Формы связи влаги с материалом

1) Механическая - охватывает поверхностную влагу смачивания и капиллярную, удаляется наиболее легко.

2) Физико- химическая связь характерна для всех видов внутриклеточной влаги:
а/ адсорбционно -связанной,
б/ осмотически - удержанной /влага набухания/,
в/ структурной. Этот вид влаги удаляется значительно труднее.

3) Химическая связь характерна для гидратной или кристаллизационной влаги. Эта влага в процессе сушки обычно не удаляется.

Независимо от характера связи влагу, прочно связанную с материалом, называют гигроскопической. Эта влага не может быть полностью удалена из материала в процессе сушки. Вся влага, удаляемая из материала в условиях тепловой сушки, называется свободной. Влажный материал отдает вначале менее прочно связанную влагу - поверхностную, а также влагу из макрокапилляров. Затем удаляется часть гигроскопической влаги из мелких капилляров - адсорбционно связанная и осмотически удерживаемая за счет набухания, внутриклеточная влага.

Влажность воздуха

Процесс сушки зависит не только от свойств материала, но и от свойств окружающей среды, т.е. сушильного агента. Воздух выполняет двойную роль:

1/ Он является горячим теплоносителем, с помощью которого материал нагревается;

2/ Он является средой, в которую переходит влага. Таким образом, в сушильных установках воздух влажный и характеризуется

следующими параметрами: температурой, влажностью, влаго- и теплосодержанием. Влажный материал можно сушить холодным воздухом, но горячий воздух способствует более быстрому прогреву материала и легкому испарению влаги. Влажность воздуха различают абсолютную и относительную.

Абсолютная влажность - количество водяных паров / в килограммах/, содержащихся в 1 м³ влажного воздуха. При понижении температуры или увлажнении воздуха находящийся в нем пар становится насыщенным.

Относительная влажность - отношение абсолютной влажности при той же температуре и давлении к максимально возможному количеству пара в условиях насыщения. Относительную влажность воздуха можно выразить отношением плотностей пара или отношением давлений:

(1)

где,

j - относительная влажность,

P₁ P₂ - парциальное давление пара при данных условиях и насыщенного,

r₁ и r₂ - плотность пара при данных условиях и насыщенного.

Для выражения относительной влажности в процентах значение умножается на 100. Доводить значение относительной влажности до 100% не следует во избежание выделения капельножидкой фазы. Влагосодержание воздуха - количество содержащихся в воздухе водяных паров / в килограммах /, отнесенное к 1 кг абсолютного сухого воздуха.

(2)

где,

Х - влагосодержание воздуха,

P, - общее давление влажного воздуха,

P₂ - давление насыщенного пара

j - относительная влажность.

0,622 - отношение молекулярных масс водяного пара и сухого воздуха.

Влагосодержание и теплосодержание

Влагосодержание характеризует процесс массообмена. Между влажностью и влагосодержанием существует прямая зависимость. Однако, в отличие от влажности, влагосодержание не зависит от температуры.

Теплосодержание /энтальпия/ влажного воздуха выражается суммой энтальпии сухого воздуха и водяного пара. Без учета тепловых потерь теплосодержание воздуха в процессе конвективной сушки остается постоянным. Воздух отдает тепло материалу на испарение влаги. Пар переходит в воздух, увеличивая его влагосодержание, и приносит то же количество тепла, которое затрачено на его испарение.

Кинетика

Под кинетикой процесса сушки понимают изменение влагосодержания материала и температуры воздуха с течением времени.

Скорость сушки

Скорость сушки - количество влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого материала за единицу времени.

(3)

где,

U - скорость сушки, кг/м*с,

W - количество испаряемой влаги, кг,

F - поверхность высушиваемого материала, м²,

t - время сушки, с.

Скорость сушки зависит от следующих факторов:

1. природы высушиваемого материала - его структуры, химического состава,

2. характера связи влаги с материалом и др.;

3. Формы высушиваемого материала - размеров кусков, толщины слоя;

4. Начального и конечного влагосодержания материала;

5. Внешних факторов - влажности, температуры, скорости движения воздуха;

6. Характера и условий сушки - перемешивание материала, характер перемешивания или сушки в неподвижном слое.

Процесс сушки как массообменный процесс, выражается уравнением массопередачи, объединяющим молекулярную и конвективную диффузии:

W = K * F (P_п - Р₁)* t (4),

где

W - количество испарившейся влаги,

K - коэффициент массопередачи,

F - поверхность раздела фаз,

Р_п - давление паров влаги у поверхности материала,

Р₁ - парциальное давление паров в воздухе,

t - время сушки

Движущая сила процесса сушки определяется разностью давлений Р_п - Р₁. Чем больше эта разница, тем интенсивнее идет процесс испарения влаги. При Р_п - Р₁ = 0 наступает равновесие в процессе обмена влагой между материалом и средой, и сушка прекращается.

Процесс сушки

Процесс сушки складывается из нескольких этапов. Диаграмму процесса сушки см. в учебнике ({1}, С.80)

Прогрев влажного материала.

Температура материала повышается до постоянной, влажность снижается незначительно. Этот период кратковременный.

Периодпостоянной наибольшей скорости сушки.

Удаляется свободная влага. Температура материала постоянна. Влага испаряется со всей поверхности. Внутренняя диффузия настолько интенсивна, что обеспечивает поступление к поверхности более чем достаточного количества влаги. Поэтому скорость сушки постоянна и определяется скоростью внешней диффузии. В конце этого периода на поверхности материала появляются высушенные участки.

Период падающей скорости сушки.

Начало этого периода - критическая точка процесса сушки. В этом периоде скорость сушки полностью зависит от

скорости диффузии влаги изнутри материала к его поверхности. Вначале скорость внутренней диффузии падает более или менее равномерно, поэтому и скорость сушки в данный отрезок времени снижается равномерно - равномерно падающая скорость сушки. По мере продолжающегося испарения влага все с большим трудом поступает к поверхности, и наступает стадия неравномерно падающей скорости, когда влага начинает испаряться уже в капиллярах.

Этот период сушки в большей степени зависит от структуры высушиваемого материала и толщины его слоя. К концу периода температура материала повышается и достигает температуры окружающей среды, влажность снижается до равновесной и скорость сушки становится равной нулю, т. е. процесс сушки прекращается.

Сушильные аппараты

(см. схемы в приложении на стр. 20)

Процесс сушки осуществляется в сушильных аппаратах, или сушилках. Совокупность сушильного аппарата со вспомогательными аппаратами называется сушильной установкой. В зависимости от агрегатного состояния высушиваемых веществ различают сушильные аппараты для твердых веществ и для жидкостей. По способу организации процесса различают сушилки периодического и непрерывного действия. По способу подвода тепла сушилки делятся на контактные и конвективные /воздушные/.

Контактные сушилки

В контактных сушилках высушиваемое вещество располагается непосредственно на обогреваемой поверхности, тепло передается через твердую непроницаемую перегородку. Из материала испаряется влага, и пары диффундируют в окружающий воздух. Для ускорения сушки и проведения процесса при пониженной температуре в сушилках уменьшают давление, т. е. процесс проводят под вакуумом. Это особенно важно при высушивании термолабильных веществ. Из контактных сушилок наиболее широко применяются:

Вакуум-сушильный шкаф

/ см. схему учебника (т.1, С. 87-88)/.Это сушилка периодического действия, в которой можно сушить самые разнообразные материалы.
Д о с т о и н с т в а вакуум-сушильных шкафов: простота устройства, возможность одновременной сушки нескольких материалов, небольшой унос высушиваемого материала с отходящими из сушилки влагой и воздухом.
Н е д о с т а т к и - периодичность работы и в связи с этим большая затрата времени на загрузку и выгрузку материала; необходимость применения ручного труда и низкая производительность; сушка проводится в неподвижном слое.

Вальцовые сушилки

которые могут быть одновальцовыми и двухвальцовыми. Одновальцовые сушилки различают с погруженным вальцом и непогруженным ({1}, С. 87-89, 2, С. 123-124). Вальцовые сушилки - непрерывнодействующие, используются для сушки жидких и пастообразных материалов.

Д о с т о и н с т в а вальцовых сушилок: непрерывная сушка и экономичность процесса, обусловленная малыми потерями тепла с отработанным воздухом.

Н е д о с т а т к и вальцовых сушилок: сравнительно высокая влажность высушенного продукта и возможность перегрева материала.

Конвективные сушилки

В конвективных сушилках высушивание проводится потоком газа- теплоносителя, чаще всего воздуха. Конструкции этих сушилок очень разнообразны, но все они имеют следующие узлы:

- камеру, в которой происходит контакт высушиваемого материала с сушильным агентом;

- калорифер для подогрева воздуха;

- вентилятор для транспорта сушильного агента.

К ним относятся:

Камерные сушилки

Они периодического действия, имеют одну или несколько прямоугольных камер с полками. Высушиваемый материал находится на противнях в неподвижном состоянии. Воздух засасывается вентилятором, подогревается в калорифере и перемещается над слоем материала между полками. Отработанный влажный воздух после очистки фильтрами выбрасывается в атмосферу.

Сушка в таких сушилках проходит неравномерно. В то время, когда на нижней полке материал уже высох, на верхней полке он еще влажный. При досушивании материала на верхней полке возможен перегрев его на нижней. Поэтому противни с материалом надо время от времени менять местами. Кроме того, процесс сушки продолжителен, и имеет место потеря тепла при загрузке и выгрузке камер, которые осуществляются вручную. Более рациональными являются шкафные воздушно-циркуляционные сушилки, которые являются разновидностью камерных сушилок (1, С. 81-83). Для осуществления более равномерного и мягкого режима сушки, снижения расхода воздуха и тепла проводится частичная рециркуляция и промежуточный подогрев воздуха в камере. Однако сушка материала в сушилках этой конструкции проходит в неподвижном слое, поэтому продолжительность сушки велика и сушилки обладают малой производительностью.

Ленточные сушилки

основной частью которых является горизонтальный транспортер, движущийся в сушильной камере. Ленты транспортера изготавливают сплошными из ткани или сетчатыми из металла. Сушилки могут быть прямоточными и противоточными. Более эффективны и чаще используются противоточные сушилки. Высушенный материал имеет меньшую влажность, чем при прямом потоке, но возможен перегрев материала. В сушилках с сетчатой лентой теплоноситель проходит в направлении, перпендикулярном плоскости ленты.

Ленточные сушилки могут быть одноярусные и многоярусные. В одноярусной сушилке материал лежит, не перемешиваясь, что ухудшает сушку. В многоярусных сушилках материал пересыпается с ленты на ленту, при этом хорошо перемешивается и процесс сушки интенсифицируется. В связи с этим чаще применяются многоярусные ленточные сушилки непрерывного действия, схему см. в учебнике (1, С. 82-84). В фармацевтическом производстве для высушивания растительного сырья используют ленточные сушилки СПК-30 и СПК-45. Они имеют 5 сетчатых ленточных транспортеров. Цифра означает общую рабочую площадь сети. Горячий воздух проходит снизу вверх через транспортер с промежуточным подогревом в калориферах. Отработанный воздух из сушилки отсасывается вентилятором.