Введение

Сушкой называют процесс удаления любой жидкости (влаги) из твердых, пастообразных материалов и растворов, в результате чего в ней повышается относительное содержание сухой части.

Различают естественную и искусственную сушку. Естественная сушка протекает под действием природных факторов, как правило, в процессе длительного хранения. Искусственная или принудительная сушка - это организованный технологический процесс, реализуемый за счет внешнего воздействия на высушиваемый материал различных физико-химических факторов.

Сушка проводится с различной целью: для облегчения и удешевления транспортировки материалов; для повышения их прочности и увеличения сроков хранения; повышения удельной теплоты сгорания топлива; придания материалам новых потребительских свойств. Сушка необходима для последующего измельчения некоторых материалов.

Применение тех или иных принципов обезвоживания и способов сушки обусловлено энергией связи влаги с материалом. В зависимости от вида внешнего воздействия можно выделить следующие способы сушки:

· механическая (отжим, прессование, центрифугирование и т. д.);

· тепловая (конвективная, кондуктивная, радиационная, СВЧ и т.п.);

· диффузионная (адсорбционная, осмотическая, абсорбционная, вакуумная и вакуум-сублимационная).

Очевидно, если агрегатное состояние влаги не изменяется, то может удаляться только влага, менее прочно связанная с материалом. При этом способе энергия затрачивается в основном на преодоление гидравлического сопротивления твердого скелета тела. К таким способам относятся механические методы обезвоживания: центрифугирование, прессование.

При изменении агрегатного состояния влаги скорость сушки и расположение зоны испарения зависят от прочности связи влаги с материалом. В этом случае (тепловая сушка) энергия затрачивается как на преодоление силы этой связи, так и на теплоту парообразования.

Механическое обезвоживание (механическое прессование, центрифугирование, фильтрование, смешивание влажного и сухого материала) является более дешевым способом, чем тепловая сушка, поэтому при большом начальном содержании жидкости тепловую сушку всегда целесообразно предварять механическим обезвоживанием.

Сушка является типичным нестационарным процессом, при котором влагосодержание материала меняется как в объеме, так и во времени, и сам процесс стремится к равновесию с окружающей средой.

1 Влажный материал

Большинство пищевых продуктов являются влажными телами, содержащими значительное количество воды. Избыток воды снижает питательную ценность продукта, способствует его порче вследствие жизнедеятельности различных микроорганизмов в водной среде.

Под влажностью материала понимают отношение массы влаги к общей массе материала:

(1)

гдеW – масса влаги в материале, кг;

М – масса влажного материала, кг; М= W + М_с;

М_с – масса абсолютно сухого материала, кг.

В теории сушки обычно рассчитывается влагосодержание материала С, т. е. отношение массы влаги к массе абсолютно сухого материала, которая в процессе сушки остается неизменной, что представляет большое удобство для расчета.

Влагосодержание материала:

или	(2)     (2а)

Пищевые продукты являются капиллярно-пористыми коллоидными телами и принадлежат к классу связно-дисперсных систем, в которых частицы дисперсной фазы образуют более или менее жесткие пространственные структуры-сетки или каркасы. Эти системы называют гелями (зерно, желатин, молочный сахар, мучное тесто и т.п.).

При сушке влажные материалы изменяют свои теплофизические характеристики (теплоемкость с, теплопроводность λ, температуропроводность α). Эти изменения обусловлены молекулярным характером связи жидкости с веществом тела. Кроме того, перенос жидкости или пара (а также тепла) внутри коллоидного капиллярно-пористого тела зависит от интенсивности (прочности) молекулярной связи жидкости со скелетом тела.

Процесс удаления жидкости из тела сопровождается разрушением ее связи со скелетом тела, и расходуемая при этом энергия затрачивается на разрыв связи жидкости с поверхностью тела и на процесс фазового перехода жидкости в пар. Поэтому классификация форм связи влаги в материалах построена акад. П.А. Ребиндером по принципу оценки энергии связи или работы ее разрыва.

(3)

где ΔF - изменение свободной энергии тела;

А – работа отрыва влаги;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура тела;

φ – относительная влажность воздуха;

Р_парц,Р_нас– парциальное давление влаги в окружающей высушиваемый материал среде и в насыщенном состоянии.

Все формы связи делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь и физико-механическая связь.

а) Химическая связь обусловлена исключительно сильным ионным и молекулярным взаимодействием влаги и материала (в виде гидроксильных групп -ОН и кристаллогидратов типа Na₂SО_з×5Н₂О) и при сушке не разрушается, т.е. химически связанная влага при сушке не удаляется.

б) Физико-химическая связь обусловлена взаимным проникновением влаги и материала (растворение или набухание), либо адсорбцией. Адсорбционно связанная влага представляет собой жидкость, удерживаемую силовым полем на внешней и внутренней поверхности капилляров высушиваемых частиц. Вследствие высокой пористости, (радиус пор r = 0,1.. 0,001 мкм) капиллярные тела обладают огромной межфазной поверхностью, а следовательно, и значительной свободной поверхностной энергией, за счет которой происходит адсорбционное связывание воды. К влаге, удерживаемой осмотически, относится влага, находящаяся в замкнутых ячейках мицелл тела и иммобилизованная - структурная влага, захваченная при формировании геля, эта связь обусловлена избирательной диффузией воды через полупроницаемую оболочку. Присоединение осмотически связанной влаги происходит без выделения тепла, и на отрыв этой влаги тратится относительно мало энергии. Тогда как теплота, физической адсорбции влаги – величина того же порядка, что и теплота фазового перехода из парообразного состояния в жидкое.

в) Физико-механическая связь жидкости с твердым телом обусловлена капиллярными силами и смачиванием. Вода заполняет сквозныемакрокапилляры

(r >10^-7 м), т.к. давление пара над мениском макрокапилляра не отличается от давления насыщенного пара над свободной поверхностью воды. Тогда как микрокапилляры (r <10^-7 м) влага заполняет не только при непосредственном соприкосновении, но и путей сорбции из влажного воздуха (капиллярная конденсация). Это обусловлено тем, что давление насыщенного пара над вогнутым мениском микрокапилляра значительно меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости. Отношение этих давлений определяется по формуле Томсона–Кельвина:

(4)

где – относительная упругость пара;

Р_r, Р_а– давление насыщенного пара над искривленной и плоской поверхностью: Па;

р_п, р_ж – плотность пара и жидкости, кг/м³;

σ – поверхностное натяжение на границе жидкость - твердое тело, Н/м.

Таким образом, влага макрокапилляров и поверхностная влага смачивания представляют собой свободную влагу, при удалении которой теплота расходуется только на фазовый переход из жидкого в парообразное состояние.

2 Взаимодействие влажного материала и воздуха

Взаимодействие влажного материала с влажным воздухом может происходить в двух направлениях:

а) если парциальное давление пара у поверхности материалаР_м больше парциального давления пара в воздухе Р_n (Р_м> Р_n), то будет происходить процесс испарения сушки (десорбция);

б) если парциальное давление пара у поверхности материалаР_м меньше парциального давления пара в воздухе Р_n (Р_м< Р_n), то материал будет увлажняться за счет поглощения пара из окружающего воздуха (сорбция).

Через некоторое время, когда Р_м и Р_n станут равны, наступит динамическое равновесие. Влажность материала, соответствующая состоянию равновесия, называется равновесной влажностью _р.

Равновесная влажность зависит от свойств материала и от парциального давления пара в воздухе Р_n, или от его относительной влажностиj а также от температуры Т. Эта зависимость, представленная в виде графика называется изотермой сорбции-десорбции (рисунок 1).

Рисунок 1 – Изотерма сорбции-десорбции влаги в материале применительно к процессу конвективной сушки

Если от какой-либо точки на изотерме увеличить j, т.е. создать условия, при которых Р_n >Р_м, то произойдет испарение (десорбция).

Максимальную влажность, которую может иметь материал за счет сорбции влаги из окружающей среды (максимальная сорбционная емкость при j = 100 %), называют гигроскопической влажностью _гс. Ее определяют на графике изотермы сорбции по точке пересечения изотермы с линией j = 100 %.

Гистерезис на кривой сорбции-десорбции обусловлен наличием микропор, наполнение и удаление влаги из которых, происходит на разном энергетическом уровне.

Анализ кривой равновесной влажности имеет важное значение для уточнения характера связи влаги с материалом.

1. На участке изотермы ОА, т.е. при небольшой влажности материала ее увлажнение происходит за счет мономолекулярной адсорбции, протекающей с очень большой скоростью. Причем, т.к. различные участки поверхности тела обладают различным адсорбционным потенциалом, то вначале образование уплотненного мономолекулярного слоя влаги происходит по "активным центрам" поверхности, представляющим собой отдельные атомы или группы атомов поверхности, силовое поле которых наименее насыщенно. Увлажнение материала на этом участке сопровождается значительным выделением тепла – теплота мономолекулярной адсорбции величина такого же порядка, как и теплота фазового перехода из парообразного в жидкое состояние. Таким образом, при сушке на удаление влаги мономолекулярной адсорбции должна быть затрачена энергия (1,2...1,6)· r_n, здесь r_n – теплота фазового перехода, Дж/кг.

2. На участке изотермы АВ увлажнение материала происходит за счет полимолекулярной адсорбции при значительно меньшем выделении тепла, т.е. с увеличением влажности материала теплота сорбции уменьшается.

3. Участок кривой равновесной влажности ВС соответствует в основном влаге микрокапилляров (r < 10^-7, м). Энергия адсорбции влаги в микрокапиллярах (капиллярная конденсация) обычно значительно превышает энергию, выделяющуюся при фазовом переходе парообразного вещества в жидкое.

При десорбции, т.е. сушке удаление влаги происходит в обратном порядке. В начальный момент удаляется поверхностная влага смачивания и свободная влага макрокапилляров. В этот период материал прогревается от начальной температуры t_НАЧ до температуры мокрого термометра t_MT участок АВ на кинетической кривой сушки (Рисунок 2). Удаление свободной или слабосвязанной влаги происходит практически при постоянной температуре, равной температуре мокрого термометра t_MT, (участок ВС на кривой сушки и соответствующий по времени участок термограммы сушки). В первый период количественный съем влаги прямо пропорционален времени сушки, т. е. ВС – прямая линия с тангенсом угла наклона численно равным скорости сушки N (Рисунок 3). В дальнейшем интенсивность влагосъемападает и сушка переходит во второй период – период падающей скорости сушки (участок СД). В этот период удаляется связанная влага и на отрыв влаги от материала тратится все больше энергии. Поэтому количественный съем влаги в единицу времени Dw/Dt все время уменьшается, достигая нулевого значения в т. Д, после которой остаточная влажность не меняется со временем, достигая своего предельно возможного минимального значения w_р при данных параметрах сушки.

Углубление зоны испарения влаги приводит к перегреву поверхностных слоев материала и росту средне взвешенного значения температуры материала, которая к концу процесса сушки (т. Д) достигает значения температуры воздуха в сушильной камере t_CA.

Рисунок 2 – Кривая сушки и термограмма сушки

Рисунок 3 – Кривая скорости сушки

Цель работы

1. Изучение протекания процесса сушки во времени.

2. Анализ особенностей процесса обезвоживания в различные периоды сушки.

3. Приобретение навыков графической обработки опытных данных по изменению влажности материала.

4. Построение кривых сушки и скорости сушки.

5. Определение кинетических характеристик процесса сушки и коэффициентов влагопроводности высушиваемых материалов.

Описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4. Установка состоит из сушильного шкафа 4 с регулятором температуры 5, электронных весов 1 с подвешенным на них бюксом 3 и термометра 2.

1. Установка готовится к работе лаборантом.

2. Установка готова к работе после достижения заданной температуры на термометре 2 и перехода терморегулятора 5 на режим кратковременного включения- выключения.

3. В сушильный шкаф 4 подвешивается бюкс 3 с влажным образцом. Момент помещения материала в шкаф 4 является начальной точкой отсчета процесса сушки.

4. В протоколе испытаний фиксируется время от начала процесса через каждые 2 мин. И соответствующие времени показания торсионных весов 1.

Протокол №1

Материал	Начальная толщина образца h, м	Масса бюкса g5, г	Масса навески с бюксом до сушки g1, г	Масса навески с бюксом после сушки g2, г	Масса образца до сушки G1, г	Масса образца после сушки G2, г	Масса влаги в образце до сушки W, г	Влажность материала	Средняя влажность материала ω, %

Протокол №2

Время от начала испытания t, мин	Время между замерами Δt, мин	Показания торсионных весов n	Масса образца с бюксомg, г	Масса образца G, г	Убыль массы ΔG, г	Масса влаги W, г	Влажность образца ω, %	Температура сухого термометра tc, °C	Температура мокрого термометра tмт, °C

Протокол №3

№ точки	Текущее значение влажности	Последующее значение влажности	Изменение влажности за время Δτ,	Средняя влажность за время Δτ,	Скорость сушки	Скорость сушки в первый период	Коэффициент внутренней диффузии	Коэффициент внешнеговлагообмена β

1 – электронные весы; 2 – термометр; 3 – измерительный бюкс; 4 – сушильный шкаф; 5 – регулятор температуры

Рисунок 4 – Лабораторная установка для исследования процесса сушки

Лабораторная работа №11

Дата добавления: 2015-08-17