Лекция1 Сушка. Сущность процесса. Виды сушки. Форм связи влаги с материалом. Кривая равновесной влажности материала Основные свойства влажного газа. Уравнение влагосодержания. Уравнение энтальпии. Диаграмма состояния влажного атмосферного воздуха. Схема конвективной сушильной установки. Материальный и тепловой балансы сушки. Расход воздуха на сушку. Удельный расход воздуха.

Сушка

Сушка - процесс удаления влаги из материала за счёт подвода тепла, испарения влаги и отвода образующихся паров. По определению процесс сушки аналогичен процессу выпарки. Однако, процесс выпарки - процесс тепловой, а сушка - процесс диффузионный. Влага удаляется с поверхности высушиваемого материала и подводится из глубинных слоёв материала к поверхности за счёт диффузии.

Процесс выпарки и процесс механического удаления влаги значительно дешевле процесса сушки. Поэтому они должны предшествовать процессу сушки.

Сушильные материалы делятся на:

1. Твердые - штучные, кусковые, порошковые, зернистые. Материалы сушатся наиболее легко и аппаратурное оформление этих процессов наиболее просто и отработано.

2. Пастообразные – (например, полученные после фильтрации осадка, пасты). Их высушивать более сложно из-за физических разнообразных свойств и из-за аппаратурного оформления (особенно налипания на движущиеся элементы).

3. Жидкие материалы - растворы и взеси применяется сушка распылением, сублимационная сушка, в кипящем слое на инертных теплоносителях.

Большинство химико-фармацевтических препаратов и полупродуктов их производства обладают рядом свойств, затрудняющих процесс сушки: 1.неспособностью выдерживать значительные температуры,

2.иногда повышенной липучестью и склонностью к комкообразованию,

2.требованием низкой конечной влажности. Кроме того, химико-фармацевтические препараты имеют высокую стоимость.

Применение процессов сушки в этой отрасли промышленности отличается широким диапазоном мощностей (малотоннажные от 10кг до 10тонн;) а условия производства должны обеспечивать чистоту или стерильность готовой продукции в соответствии с требованиями Фармакопеи РФ. .

В качестве удерживаемой жидкости может быть вода и органические вещества (ацетон, метанол, этанол, изопропиловый спирт и др.). Все это предъявляет особые, специфические требования к осуществлению процесса их сушки

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом. Различают химическую, физико-химическую и физико-механическую формы связи влаги с материалом. Чем прочнее связь, тем труднее протекает процесс сушки. 1.Химически связанная влага (гидратная или кристаллизационная) наиболее прочно связана с материалом и при обычной сушке не удаляется. 2.Физико-химическая связь объединяет два вида влаги отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционная и осмотическая влага. Адсорбционная влага находится в микропорах и прочно удерживается на поверхности и в порах материала абсорбционными силами. Осмотическая влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. 3.Наиболее легко удаляется при сушке механически связанная влага ( влага смачивания), находящаяся в микро- и макропорах, и может быть удалена не только сушкой, но и механическими способами – центрифугированием, отжимом.

Применительно к процессу сушки влагу разделяют на свободную(легко удаляемую при сушке, ) и связанную(адсорбционную, осмотическую, влагу из микропор) . Свободной считается влага, для которой затрата энергии на удаление её из материала равна теплоте парообразования воды. Это, как правило, механически связанная влага. Энергия на удаление адсорбционно и осмотически связанной влаги больше теплоты парообразования воды. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Влагосодержание материала на границе свободной и связанной форм называется критическим влагосодержанием.

Все материалы, если их обезводить и привести в соприкосновение с атмосферным воздухом, начинают поглощать влагу из воздуха и насыщаться ею до определенного равновесного состояния в соответствии с t и влажностью φ окружающего воздуха. Это влагосодержание материала называется равновесным (гигроскопическая влага). Таким образом, если известна гигроскопическая точка материала (при данных условиях хранения), то известен целесообразный предел удаления влаги. Это особенно важно для гигроскопических материалов: многие соли, ткани, лекарственные препараты. u _равн = f ( t, φ )

Равновесная влажность при φ = 100% называется максимальной гигроскопической влажностью или гигроскопической точкой материала. При гигроскопической точке материала φ = 100% давление водяного пара в высушенном материале P_в.м. = P_нас равна давлению водяного пара в воздухе при той же температуре.

Изменяя влажность воздуха при постоянной температуре t= const (когда материал и влажный воздух имеют одинаковую температуру) можно получить кривую равновесной влажности материала в виде изотермы:

Кривая равновесной влажности материала

Равновесное влагосодержание некоторых лекарственных гранулятов представлено в таблице

Гранулят	up ,%
φ ,%	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Асфен	0,9	1,0	1,2	1,3	1,6	1,6	1,8	2,0	3,2	9,0
Бесалол	0,1	0,2	0,3	0,4	0,6	0,7	1,0	1,6	2,5	4,0
Глютаминовая кислота	1,3	1,7	2,0	2,3	2,6	2,9	3,2	3,6	5,0	12,0
Дибазол	0,2	0,3	0,3	0,4	0,6	0,7	0,9	1,0	1,5	3,0
Метионин	0,5	0,6	0,6	0,7	0,8	0,8	0,9	1,2	1,6	4.5
Сухой экстракт красавки	1,6	2,2	2,4	2,7	3,0	3,2	3,6	4,1	5,5	14,1

В процессе сушки абсолютная влажность материала уменьшается, свободная влага удаляется, частично удаляется гигроскопическая влажность и процесс сушки прекращается. При этом в материале остается устойчивая или равновесная влажность материала, при которой упругость паров над слоем материала становится равна упругости водяных паров в воздухе в сушилке.

Высушить материал до абсолютно сухого состояния мы не сможем. При конвективной сушке в воздухе всегда находится какое-то количество влаги , поэтому можно высушить материал только до равновесного состояния -это означает равновесие между содержанием влаги в материале и влагой в воздухе.

Изотермы сорбции и десорбции растительных продуктов имеют S-образный характер. Для одного и того же продукта они совпадают только при очень малых и очень больших значениях относительной влажности воздуха, при других значениях – не совпадают. При этом образуется площадь гистерезиса. Изотермы сорбции располагаются выше, чем изотермы десорбции и равновесное влагосодержание при одинаковом значении относительной влажности воздуха при десорбции больше, чем при сорбции.

Причины гистерезиса для растительных продуктов заключаются в том, что в капиллярно-пористых материалах в капиллярах содержится воздух. Это уменьшает смачиваемость капилляров при сорбции.

Методы сушки. Существуют различные виды сушки

1. Конвективная сушка- сушка в токе горячего газа ( воздуха) . Высушиваемый материал может находиться в неподвижном, взвешенном и распыленном состоянии

2. Контактная сушка – теплота от теплоносителя к материалу подводится через разделяющую их стенку (под атмосферным давлением или под вакуумом). Сушка на греющий поверхностях.

3. Терморадиационная сушка – облучением материала инфракрасными (тепловыми) лучами.

4. Токами высокой частоты (диэлектрическая сушка)

5. Сублимационная сушка - сушка при глубоком вакууме с предварительным замораживанием. Последние 3 вида сушки называются специальными видами с.

Наибольшее распространение получили конвективная и контактная виды сушки.

Конвективная сушка. Высушиваемый материал при данном методе сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев воздухом). Поэтому изучение свойств влажного газа необходимо при рассмотрении процессов сушки и их расчетах.

Основные свойства влажного воздуха.

1. Температура t , град С⁰

2. Энтальпия I,Дж/кг- т.е .количество теплоты, отнесенное к 1 кг сухого воздуха;

3. Влагосодержание x т.е .количество влаги в кг, приходящимся на 1 кг абсолютно сухого воздуха:

;

4 Относительная влажность воздуха φ ,т.е. отношение фактической массы водяных паров в воздухе к максимально возможной (при насыщении) массе водяных паров, при тех же температуре и давлении: φ = =

p_п - фактическая упругость водяных паров в воздухе (парциальное давление водяного пара, при t сухого термометра)

p_нас – давление насыщенного водяного пара при данной температуре.

5.Температура точки росы. Температура, при которой влажный газ при его охлаждении при x=const становится насыщенным ()

6.Температура мокрого термометра. Температура насыщения воздуха при адиабатном равновесии его с испаряющейся влагой.

Уравнение влагосодержания. Известно, что при температуре и давлении, близким к нормальным, свойства влажного воздуха достаточно точно описываются уравнениями Дальтона и Клапейрона.

Рассмотрим смесь, состоящую из 1кг абсолютно сухого воздуха + x кг пара, находящуюся в объеме V.Запишем уравнение Клапейрона для пара и сухого воздуха (газа).

( m _вл = x кг пара(влаги)): (1)

(m _c.в. =1 кг сухого воздуха) : (2) где: p_с.в. и p_вл –парциальн. давление сухого воздуха и пара, М_с.в.и М_вл- молекулярная масса,R-универс. газ. постоянная, T-температура,К.

Разделим почленно первое уравнение на второе: p_{вл /} p_с.в = m_вл М_с.в./m_c.в.M_вл т.к. m _вл = x, а m _c.в. =1 кг , то .

Если общее давление влажного воздуха П, то по закону Дальтона парциальное давление сухого воздуха

С другой стороны, по определению парциальное давление пара , Окончательно получим уравнение влагосодержания:

, Если пар водяной, то=18/29

Из уравнения следует, что при данном давлении П влагосодержание x является функцией относительной влажности φ и температуры t, (так как .

Уравнение энтальпии (теплосодержания).

Энтальпию (теплосодержание) влажного воздуха относят к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяют как сумму энтальпий 1 кг абсолютно сухого воздуха и x кг пара :

Энтальпию водяного пара можно рассчитать по уравнению:

, где - удельная теплота фазового превращения при 0⁰ С; - средняя удельная теплоемкость водяного пара.

Тогда )

.

Здесь; с_с.в.=1 , Подставим эти значения в последнее уравнение и получим уравнение энтальпии I( в кДж/кг сухого воздуха):

.

Отсюда следует, что энтальпия является функцией влагосодержания и температуры t.I = f (

Характеристики исходного воздуха берут по справочникам.

Например: для СПб

	tср	φ
январь	-7,7ᵒС	87%
июль	17,5ᵒС	69%

Все остальные данные возможно получить из диаграммы Рамзина.

Диаграмма состояния влажного атмосферного воздуха I – x (Диаграмма Рамзина Л.К)

Рамзин Л.К проанализировал метеорологические данные для центральных районов и установил, что среднее барометрическое давление за несколько десятков лет оказалось П=745 мм рт.ст. и на это давление он построил свою диаграмму в 1918 г. (кроме того это удобно, т.к. физическое атмосферное давление 760 мм.рт.ст, а техническое 735 мм рт.ст.) В 1923 г. опубликована аналогичная диаграмма Молье.

Угол между координатными осями 135⁰. Для удобства расчетов на диаграмме нанесена вспомогательная ось Х, проведенная под углом 90 ⁰.На диаграмме построены: линии постоянного влагосодержания (х=const) –вертикальные прямые, параллельные оси ординат; линии постоянной энтальпии (I = const) – линии параллельн оси абсцисс (угл 135⁰); линии постоян. температур t=сonst – линии, идущие с некоторым наклоном; линии парциальных давлений водяного пара p= const; линии постоянной относительной влажности – расходящийся пучок кривых.

При t = 99.1ᵒC – температуре кипения воды при П= 745 мм.рт.ст кривые φ имеют резкий перелом и идут почти вертикально вверх параллельно ординате соответственно x=const. Это объясняется тем, что при t ≥99.1 ⁰С парциальное давление насыщенного пара, находящегося в воздухе, равно общему давлению, т.е. П= , и согласно уравнению , и

Состояние влажного воздуха характеризуется на диаграмме точкой, где пересекаются характеристики t, φ, x, I.

Для примера определим по Диаграмме t, φ, x, I и парциальное давление водяного ипара при t = 60⁰С и φ = 30%. По этим двум координатам находим точку пересечения. Этой точке соответствуют: энтальпия I = 166 кДж/кгсухого воздуха, влагосодержание х = 0,04 кг/кг сухого воздуха. Проектируя полученную точку на линию парциального давления водяного пара, которая находится внизу диаграммы,получается р = 5,86 кПа (44 мм рт ст).

Схема конвективной сушильной установки

1 - вентилятор нагнетательный, 2 - подогреватель воздуха (калорифер)

3 – сушилка, 4 – циклон, 5 - вытяжной вентилятор

В обычной схеме применение двух вентиляторов обеспечивает давление в сушилке, равное внешнему атмосферному давлению в помещении и производстве. В средней части можно сделать отверстие (лаз, двери) для разгрузки материала и из этого проёма не будет (практически) выходить тёплый воздух и не будет засасываться воздух из цеха. Такое место в установке носит название нулевой точки.

Если работать только с одним нагнетательным вентилятором, то из всех не плотностей сушилки будут выдуваться струйки воздуха (пыльного или содержащего пары влаги, растворителя, теплого), что недопустимо. Если работать только с одним отсасывающим вентилятором, то во все щели аппарата будет засасываться воздух из цеха.

Схема с одним 5 вентилятором применяется при сушке ядовитых веществ (токсичных) и при сушке дымовыми газами. Если материал не пылит, естественно циклон не нужен. Если из материала удаляется ценный или токсичный растворитель, применяют сушку под вакуумом, и тогда вместо циклона может стоять, например, конденсатор. Обычно скорость воздуха в сушилке 3-5 м/с, а при высушивании порошкообразных материалов 0,5-1 м/с.

Материальный баланс сушильного аппарата

1. Общий материальный баланс

G_нач - масса материала, поступающего на сушку (с начальной влажностью) кг /с;

G_кон - масса сухого материала (с конечной влажностью) кг/ с;

W - масса испарившейся влаги, кг/ с . Баланс по абсолютно сухому веществу (количество которого не меняется в процессе сушки):

G_нач (1 - = G_кон (1 - )

Из этих уравнений количество высушенного материала:

G_кон

Количество испаренной влаги: - u в долях единицы,

если в %, то

Влажность материала может выражаться как на общую массу, так и на абсолютно сухое вещество.

1. Влажность на общую массу:

W - количество влаги в материале.

2. Влажность материала может быть выражена в долях от массы абсолютно сухого вещества:

Тогда баланс:

и количество испаренной при сушке влаги:

Расход воздуха на сушку.

Для теплового расчета сушилки необходимо знать расход воздуха на сушку, который определяется из баланса по влаге. Если на сушку расходуется L кг/с абсолютно сухого воздуха и влагосодержание влажного воздуха на входе в сушилку х_о кг/кг сухого воздуха, а на выходе из сушилки х₂ кг /кг сухого воздуха, то с воздухом поступает L х_о кг /с влаги, а с отработанным воздухом уходит L х₂ кг /с влаги, и из материала испаряется кг/с влаги.

Следовательно баланс сушилки по влаге имеет вид: L х_о + = L х₂

Откуда расход воздуха: L = х₂ - х_о ).

Удельный расход воздуха (на 1 кг испаренной влаги) составит:

Для выноса из сушилки 1 кг влаги требуется l(эль) кг абсолютно сухого воздуха.

(удельный расход воздуха)

Если за 1 с испаряется W кг влаги/с, то тогда расход воздуха за 1 с будет

l = L / W= 1 / ( х₂ - х_о) Таким образом, удельный расход воздуха зависит только от разности влагосодержаний отработанного и свежего воздуха.

Тепловой баланс конвективной сушилки

Приход теплоты:

От греющего пара в калорифере -

С сушильным агентом -

С влажным материалом (как сумма высушенного материала и испаренной влаги):

С высушенным материалом -

С влагой, испаряемой из материала -

С транспортными устройствами –

Расход теплоты:

С сушильным агентом -

С высушенным материалом -

С транспортными устройствами -

Потери теплоты в окружающую среду -

Уравнение теплового баланса :

Решим это уравнение относительно теплоты, подводимой к калориферу:

Для сравнения работы сушилок различной конструкции удобно тепловой баланс составить на 1кг испаренной влаги, для этого разделим все члены балансового уравнения на W:

обозначим через

Все тепло q воздух получает в подогревателе (калорифере) при нагреве его от

I₀ до I₁ , представим удельный расход воздуха в калорифере:

= | : на l

=

= - уравнение теплового баланса реальной сушилки. Это уравнение является основной формулой теплового баланса конвективных сушилок.

Часто для предварительных расчётов или приближенных пренебрегают относительно небольшой величиной , и тогда

- уравнение теоретической сушилки. Процесс сушки в ней протекает адиабатически при постоянной энтальпии воздуха: испаряемая из материала влага вносит в воздух ровно столько теплоты, сколько воздух отдает, охлаждаясь, на испарение влаги.

Удельный расход теплоты в теоретической сушилке:

Общий расход теплоты:

Лекция2 Изображение и анализ основных вариантов сушки на диагрмма J-x . Определение удельного расхода воздуха и тепла в теоретической сушилке на J-x диаграмме. Изображение на J-x диаграмме процесса в действительной сушилке. Движущая сила процесса сушки. Кинетика процесса сушки.

Изображение и анализ основных вариантов сушки на диаграмме j-X .

1. Нормальный(основной) вариант теоретической сушилки.

Точка А характеризует состояние атмосферного воздуха.

Нагрев воздуха в подогревателе осуществляется однократно по линии x=const (АВ).

Точка В – x греющий воздух, поступающий в сушилку.

В теоретической сушилке процесс сушки (состояние воздуха в сушилке) идет по линии I=const (BC).

Точка С характеризует воздух, покинувший сушилку.

2. Вариант с промежуточным подогревом воздуха.

По второму варианту используется несколько калориферов (на схеме показано два). Атмосферный воздух нагревается в первом калорифере не до высокой температуры (линия АВ), затем воздух поступает в сушилку и сушит материал (ВСˊ), понижая свою температуру, но при неизменном I, т.к. тепло, отдаваемое им материалу, возвращается в виде теплоты испарения влаги из материала. Затем следует вторичный подогрев(СˊВˊ) при x=const и снова проходит над материалом во второй части сушилки (ВˊС). По сравнению с нормальным сушильным вариантом, изображенным на том же рис. (АВˊˊС), температура поступающего в сушилку воздуха ниже (t₁ ˂ t₁^ˊˊ ) и более высокую относительную влажность.

Второй вариант обеспечивает более мягкие, более замедленные условия сушки. Естественно размеры сушилок по второму варианту больше, чем при работе в тех же условиях по первому варианту. Расходы воздуха и теплоты при этом варианте сушки будут такими же как и при нормальном суш.вар., поскольку начальные и конечные условия I₀, х₀, и I₂, х₂ одинаковы.

3. Вариант сушки с рециркуляцией части отработанного воздуха. Схема установки представлена на рис.

Здесь АМ – процесс смешивания отработанного и атмосферного воздуха; МВ- прогрев воздуха в калорифере; ВС- сушка. Для построения точки М, хар состав смеси, рассчитывают х_см и I_см по правилу аддитивности.

φ степень рециркуляции отработанного воздуха.

По 3 варианту обеспечиваются еще более мягкие условия сушки, чем по 2 варианту.

Размеры сушилок по 3 варианту больше, чем по 2. Эффективность работы сушилки компенсируется большей скоростью воздуха над материалом.

Расход воздуха и тепла при проведении сушки различными вариантами.

Расход воздуха и тепла в теоретической сушилке зависит лишь от параметров воздуха, атмосферного и покидающего сушилку. Следовательно, если по всем трем вариантам будут одинаковые, то и расход воздуха и тепла будут одинаковые.

Если же при процессе с рециркуляцией воздуха удастся повысить абсолютное содержание влаги в воздухе (), т.е. эффективность использования воздуха при одном и том же I₂ оказывается больше, т.е. тогда уменьшится расход воздуха и тепла, но зато возрастет расход электроэнергии за счет перекачки больших объемов воздуха.