Учебное пособие 800321

Рис. 24. ТВЧ сушилка для дисперсных материалов

Наблюдающаяся при работе сушилки конденсация паров на верхних пластинах контурных конденсаторов, особенно интенсивная при пуске сушилки, приводившая к перекрытиям этих конденсаторов в момент падения капель, надежно блокируется за счет оклеивания верхних пластин асбестовой бумагой, которая, увлажняясь в период пуска, нагревается в высокочастотном поле до температуры, исключающей возможность конденсации паров.

Применение токов высокой частоты позволяет во многих случаях значительно ускорить сушку материалов, однако этот способ требует значительных расходов электроэнергии (от 2,5 до 5 квт-ч на 1 кг испаренной влаги).

99

6. СУБЛИМАЦИОННАЯ (МОЛЕКУЛЯРНАЯ) СУШКА

Механизм сушки. За последние годы получил промышленное применение способ сушки ряда пищевых, медицинских и химических веществ в замороженном состоянии в условиях вакуума (1,0—0,1 мм рт. ст.). Этот способ сушки, называемый сушкой сублимацией, 'позволяет сохранить основные биологические качества сушимого материала, что имеет важное значение для создания запасов ,и сохранения продуктов питания, так как высушенный таким способом материал может сохраняться значительное время.

Метод сушки сублимацией, или молекулярная сушка, впервые был предложен советским инженером Г. И. ЛаппаСтарженецким, получившим в 1921 г. патент на этот метод. Однако из-за недостаточно развитой в то время вакуумной техники и техники получения холода он не получил промышленного распространения.

Сублимацией называется процесс испарения твердого тела без его плавления, минуя жидкую фазу. Применительно к процессу сушки сублимация влажного материала это процесс сушки его в замороженном состоянии (сублимация льда, находящегося внутри материала).

Как известно, состояние воды может определяться тремя фазами: твердой, жидкой и газообразной, которые могут существовать как самостоятельно, так и совместно. Точка одновременного существования трех фаз называется тройной точкой. Для воды она характеризуется температурой 0,0098 °С и парциальным давлением пара 4,58 мм рт. ст. Сублимация происходит при состоянии веществ ниже этой точки на диаграмме. Из этой p-t диаграммы воды (рис. 25) видно, что если нагревать вещество в твердом состоянии при постоянном давлении ниже давления тройной точки, то при достижении линии сублимации произойдет испарение твердого тела, называемое возгонкой или сублимацией. При обратном процессе будет

100

происходить кристаллизация пара без перехода в жидкое состояние.

Рис. 25. p-t диаграмма воды

Первой технологической операцией данного вида сушки является замораживание материала. В зависимости от технологии сушки применяют предварительное замораживание (сушка антибиотиков, некоторых растворов, соков) или самозамораживание.

101

В последнем случае замораживание материала происходит в сушильной камере вследствие интенсивного испарения жидкости в непрерывно повышающемся вакууме.

Для большинства твердых пищевых продуктов этот метод замораживания является наилучшим. При этом не образуются крупные кристаллы льда, которые могли бы изменить структуру тела, замораживание происходит равномерно и быстро. Самозамораживание упрощает технологический процесс, а именно: материал сразу загружается в сушильную камеру и затем начинается откачка парогазовой смеси.

Самозамораживание выгодно и в энергетическом отношении, так как при замерзании жидкости в материале происходит выделение теплоты плавления льда, которая расходуется на сублимацию, что приводит к уменьшению расхода тепла.

Весь процесс сушки можно разделить на три периода:

-период самозамораживания, когда в результате снижения давления в сушильной камере происходит замораживание влаги в материале; при этом резкое снижение давления приводит к интенсивному испарению влаги с поверхности материала; при самозамораживании обычно испаряется до 10— 15 % всей удаляемой влага;

-период сублимации, аналогичный периоду постоянной скорости сушки;

-период испарения остаточной влаги.

Для тех материалов, которые не могут быть заморожены вакуумом (например, некоторые лекарства), применяется предварительное замораживание в холодильниках. Этот процесс может быть проведен отдельно от сушилки, а может происходить непосредственно в сушильной камере.

Процесс переноса влаги при сублимации существенно отличается от переноса влаги при обычных атмосферных способах сушки. При сублимации перенос пара от поверхности испарения происходит путем эффузии, т. е. при таком движении молекул пара, когда они не сталкиваются друг с другом.

102

Достоинством сублимационной сушки материалов являются сохранение основных биологических качеств высушиваемого материала.

Значительные затраты энергии на предварительное замораживание материала, конденсацию паров при низких температурах и вакуумирование обусловливают высокую энергоемкость процесса сублимационной сушки; расход энергии на 1 кг удаляемой влаги в несколько раз больше, чем при других методах сушки. Первоначальная стоимость сушильных установок также весьма велика. По этим причинам сублимационную сушку применяют только для обезвоживания очень ценных термолабильных веществ, сохраняющих свои свойства (например, биологическую активность) только при низких температурах.

Сушильная установка. Рассмотрим устройство ваку- ум-сублимационной сушилки на примере установки для сушки антибиотиков [8] (рис. 26).

Сушильная камера. Чаще всего она оборудована полыми полками в виде плит, которые для заморозки или нагрева препарата могут охлаждаться хладоносителем или нагреваться для подвода тепла сублимации через змеевики, гомогенно вделанные в плиты. При этом система охлаждения — обогрева дает возможность равномерного обогрева всех плит при бесступенчатом регулировании температуры. Когда препарат замораживается непосредственно в сушильной камере, тогда расстояние между полками влияет на быстроту достижения препаратом температуры, требуемой для замораживания. Требуемое расстояние между полками зависит, кроме того, от высоты сосудов (флаконов или ампул), над отверстиями сосудов должно быть оставлено свободное пространство 1—2 см. От расстояния между полками зависит их количество в сушильной камере, и это при данном размере полок определяет общую площадь плит, имеющуюся в распоряжении для размещения сосудов данного диаметра.

103

Рис. 26. Вакуум-сублимационная сушилка для высушивания антибиотиков: 1 – сушильная камера, 2 – плиты с охлаждением и обогревом, 3 – льдоконденсатор, 4 – ротационный вакуум-насос, 5 – ваку- ум-диффузионный насос, 6 – бак для охлаждения хладагента, 7 – бак для нагрева теплоносителя, 8,9 – холодильные установки, 10 - циркуляционный насос

Вакуум-насос для удаления паров воды. Водяной пар,

выделяемый при сушке из замороженного препарата при низкой температуре и соответственно низком остаточном давлении, занимает громадный объем (1 г воды при остаточном давлении 10-2 мм рт. ст. (1,33 Н/м2) занимает объем около 100 000 л). Поэтому только в малых установках сублимационной сушки применяется и является экономичной непосредственная от-

104

качка всех водяных паров и газов вакуум-насосом. Для снижения количества отсасываемых паров применяется, как указывалось, их конденсация на поверхности с очень низкой температурой, на которой вода конденсируется и выпадает в виде льда в форме инея. При этом высвобождается тепло конденсации, эквивалентное количеству тепла, подводимому к замороженному продукту при нагреве плит для компенсации тепла сублимации.

Размер поверхности льдоконденсатора обычно выражают максимальным количеством льда, которое он может принять за один цикл сушки, причем его конструкция имеет существенное значение для его работоспособности. Самая низкая температура, по возможности достигаемая в конденсаторе, определяет соответствующее ей парциальное давление водяного пара, которое может быть достигнуто пароводяным насосом.

Для препаратов, которые должны быть высушены до очень низкой остаточной влажности, температура поверхности конденсатора должна быть особенно низкой. Для удаления остаточных, очень небольших количеств водяного пара при досушивании, которые не могут быть сконденсированы льдоконденсатором, пары удаляются путем откачки вакуумдиффузионным насосом. В подобных установках по окончании основной фазы сушки льдоконденсатор отключается от вакуум-системы и включается вакуум-диффузионный насос, создающий остаточное давление порядка 10-2 - 10-4 мм рт. ст. ), работающий при досушке как пароводяной насос.

Методы расчета подробно изложены в [1, 2, 3].

105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данное учебное пособие содержит сведения об устройстве, принципах работы и методах расчета сушильных установок.

Пособие существенно восполнит имеющиеся пробелы в учебной литературе по аппаратному обеспечению тепломассообменных процессов. Пособие может быть использовано как при изучении лекционного материала, так и при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности «промышленная теплоэнергетика» всех форм обучения.

Последовательное изложение учебного материала должно способствовать глубокому усвоению студентами дисциплины «Тепломассообменное оборудование предприятий» раздела «Сушильные установки».

106

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Лыков А.В. Теория сушки / А.В. Лыков. – М.: Энер-

гия, 1968. 472 с.

2.Лебедев П.Д. Расчет и проектирование сушильных установок: учебник / П.Д. Лебедев. - М.: Госэнергоиздат, 1962. 320 с.

3.Сажин Б.С. Основы техники сушки / Б.С. Сажин. –

М.: Химия, 1984. 320 с.

4.Промышленные тепломассообменные процессы и установки: учебник для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Д. Данилов и др.; под ред. А.М. Бакластова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. 328 с.

5.Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: в 2 т. / Н.И. Гельперин. – М.: Химия, 1981. 812 с.

6.Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки: учебник для студентов технических вузов

/П.Д. Лебедев. М.: Энергия, 1972. 317 с.

7.Рашковская Н.Б. Сушка в химической промышленности / Н.Б. Рашковская. Л.: Химия, 1977. 80 с.

8.Голубев Л.С. Сушка в химико-фармацевтической промышленности / Л.С.Голубев, Б.С.Сажин, Е.Р.Валашек - М.: Медицина, 1978. 93 с.

107

108