с материалом в значительной степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с материалом нарушается. Различают следующие формы связи (в порядке убывания ее энергии): химическую, физико-химическую, механическую. Химически связанная влага (гидратная, или кристаллизационная, влага комплексных соединений) соединена с материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не удаляется. Физико-химическая связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (например, набухание). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде монослоя или нескольких слоев. Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке. Механическая, или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10-7 мм) и микрокапилляров (менее 10-7 мм). Влага макрокапилляров наименее прочно связана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механическими способами. Применительно к сушке влагу классифицируют в более широком смысле на свободную (легко удаляемую) и связанную (адсорбционную, осмотическую, микрокапилляров). Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности жидкости. Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности. Независимо от вида влажного материала и его исходного состояния (твердофазное, пастообразное или жидкофазное), на высушивание необходимо затрачивать внешнюю энергию в форме теплоты, равную, как минимум, теплоте парообразования удаляемой влаги, вследствие чего термическая сушка представляет собой весьма энергоемкий процесс. По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают следующие виды промышленной сушки: 1) конвективная, при которой поверхность влажного материала непосредственно контактирует с сушильным агентом (горячим воздухом или топочными газами); 2) контактная, когда материал получает теплоту от контактирующей с ним твердой горячей поверхности; 3) инфракрасная (лучистая, радиационная), при которой поверхность материала получает теплоту в виде электромагнитного излучения от соответствующего высокотемпературного источника; 4) диэлектрическая (сушка токами высокой частоты), когда энергию на испарение влаги материал получает от высокочастотного электромагнитного поля, проникающего в глубь влажного материала; 5) сублимационная сушка – сушка в вакууме при отрицательных температурах и низких давлениях паров влаги. Наиболее распространенной является конвективная сушка, в которой сушильный агент не только подводит к поверхности материала необходимую теплоту, но и эвакуирует выделяющиеся из него пары влаги. При конвективной сушке существенное значение имеют его параметры. Характеристика влажных материалов Количество содержащейся влаги в материале оценивается величиной, которая называется влажностью (W). Различают влажность абсолютную (Wабс) и относительную (Wотн). Абсолютная влажность материала – это отношение массы влаги к массе абсолютно сухого материала (%): где - масса влажного (начального) материала, кг; – масса абсолютно сухого материала, кг. Относительная влажность материала – это отношение массы влаги к массе влажного материала (%): где – масса сухого (конечного) материала, кг. Разность () – это масса удаляемой влаги (W). Параметры и диаграмма состояния влажного воздуха В процессе контакта с влажным материалом температура сушильного агента уменьшается, а содержание в нем паров влаги увеличивается. По этим и другим изменяющимся параметрам агента можно судить о необходимых для удаления влаги из материала расходах сушильного агента и подводимой с ним теплоты. Поскольку состав топочных газов (продуктов сгорания органических топлив) с точки зрения их теплофизических свойств не слишком значительно отличается от атмосферного воздуха, то и их параметры в смеси с парами влаги обычно можно принимать практически одинаковыми. Влажный воздух характеризуется следующими основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией. 1)Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара (кг), содержащегося в 1 м3 влажного воздуха. 2)Относительная влажность воздуха () – это отношение фактической массы водяного пара в 1 м3 влажного воздуха к максимально возможной массе водяного пара при тех же условиях: , или где  – парциальное давление водяного пара; Рнас – давление насыщенного водяного пара 3)Влагосодержание – это отношение массы водяного пара кг), содержащегося во влажном воздухе, к массе абсолютно сухого воздуха (кг): После некоторых преобразований получим следующую формулу: , где П – общее давление влажного воздуха; 0,622 – коэффициент – отношение молярной массы влаги (18) к средней молярной массе сухого воздуха (29). 4)Энтальпия влажного воздуха есть сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара: (кДж/кг сухого воздуха): , где cв – средняя удельная теплоемкость сухого воздуха кДж/(кг К); сп – средняя удельная теплоемкость водяного пара, кДж/(кг К); х – влагосодержание воздуха, кг пара/кг сухого воздуха; r0 – удельная теплота парообразования влаги при 0 °С, кДж/кг; t  – температура воздуха, °С. Связь между параметрами влажного воздуха х, φ t, I легко определяется по диаграмме Рамзина, которая построена по приведенным соотношениям и дополнительно учитывает зависимости теплоемкостей воздуха и пара от температуры (рис.1). Рис.1. Диаграмма состояния влажного воздуха (Рамзина) Диаграмма построена в косоугольной системе координат. Угол между осями энтальпии и влагосодержания составляет 135°.На диаграмму нанесены также линии постоянной относительной влажности, линии парциального давления водяного пара, вертикальные линии постоянного влагосодержания, наклонные линии постоянной энтальпии, линии постоянных температур (изотермы). Статика процесса сушки Каждый твердый материал способен поглощать влагу из окружающей среды и отдавать ее окружающей среде. При контакте материала с влажным воздухом возможны 3 состояния системы: 1) Давление водяного пара во влажном материале рм больше, чем его парциальное давление в воздухе, т.е. рм>рп. В этом случае идет процесс десорбции влаги из материала в окружающую среду, т.е. процесс сушки. 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. 3) рп=рм – наступает динамическое равновесие. Влажность материала, при которой наступает динамическое равновесие называется равновесной влажностью. Кинетика процесса сушки Для расчета сушилок необходимо знать скорость сушки, которая зависит от формы связи влаги с материалом и механизма перемещения в нем влаги. Кинетика сушки характеризуется изменением во времени влажности материала. Зависимость между влажностью материала и временем изображается кривой сушки (рис.2). Сушка материала протекает неравномерно во времени. Различают два периода сушки. После нагрева материала до температуры сушки наступает период постоянной скорости сушки (период 1). В начальный период сушки, когда влажность материала велика, количество влаги, испаряющееся с поверхности в единицу времени, постоянно. В этих условиях скорость испарения влаги с поверхности влажного материала определяется скоростью, с которой влага диффундирует через пограничный слой воздуха, насыщенный влагой. Движущей силой сушки в первом периоде является разность давлений пара в пограничном слое у поверхности материала и в токе воздуха. Поэтому в этот период скорость сушки не зависит от влажности материала и является величиной постоянной. Влажность материала уменьшается по прямолинейному закону до достижения критической влажности Wкр. Первый период называют периодом внешней диффузии. Движущей силой процесса сушки в период постоянной скорости сушки является разность парциальных давлений пара в поверхностном слое материала и окружающей среде. В этот период удаляется адсорбционно связанная влага. Рис. 2. Кривая сушки материала Здесь Wн, Wкр, Wк – начальная, критическая и конечная влажность материала, соответственно; I – период постоянной скорости сушки, соответствующий линейному уменьшению влажности во времени до Wкр; II – период падающей скорости сушки, влажность материала убывает от Wкр до Wк. После достижения Wкр начинается второй период сушки. Количество влаги, подводимой к поверхности, становится меньше того, которое могло бы испариться. Скорость сушки начинает падать. Процесс определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности. Движущей силой сушки во втором периоде является в основном градиент влажности – уменьшение влажности по толщине материала в результате испарения влаги с поверхности. Сушку материала обычно заканчивают по достижении некоторой конечной влажности Wк, определяемой технологическими условиями. В пределе влажность материала может понижаться до равновесной влажности, значение которой определяется влагосодержанием и температурой воздуха. Конечной целью изучения кинетики сушки является определение продолжительности сушки. Для оценочных технических расчетов продолжительность сушки можно определить без учета равновесной влажности материала по формуле: , где N - скорость сушки в первом периоде, которая представляет собой тангенс угла наклона линейного участка кривой сушки (рис. 2) к оси абсцисс.