3.2. Экспериментальные методы и их применение
Сушка материалов — это критически важный процесс в различных отраслях промышленности, включая химическую, пищевую, фармацевтическую и древесно-обрабатывающую. Основная цель сушки — удаление влаги из продукта, что необходимо для увеличения срока его хранения, улучшения внешнего вида, уменьшения массы и объема для транспортировки. Экспериментальные методы сушки разнообразны и выбираются в зависимости от типа материала, его свойств и требуемых характеристик конечного продукта.
Типы экспериментальных методов сушки
Конвективная сушка — самый распространенный метод, при котором горячий воздух или газ циркулирует вокруг материала, унося с собой влагу. Применяется в сушилках различных конструкций: шкафные, туннельные, барабанные. Этот метод хорошо подходит для сельскохозяйственной продукции, дерева и керамики.
Вакуумная сушка — используется для материалов, которые могут быть повреждены высокой температурой. Сушка в вакууме позволяет удалять влагу при более низких температурах, что предотвращает термическое разложение. Широко применяется в фармацевтической и химической промышленности.
Лиофильная сушка (сублимационная) — метод, при котором вода из замороженного продукта удаляется путем сублимации под вакуумом. Этот способ идеален для высокочувствительных продуктов, таких как биологические ткани, некоторые химические вещества и высококачественные пищевые продукты.
Инфракрасная сушка — метод, при котором тепло передается прямым излучением от источника к материалу, что ускоряет процесс сушки. Используется для сушки пищевых продуктов, текстиля и бумаги.
Микроволновая сушка — применяется микроволновое излучение для генерации тепла непосредственно внутри материала, что позволяет очень быстро удалять влагу. Особенно эффективна для сушки пищевых продуктов и керамики.
Сушка распылением — метод, при котором жидкий или пастообразный продукт распыляется в горячий воздух, образуя мелкие капли, которые быстро высыхают, формируя порошкообразный продукт. Широко используется в пищевой и фармацевтической промышленности для производства ингредиентов, добавок и лекарств.
Каждый из этих методов имеет свои преимущества и ограничения, и выбор конкретного метода зависит от множества факторов, включая экономические соображения, требования к качеству продукта и экологические нормы. Например, конвективная сушка может быть неэффективна для очень влажных или термолабильных материалов, тогда как лиофильная или вакуумная сушка предоставляют более мягкие условия сушки.
В области экспериментальных методов сушки продолжаются исследования по повышению энергоэффективности и сокращению времени обработки. Например, разрабатываются комбинированные методы сушки, которые объединяют преимущества нескольких подходов, таких как микроволновая и конвективная сушка. Это позволяет достигать высокой скорости сушки при сохранении качества продукта.
Экспериментальные методы сушки материалов играют важную роль в промышленной обработке. Благодаря постоянному развитию и оптимизации этих методов удается достигать высоких показателей эффективности и качества конечных продуктов. Совершенствование технологий сушки остается актуальной задачей для ученых и инженеров, стремящихся к созданию более устойчивых и экономически выгодных производственных процессов.
Тонкий слой относится к слою достаточно малой толщины продукта, чтобы можно было считать, что характеристики воздуха повсюду в слое одинаково однородны без отклонений. Процесс сушки тонкого слоя также относится к сушке отдельных частиц или зерен материала, которые полностью подвергаются воздействию воздуха. Процесс часто разделяют на два периода сушки: период постоянной скорости сушки и период падающей скорости сушки.
Рисунок 6 – Кривые соотношения влажности и времени сушки под влиянием предварительной обработки при сушке в псевдоожиженном слое (FBD) при 50 °C ( a ), 60 °C ( b ) и 70 °C ( c ).[6]
В период сушки с постоянной скоростью материал содержит так много воды, что существуют жидкие поверхности, которые высыхают аналогично открытому водоему. Вода и ее среда, а не твердая среда, будут определять скорость высыхания. Влажный песок, почва, пигмент и промытые семена являются примерами материалов, которые изначально высыхают с постоянной скоростью. Радиация, проводимость или конвекция обеспечивают энергию, необходимую для сушки.
Период скорости падения ограничен равновесным содержанием влаги на кривой равновесной влажности между нулевой и почти 100% относительной влажностью. Сушка в период снижения скорости включает в себя два процесса, а именно: перемещение влаги внутри материала к поверхности и удаление влаги с поверхности. Кроме того, тонкослойную сушку можно рассматривать как сушку одного слоя частиц или срезов образца в обильной подаче сушильного воздуха с соответствующими физическими характеристиками.[9]
Рисунок 7 – Кривые зависимости скорости сушки от отношения влаги (MR) под влиянием предварительной обработки при сушке в псевдоожиженном слое (FBD) при 50 °C ( a ), 60 °C ( b ) и 70 °C ( c ) .
Тонкослойная сушка также описывается как процесс удаления влаги из пористой среды путем испарения, при котором избыток осушающего воздуха пропускают через тонкий слой материала до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное содержание влаги.[11]
Теоретические модели учитывают только внутреннее сопротивление переносу влаги, в то время как две другие категории рассматриваются для изучения внешнего сопротивления переносу влаги между воздухом и продуктом. Теоретические модели основаны на втором законе диффузии Фика. В то время как полутеоретические модели обычно выводятся из второго закона Фика и его модификаций, а также из закона охлаждения Ньютона. Второй закон диффузии Фика является наиболее часто используемой теоретической моделью. Теоретические модели неадекватны, имеют тенденцию давать ошибочные результаты и сложны для практического применения. Теоретические модели делают слишком много допущений, что приводит к значительному количеству ошибок, что ограничивает их использование при проектировании сушилок. Теоретическое уравнение дает лучшее понимание процессов переноса, но эмпирическое уравнение лучше соответствует экспериментальным данным без какого-либо понимания вовлеченных процессов переноса.
Эмпирический метод – метод, основанный на экспериментальных данных и безразмерном анализе. Эмпирические модели сушки показывают прямую зависимость между средним содержанием влаги и временем сушки. Однако этот метод упускает из виду основы процесса сушки, а его параметры не имеют физического смысла, поэтому он не дает точного представления о важных процессах, происходящих во время явления, при описании кривых сушки для определенных экспериментальных условий. Эмпирические модели не учитывают основы процесса сушки и способны объяснить только кривую сушки для условий сушки, но не процессы, происходящие при сушке. Эмпирические модели помогают понять тенденцию как зависимых, так и независимых переменных эксперимента/процесса. Основные проблемы, с которыми сталкиваются эмпирические модели, заключаются в том, что они во многом зависят от экспериментальных данных и предоставляют ограниченную информацию о тепло- и массопереносе в процессе сушки.[4]
Рисунок 8 – График зависимости экспериментального коэффициента влажности от прогнозируемого коэффициента влажности предварительно обработанных и небланшированных листьев моринги при 50 ° C с использованием модели Мидилли-Кучука для сушки в псевдоожиженном слое.
Полутеоретические модели были разработаны для облегчения использования и соответствия данным сушки пищевого материала, подлежащего сушке. Большое внимание было уделено разработке полутеоретических моделей для достижения гармонии между теорией и простотой использования. Такие модели обычно основаны на законе охлаждения Ньютона, применяемом к массопереносу. При применении этого закона предполагается, что условия изотермические и сопротивление влагопереносу ограничено только поверхностью изделия. Полутеоретические модели представляют собой упрощенные решения общего ряда второго закона Фика. Однако эти модели работают только тогда, когда температура, относительная влажность, скорость воздуха и влажность находятся в диапазоне, для которого разработаны модели. Требуемое время меньше, а форма высушенного материала не учитывается в полутеоретических моделях.[7]
Рисунок 9 - Потребление энергии при различных предварительных обработках и температурах сушки в сушилке с псевдоожиженным слоем
Рисунок 10 – Удельный расход энергии при различных предварительных обработках и температурах сушки в сушилке с псевдоожиженным слоем
Сфера экспериментальных методов сушки постоянно развивается благодаря инновациям, направленным на повышение эффективности и снижение воздействия на окружающую среду. Одним из перспективных направлений является разработка и внедрение энергосберегающих технологий, таких как использование возобновляемых источников энергии для процессов сушки. Так, солнечные сушилки становятся все более популярными в регионах с высокой солнечной активностью, позволяя снижать зависимость от традиционных источников энергии.
Для оптимизации процессов сушки разрабатываются адаптивные системы управления, которые могут автоматически корректировать параметры процесса в реальном времени на основе данных от датчиков влажности и температуры. Это не только улучшает качество конечного продукта, но и способствует экономии энергии, так как система адаптируется к изменяющимся условиям внешней среды и свойствам сушащегося материала.
В ответ на потребности многоотраслевого производства, инженеры разрабатывают мультифункциональные устройства, которые могут выполнять несколько типов сушки в одном агрегате. Например, современные сушильные установки могут комбинировать инфракрасную, конвективную и микроволновую сушку. Такие устройства предлагают гибкость в обработке различных типов материалов и могут быть настроены для оптимального режима в зависимости от специфических требований к каждому продукту.
Экологические вопросы оказывают значительное влияние на разработку технологий сушки. Инженеры и ученые стремятся сократить выбросы углекислого газа и других вредных веществ, возникающих в процессе сушки, через использование очистных установок и более эффективных систем вентиляции. Внедрение замкнутых систем, которые минимизируют потери тепла и воды, также способствует снижению экологического воздействия.
Несмотря на значительный прогресс в методах сушки, остаются проблемы, такие как необходимость дальнейшего снижения энергопотребления и улучшение управляемости процессов. Производители и исследователи также сталкиваются с задачей обеспечения равномерности сушки при масштабировании процессов, что особенно актуально для крупных производственных линий.
Экспериментальные методы сушки материалов продолжают развиваться, приспосабливаясь к изменяющимся технологическим, экономическим и экологическим условиям. Успех в этой области зависит от интеграции новых технологий, глубокого понимания физических процессов и активного внедрения инноваций. Продолжающиеся исследования и разработки в области сушки материалов открывают новые возможности для повышения эффективности производственных процессов и улучшения качества продукции, что оказывает значительное влияние на многие отрасли промышленности.