При сушке влага материала передается сушильному агенту (как правило - воздуху) и вместе с ним удаляется из рабочей зоны сушилки.

Массообменные процессы

Работа № 1. Изучение сушильных процессов и аппаратов

Цели и задачи работы

Целью лабораторной работы является повышение уровня знаний студентов в области процессов и аппаратов для сушки продуктов пищевых и химико-технологических производств.

Задачами лабораторной работы являются:

- закрепление теоретических представлений о процессах сушки;

- изучение устройства сушилок различного типа;

- построение экспериментальных кривых сушки при различных способах ее организации: конвективной, сушке в поле СВЧ-излучения, сушке в поле инфракрасного излучения и комбинированной.

Теоретические основы процесса сушки

Сушка – это процесс разделения однородных или неоднородных систем, заключающийся в удалении влаги с использованием тепловых и диффузионных явлений.

При сушке влага материала передается сушильному агенту (как правило - воздуху) и вместе с ним удаляется из рабочей зоны сушилки.

В период сушки, когда на поверхности высушиваемого материала имеется свободная влага, температура материала слабо зависит от температуры окружающей среды. Она близка к температуре мокрого термометра в соответствующих условиях. Поэтому в начальный период сушки температура в сушилках может быть повышена, так как это ускоряет сушку. Обычно температуру в начале сушки повышают до 90...120 ^оС; в распылительных сушилках – до 140...200 ^оС.

В последующие периоды сушки температура должна уменьшаться до значений, при которых не произойдет подгорания или другого ухудшения качества продукта. Обычно эта температура составляет для пищевых продуктов 45…60 ^оС. Обработка продуктов перед сушкой сульфитным раствором позволяет повысить эту температуру на 5...10 ^оС. Сульфитирование продукта снижает также вероятность его побурения при сушке. Аналогичным образом действует обработка аскорбиновой или лимонной кислотами и бланширование исходных продуктов.

Для предотвращения подгорания материала сушку часто проводят в два этапа В основной период сушки влажность материала уменьшается до 10...15 %, а в период досушки – до 3...8 %. При досушке также выравнивается влажность во всем объеме высушиваемого материала. Температура воздуха в установках досушки не превышает 40...60 ^оС при скорости движения воздуха до 1 м/с. Продолжительность досушки обычно значительно больше, чем основной сушки.

Влага, испаряющаяся из высушиваемых материалов, выносит с собой высоколетучие вещества, вследствие чего продукты теряют вкус и аромат, и потеря может оказаться весьма заметной. Такие вещества целесообразно улавливать и возвращать в высушенный продукт.

Способы сушки различаются организацией процесса обезвоживания материала и характеризуются использованием одного или нескольких процессов, определяющих всю специфику сушки. Наиболее распространены следующие: естественная; конвективная (при вынужденном движении воздуха относительно высушиваемого материала); сушка мелких капель распыливаемого продукта в высокотемпературной газовой среде (распылительная); сушка высоковязких продуктов на металлических поверхностях (вальцовая); сушка вспененного продукта; вакуумная, сублимационная и эксплозионная сушки; сушка в кипящем слое сыпучего продукта; аэрофонтанная (пневматическая); терморадиационная с нагревом продукта инфракрасными лучами; сушка с нагревом в поле токов высокой частоты.

Естественная сушка применяется в благоприятных климатических условиях и предусматривает раскладывание высушиваемых продуктов на специальных щитах или сетках на открытом воздухе.

Конвективная сушка использует вынужденное движение подогретого воздуха относительно слоя высушиваемого продукта. Скорость вынужденной конвекции 1...5 м/с.

Распылительная сушка использует быстрое испарение распыленных жидких продуктов в высокотемпературной среде. Большая площадь поверхности распыленного продукта обеспечивает большие суммарные тепловые потоки к нему и, как следствие, малое время сушки (1...10 с). В распылительных сушилках могут преобладать один из двух видов теплопередачи – конвекция или радиация, хотя в общем случае они оба имеют место.

Распылительная сушка применяется для получения порошковых продуктов из молока, яиц, соков, гидролизованного крахмала, свекловичного сока, морской воды и др. Ряд продуктов, таких как поваренная или морская соль, не требует сохранения ароматов при сушке, поэтому для них созданы весьма простые и эффективные сушилки. Для продуктов типа сухого молока, яиц, свекловичного сахара от сушилок требуется гарантия отсутствия подгорания продуктов. Это несколько усложняет их конструкцию. И, наконец, при получении сухих фруктовых и овощных соков необходимо сохранение их ароматов. Сушилки, реализующие эти процессы, необходимо создавать с уменьшенной температурой испарения жидкости. Это часто влечет за собой необходимость создания вакуума в сушильной камере, что еще больше усложняет оборудование.

Вальцовая сушка заключается в распределении тонкого слоя высушиваемого продукта на поверхность подогретых валков. Этот слой высыхает за 40...60 с, после чего его тонкие сухие хлопья соскабливаются ножом с поверхности.

Сушка в спененных продуктов (овощных и фруктовых материалов) производится в конвективном потоке воздуха на перфорированных металлических листах. Вспениванию способствует добавление вспенивающих присадок в миксере в атмосфере инертного газа.

Вакуумная сушка осуществляется при пониженном давлении, что позволяет существенно снизить температуру высушиваемого материала.

«Эксплозионная», или взрывная сушка отличается использованием явления теплового шока. Тепловой шок заключается во вскипании воды во всем ее объеме в результате резкого понижения давления в окружающей среде. При этом вода, содержащаяся в высушиваемом материале и подогретая до температуры, близкой к температуре кипения, при понижении внешнего давления оказывается перегретой и вскипает. В результате внутренняя структура материала разрушается и становится как бы вспененной (воздушной). Такой материал легко высушивается. Эксплозия возможна как при переходе от повышенного давления к атмосферному (при этом начальная температура материала превышает 100 ^оС), так и при переходе от атмосферного давления к вакууму. Во втором случае процесс происходит при более низких температурах.

Сушка в кипящем слое и аэрофонтанная (пневматическая) осуществляются при продувании воздуха сквозь слой сыпучего материала снизу вверх. В аэрофонтанных сушилках воздух подводится не по всей площади поперечного сечения сушилки, а по ее части. Кроме того, в них увеличивается скорость воздуха до 12…14 м/с (в сушилках с кипящим слоем его скорость составляет 1…5 м/с). В результате картина течения воздуха через высушиваемый слой материала изменяется.

Инфракрасная сушка и сушка в поле токов высокой частоты отличаются только соответствующим способом подвода теплоты. При таком нагревании процессы диффузии и термодиффузии влаги в процессе сушки материалов направлены в одну сторону, что резко ускоряет сушку. В сушилках инфракрасного нагрева сушат обычно тонкие изделия (печенье, краску на поверхностях), в которые излучение проникает почти до середины их толщины, а в сушилках СВЧ нагрева – более «толстые», в том числе зерно.

При инфракрасном обогреве поверхности влага интенсивно испаряется с нее и за счет термодиффузионного эффекта препятствует диффузии к поверхности глубинной влаги. В связи с этим обогрев ведут с перерывами: 2...4 с нагрева и 20...80 с выдержки. В период выдержки происходит движение влаги к поверхности. Общая продолжительность сушки при этом не увеличивается. Для ряда продуктов применяют комбинированный нагрев – радиационный и конвективный, что улучшает их качество.

Материал при сушке в поле токов высокой частоты нагревается за счет колебания молекул высушиваемого материала по всей его толщине, но не равномерно, т.к. его температура уменьшается от центра к периферии. В результате складываются условия, когда градиенты температур и концентрации влаги в материале совпадают, что весьма существенно сокращает время сушки (например, для древесины более чем в 10 раз). В тоже время энергозатраты при такой сушке весьма велики: 2...5 кВтч на 1 кг влаги, что в 3...4 раза выше энергозатрат при конвективной сушке.

Комбинирование этого способа сушки с конвективным, когда на долю конвекции остается унос влаги от поверхости материала, сокращает расход энергии на сушку примерно в 3 раза.

При феноменологическом описании процесса сушки в качестве обобщенной действующей силы принимают разность концентраций влаги ΔW в фактическом W и равновесном W_р состояниях системы:

ΔW = W – W_р. (кг/м³) (1)

Фактическая ее концентрация W изменяется в процессе сушки, а равновесная W_р является константой и определяется как состоянием продукта, так и влажностью окружающей среды.

При помощи воздуха с определенной влажностью удалить из материала всю влагу невозможно.

При конвективной сушке влага перемещается от центра материала к поверхности, с которой она удаляется сушильным агентом. Это – диффузионный процесс и его движущей силой является градиент концентраций влаги по направлению нормали n к поверхности равных концентраций – dW/dn. Поэтому феноменологическое выражение для влагопереноса m_w можно записать в виде:

, кг/с, (2)

где F- омываемая поверхность материала, м²; D₁ – феноменологическая постоянная, называемая коэффициентом диффузии, м²/с.

Влага, находящаяся в порах материала, и осмотически связанная влага мигрируют к поверхности в жидком виде, а связанная адсорбционно – в виде пара.

Процесс сушки включает предварительные стадии нагревания сушильного агента и приведения его в соприкосновение с высушиваемым материалом в сушильной камере, что определяет начало отъема влаги сушильным агентом от материала. Данная стадия процесса сушки протекает в три этапа:

1) влагоотдача с поверхности материала сушильному агенту, сопровождающаяся осушением поверхностных слоев материала и переходом пара в окружающую среду;

2) перемещение пара в окружающей среде;

3) диффузия влаги из глубины тела к поверхности.

Первый из этих процессов побуждает, как следствие, два других. Испарение влаги возможно как внутри тела, так и на его поверхности. В обоих случаях дальнейшее движение испаренной влаги происходит от поверхности.

На поверхности материала образуется воздушно-паровой слой, который находится в равновесии с влагой материала; он является насыщенным при температуре материала. Движущая сила диффузии влаги с поверхности материала в окружающую среду – разность парциальных давлений (ΔP) водяного пара в пограничном слое (P_н), и в окружающей среде (P_в):

= Р_н – Р_в, Па. (3)

Парциальное давление пара в пограничном слое материала является давлением насыщенного пара.

Феноменологическая зависимость массового расхода диффундирующего пара (m) от этих параметров имеет вид:

m = β_р×(Р_н–Р_в)×F, кг·Па/с, (4)

где β_р – коэффициент массоотдачи, кг /(с×м²).

Феноменологическая зависимость в величинах относительных давлений (закон Дальтона для испарения с влажной поверхности):

m = × × , кг /с, (4a)

где β_р ≈ 0,007 кг/(с·м²) при скорости обдувающего воздуха до 0,58 м/с и β_р ≈ 0,011 кг/(с·м²) при скорости обдува 1,57 м/с; Р_бар – барометрическое давление окружающей среды, Па.

Расход влаги должен быть равен потоку влаги, подведенному изнутри к поверхности. Изменение этого потока влаги или связанных с ним величин во времени называют кривыми сушки. На рис. 1а изображена кривая сушки, а на рис. 1б – производная по времени от нее, или кривая скорости сушки.

В начале сушки материал подогревается, и скорость массового потока удаляемой влаги возрастает от нуля до некоторой постоянной величины. В этот период удаляется влага, механически связанная с материалом (поверхностная и капиллярная). Процесс продолжается до т. К₁ на кривой скорости сушки. В этот период температура материала, покрытого влагой, равна температуре мокрого термометра. Во втором периоде скорость сушки уменьшается. В этот период удаляется влага, более прочно связанная с материалом (осмотическая и адсорбированная).

а б

Рис.1. Кривые сушки (а) и скорости сушки (б): W_кр – критическая влажность; W_р – равновесная влажность; 1- для крупнопористого материала; 2 – для ткани и кожи; 3- для пористой керамики; 4 – для сухарей; 5 – для глины

На кривых скоростей сушки можно видеть одну или две критические точки K₁ и K₂. Обе они соответствуют изменению механизмов удаления влаги: до точки К₁ удаляется поверхностная влага и влага пор, после точки К₂ – адсорбционно или осмотически связанная влага.

В первый период сушки (до критической точки К₁) движущей силой процесса является разность давления насыщенного пара в пограничном слое материала и парциального давления пара в окружающей среде (Р_н–Р_в). Скорость сушки в этот период определяется приведенной выше феноменологической зависимостью Дальтона. В этот период скорость диффузии не влияет на скорость сушки.

Во второй период сушки давление паров вблизи поверхности материала ниже равновесного, и определяющее влияние на скорость сушки оказывает диффузия влаги в нем. Движущей силой процесса в этот период можно считать разность фактического и равновесного влагосодержаний (кг влаги / кг абсолютно сухого материала) высушиваемого материала (С - С_р). Тогда феноменологическая зависимость для скорости (интенсивности) процесса примет вид:

, кг/(кг∙с) (5)

где k – коэффициент массопроводности (скорости сушки), кг/(кг∙м²∙с); τ – время, с; m_w и m_м – массы отбираемой влаги и абсолютно сухого материала, кг.

Начальное влагосодержание для этого периода сушки соответствует критическому С_к1, а конечное С_к2 определяется относительной влажностью воздуха. Проинтегрировав это уравнение в указанных пределах, получим:

, (6)

где τ₂ – продолжительность второго периода сушки.

Формула определяет экспоненциальную зависимость влажности от времени τ:

(6а)

Наиболее интересные явления при сушке связаны с явлением термодиффузии. Термодиффузия заключается в перетекании влаги в глубину высушиваемого материала за счет разности температур его поверхностных и глубинных слоев. При повышении температуры сушильного агента термодиффузия может усиливаться.

Удаление влаги, мигрировавшей в глубину высушиваемого изделия, затруднено. Вследствие этого попытки ускорить сушку повышением температуры материала часто приводят к миграции влаги в его глубину и подгоранию поверхностных слоев изделий. При последующем охлаждении поверхностные слои изделия вновь увлажняются вследствие обратной диффузии влаги.

Дата добавления: 2015-07-21