Сушіння

сушіння

Сушіння

видалення рідини, зазвичай води, із твердих, рідких та газоподібних речовин. Як правило, сушіння видаляє вологу, яка зв’язується з матеріалом фізично хімічно (адсорбцією або осмосом) та механічно (волога в макрокапілярах та мі-крокапілярах). Вологість, яка пов’язана хімічно, неможливо видалити висушуванням. Метою сушіння є збереження фізико-хімічних властивостей матеріалів, забезпечення у багатьох випадках збереження матеріалів протягом тривалого періоду та усунення зайвої ваги при транспортуванні. У промисловості сушіння вологих твердих матеріалів зазвичай проводиться під час підготовки матеріалів до переробки, використання або зберігання.

Сушка - це процес, що супроводжується тепло- і масообміном між сушильним агентом, наприклад, повітрям або димовими газами, та вологою матеріалу, що сушиться. Тиск пари рідини на поверхні твердого матеріалу зростає із збільшенням температури, і пара дифундує в потік осушувача. Градієнт концентрації вологи у матеріалі, що виникає в результаті цього процесу, змушує вологу рухатися з глибоких шарів на поверхню зі швидкістю, що залежить від характеру зв'язку між вологою та матеріалом. При природному сушінні, де немає примусового руху сушильного агента (вільне випаровування), процес протікає повільно; це прискорюється, коли нагрітий потік сушильного агента протікає повз матеріал, тобто коли застосовується штучна сушка. Ця стаття стосуватиметься лише штучного сушіння та різних типів промислових сушарок.

Вибір умов сушіння, таких як температура, тиск і швидкість сушіння, залежить від фізико-хімічних властивостей матеріалу, що сушиться. Серед властивостей, які слід враховувати, - схильність до стискання (деревина), утворення товстих кірок на поверхні (певні солі) та збільшення крихкості або термостійкості (папір).

Залежно від способу теплопостачання сушарки класифікують на конвекційні (прямий контакт між матеріалом, що сушиться, і потоком попередньо нагрітого сушильного агента), контактний (контакт між матеріалом, що сушиться, і нагрітою поверхнею), заморожування (видалення вологи в замерзлий стан під вакуумом), діелектрична теплота (видалення вологи під дією високочастотних електричних полів) і промениста енергія (висихання від інфрачервоного випромінювання).

Конвекційні сушарки різної конструкції (купе, поворотні, пневматичні, киплячий шар, розпилювач) широко використовуються в промисловості. У базовому типі конвекційної сушарки (рис. 1, а) сушильний агент, який спочатку нагрівається в нагрівачі до гранично допустимої температури, проходить через сушарку і безпосередньо контактує з матеріалом, що сушиться (харчові продукти, ліки, хімічні сполуки). Сушильний агент нагрівається і пропускається через сушарку лише один раз, що є відмінною рисою цього типу сушарки.

У сушильних матеріалах, які не є термостабільними, наприклад, поліетилені, сушильний агент лише частково нагрівається в основному нагрівачі, а потім подається в сушильну камеру при температурі, допустимій для матеріалу, що сушиться. Агент отримує баланс тепла, необхідного для сушіння, за допомогою додаткових нагрівачів, встановлених в сушильній камері.

Сушарки, в яких частина нагрітого повітря рециркулює (рис. 1, б), часто використовуються для сушіння таких матеріалів, як дерево та формовані керамічні вироби. Рециркуляція повітря зменшує різницю в температурі та вмісті вологи між повітрям на вході та виході сушарки та забезпечує більш рівномірне сушіння. Сушарки, в яких закриті циркулюють інертні гази або повітря, використовуються для сушіння легкозаймистих та вибухонебезпечних матеріалів або для вилучення цінних продуктів (спиртів, ефірів) із матеріалу, що сушиться. Дизайн сушарки залежатиме від поставленого завдання.

Ротаційні сушарки - використовуються для сушіння тонкодисперсних та сипучих матеріалів (азотні добрива, пірити заліза, хлорид калію, зерно) - складаються з циліндра, що має внутрішні прольоти для душу та змішування матеріалу для поліпшення контакту з сушильним агентом (Рисунок 2) . Циліндр встановлений або горизонтально, з виступаючими кільцями, що спираються на опорні ролики, або з невеликим нахилом

(0,5 ° –3 °). Діаметр циліндра може становити 3500 мм, а довжина в 3,5–7 разів перевищує діаметр. Циліндр обертається повільно (0,5–8 об/хв).

Пневматичні сушарки - для сушіння зернистих матеріалів (вугілля, адипінова кислота) потоком гарячого сушильного агента - складаються з цільної або секційної вертикальної транспортувальної труби (рис. 3). Сушильний матеріал переміщується по каналу потоком сушильного агента, швидкість якого перевищує швидкість вільного падіння найбільших гранул (зазвичай 10–40 м/сек). Лаконічність контакту (1–5 сек) робить цю сушарку придатною для матеріалів, які не є термостабільними, навіть коли сушильний агент знаходиться при високій температурі.

У сушарках з псевдозрідженим шаром, завдяки можливості інтенсивного змішування матеріалу та прискореного тепло- та масообміну, сушильний агент можна використовувати при підвищених температурах. Поєднуючи простоту конструкції з високою продуктивністю та простотою автоматизації, ці сушарки знайшли широке застосування в хімічній промисловості та кольоровій металургії.

Розпилювальні сушарки застосовуються для сушіння рідких речовин підвищеної в'язкості (молоко, кров, альбумін), які розпорошуються в струмінь гарячого сушильного агента (рисунок 4). Через велику площу поверхні

розпиленого матеріалу, процес випаровування вологи інтенсивний, а час висихання короткий (15–30 сек). При надзвичайно швидкому висиханні температура поверхні частинок наближається до температури адіабатичного випаровування чистої рідини, навіть коли сушильний агент знаходиться при високій температурі. Сушильний матеріал у формі емульсій, суспензій або розчинів розпорошується механічними або пневматичними форсунками. Сушарки оснащені блоками для захоплення захоплених частинок матеріалу, що сушиться.

Суцільні лоткові сушарки застосовуються для сипучих та волокнистих матеріалів (штучні волокна, певні полімери). Тут матеріал, що сушиться, рухається по нескінченному ремені (або по декількох послідовно розташованих ременях), натягнутих між приводним барабаном і приводним барабаном (рис. 5). Сушіння здійснюється гарячим повітрям або димовими газами, які рухаються або паралельно, або перпендикулярно стрічці.

Контактні сушарки, такі як барабанні сушарки, використовуються для сушіння рідких матеріалів та паст (ксантатів лужних металів) при атмосферному тиску або під вакуумом. Барабанні сушарки включають однобарабанні та двобарабанні типи, головним компонентом яких є барабан, що повільно обертається (2–10 об/хв), в який пара подається через порожнистий журнал і з якого видаляється конденсат. Сушильний матеріал наносять на поверхню барабана у вигляді тонкої плівки (1–2 мм) і після висихання видаляють ножем. Однобарабанні та двобарабанні вакуумні сушарки показані на рисунку 6.

Ліофільні сушарки використовуються для сушіння харчових продуктів та лікарських препаратів (антибіотиків, плазми крові) при збереженні основних біологічних властивостей матеріалу. Тут волога видаляється в замороженому стані під вакуумом (залишковий тиск 6,65–332,5 ньютонів/м 2, або 0,05–2,5 мм рт. Ст.) При температурі приблизно 0 ° C. Більша частина вологи (60–85 відсотків) випаровується в камері, а решта кількість видаляється

сушіння у вакуумі із залученням тепла (при температурі 30 ° -45 ° C). Тепло, необхідне для сушіння, подається до матеріалу від гарячих поверхонь або випромінювання від нагрітих екранів. Оскільки при сублімаційній сушці не відбувається окислення з атмосферного кисню і не змінюються розміри продукту, можна отримати високоякісні продукти, які наближаються до свіжих продуктів за органолептичними показниками та вмістом вітамінів та запашних та інших речовин.

Діелектричні теплові сушарки застосовуються головним чином для сушіння матеріалів, що мають високу стійкість до внутрішнього руху вологи (олівці, тонкі ливарні форми). Високочастотні струми, що виробляються спеціальними генераторами, використовуються для нагрівання матеріалу, що сушиться, по всій товщині матеріалу, тим самим прискорюючи процес сушіння. Можна регулювати температуру та вміст вологи по всьому об'єму матеріалу. Під дією високочастотних електричних полів іони та електрони в матеріалі змінюють напрямок руху синхронно із зміною знака заряду на пластинах конденсатора, молекули диполів набувають обертального руху, а неполярні молекули поляризуються внаслідок зміщення їх заряду. Ці процеси, що супроводжуються внутрішнім тертям, призводять до виділення тепла та потепління висушеного матеріалу. Цей тип сушіння можна використовувати для пластмас, гумових виробів та інших матеріалів, що мають діелектричні властивості.

Сушка твердих матеріалів є загальним процесом у хімічній, харчовій, паперовій, деревообробній, будівельних, шкіряній та текстильній промисловості. У ливарних роботах сушка використовується для зміцнення та надання необхідних фізико-механічних властивостей прес-формам і стрижням, а також для усунення надлишкової вологи з фарб і полірувальних матеріалів, нанесених на поверхню форм і стрижнів. Сушіння рідин здійснюють за допомогою осушувачів, таких як фосфорний ангідрид, концентрована сірчана кислота та безводний хлорид кальцію, які не вступають в реакцію з водосвязуючими рідинами, що сушаться.

Сушіння газів (повітря, димові гази) здійснюється головним чином методами поглинання та адсорбції. Метод поглинання заснований на поглинанні (розчиненні) вологи з газів з використанням рідких розчинників (абсорбентів), які не реагують хімічно на газ, що сушиться. Загальновживані абсорбенти включають розчини діетиленгліколю, триетиленгліколю, гліцерину, хлористого кальцію та їдких лугів, хоча використання хлористого кальцію обмежене через корозійну дію на обладнання. Системи для сушіння газів шляхом поглинання включають поглиначі, десорбери, різні теплообмінні агрегати та насоси для витіснення розчинів.

Методи адсорбції засновані на адсорбції вологи з газів твердими речовинами з високою пористістю, відомими як адсорбенти, серед яких боксити, активований глинозем, силікагель та цеоліти (молекулярні сита). Ці адсорбенти легко регенеруються, і вони адсорбують 3–12 відсотків вологи (за вагою). До адсорбційних установок для сушіння газів належать адсорбери, заповнені сорбентом, та теплообмінне обладнання (нагрівачі, охолоджувачі). Десорбція вологи (регенерація) здійснюється продуванням потоку гарячого газу або перегрітої пари через шар насиченого адсорбенту.

Інші методи сушіння газів засновані на конденсації або вимерзанні вологи зі зниженням температури. Ці методи проводяться в теплообмінниках, що працюють по черзі, де газ охолоджується водою або низькотемпературним теплоносієм; в останньому випадку волога, що міститься в газі, випадає в осад у вигляді снігу або морозу. Підвищення тиску сприятливо впливає на висихання газів методом охолодження.

Гази іноді сушать, вводячи їх у контакт із твердими гігроскопічними речовинами, зокрема, їдким калієм або їдкою содою. Тут висушені гази пропускають через агрегати, заповнені абсорбентом. Сушіння газів часто передує їх фракціонуванню методами ректифікації або часткової конденсації, а також транспортуванню паливних газів по трубопроводах.

ЛІТЕРАТУРА

Сушіння

Сушіння твердих речовин

При сушінні твердих речовин бажаний кінцевий продукт знаходиться у твердій формі. Таким чином, навіть незважаючи на те, що тверда речовина спочатку знаходиться у розчині, проблема виробництва цієї твердої речовини у сухому вигляді класифікується під цією рубрикою. Кінцевий вміст вологи в сухих твердих речовинах зазвичай становить менше 10%, а у багатьох випадках менше 1%.

Механізм висихання твердих речовин досить простий у концепції. Коли сушіння здійснюється нагрітими газами, у найбільш загальному випадку волога тверда речовина починає сохнути так, ніби вода присутня одна без жодної твердої речовини, а отже, випаровування протікає так само, як і з так званої вільної поверхні води, тобто як вода, що стоїть у відкритій каструлі. Отже, період або стадія сушіння на цій початковій фазі зазвичай називають періодом з постійною швидкістю, оскільки випаровування відбувається з постійною швидкістю і не залежить від присутності твердої речовини. Наявність будь-яких розчинених солей призведе до того, що швидкість випаровування буде меншою, ніж у чистої води. Проте ця нижча норма все ще може бути постійною на перших етапах сушіння.

Фундаментальна теорія сушіння залежить від знання сил, що регулюють потік рідин всередині твердих речовин. Були зроблені спроби розробити загальну теорію сушіння на основі того, що рідини рухаються всередині твердих речовин дифузійним процесом. Однак це не так у всіх випадках. Насправді лише в обмеженій кількості типів твердих речовин відбувається справжня дифузія рідин. У більшості випадків механізм внутрішнього потоку є результатом комбінації сил, яка може включати капілярність, внутрішні градієнти тиску, спричинені усадкою, послідовність потоку пара-рідина, спричинену градієнтами температури, дифузією та осмосом. Через складність механізму внутрішнього потоку не вдалося виробити узагальнену теорію сушіння, застосовну до всіх матеріалів. Лише під час сушіння деяких сипучих предметів, таких як дерево, кераміка та мило, було отримано значне розуміння внутрішнього механізму, що дозволяє контролювати якість продукції.

Більшість досліджень сушіння були проведені з так званої зовнішньої точки зору, в якій вивчаються ефекти зовнішнього середовища сушіння, такі як швидкість повітря, вологість, температура та форма та розділення вологого матеріалу щодо їх впливу на швидкість сушіння. Результати таких досліджень зазвичай подаються у вигляді кривих швидкості висихання, і характер цих кривих використовується для інтерпретації механізму сушіння.

Коли матеріали сушать у контакті з гарячими поверхнями, що називається непрямим висушуванням, вологість повітря та швидкість повітря можуть більше не бути важливими факторами, що контролюють швидкість. "Доброта" контакту між вологим матеріалом та нагрітими поверхнями, плюс температура поверхні, буде контролювати. У деяких випадках це може включати перемішування вологого матеріалу.

Сушильне обладнання для твердих речовин можна зручно згрупувати у три класи на основі методу передачі тепла для випаровування. Перший клас називають прямими сушарками; другий клас, непрямі сушарки; і третій клас, радіаційні сушарки. Пакетні сушарки обмежені малою ємністю та тривалим часом сушіння. Більшість промислових операцій сушіння виконують у сушарках безперервної дії. Велика кількість різних типів сушарок відображає зусилля, спрямовані на обробку більшої кількості вологих матеріалів таким чином, що призводить до найбільш ефективного контакту із середовищем, що сушить. Таким чином, торти, пасти та подібні матеріали, виготовлені дрібно, можуть бути висушені в рази швидше у сушарках безперервної циркуляції, ніж у сушарках для періодичних лотків. Подібним чином матеріали, які розпилюються з утворенням невеликих крапель, як при розпилювальній сушці, висихають набагато швидше, ніж при циркуляційній сушці.

Сушіння газів

Часто необхідне видалення 95–100% водяної пари з повітря або інших газів. Гази, що мають точку роси -40 ° C, вважаються комерційно сухими. Найважливішими причинами видалення водяної пари з повітря є (1) комфорт, як у кондиціонері; (2) контроль вологості виробничої атмосфери; (3) захист електрообладнання від корозії, короткого замикання та електростатичних розрядів; (4) потреба у сухому повітрі для використання в хімічних процесах, де волога, присутня в повітрі, негативно впливає на економічність процесу; (5) запобігання адсорбції води при пневматичному транспортуванні; та (6) як передумова зрідження.

Гази можуть бути висушені наступними процесами: (1) поглинання за допомогою розпилювальних камер з такими органічними рідинами, як гліцерин, або водних розчинів солей, таких як хлорид літію, а також за допомогою упакованих колон з противотоком сірчаної кислоти, фосфорної кислоти, або органічні рідини; (2) адсорбція з використанням твердих адсорбентів, таких як активований глинозем, силікагель або молекулярні сита; (3) стиснення до парціального тиску водяної пари, що перевищує тиск насичення, для здійснення конденсації рідкої води; (4) охолодження нижче точки роси газу поверхневими конденсаторами або розпилювачами холодної води; та (5) стиснення та охолодження, при яких рідкі осушувачі використовуються в безперервних процесах у розпилювальних камерах та упакованих вежах - тверді осушувачі, як правило, використовуються в періодичній операції, яка вимагає періодичного переривання для регенерації відпрацьованого осушувача.

Осушувачі класифікуються як тверді адсорбенти, які видаляють водяну пару явищами поверхневої адсорбції та капілярної конденсації (силікагель та активований глинозем); тверді абсорбенти, які видаляють водяну пару хімічною реакцією (плавлений безводний сульфат кальцію, вапно та перхлорат магнію); розмиті абсорбенти, які видаляють водяну пару хімічною реакцією та розчиненням (хлорид кальцію та гідроксид калію); або рідкі абсорбенти, які шляхом абсорбції видаляють водяну пару (сірчана кислота, розчини хлориду літію та етиленгліколь).

Механічні методи сушіння газів, стиснення та охолодження та охолодження використовуються у великомасштабних операціях і, як правило, є більш дорогими методами, ніж методи використання осушувачів. Такі механічні методи застосовуються, коли потрібно стиснення або охолодження газу.

Рідкі осушувачі (концентровані кислоти та органічні рідини), як правило, є рідинами на всіх стадіях процесу сушіння. До розчинних сикантів (хлорид кальцію та гідроксид натрію) належать ті тверді речовини, які розпливаються у присутності високих концентрацій водяної пари.

Розчинені солі та гідрати, як правило, використовують як концентровані розчини через практичні труднощі при обробці, заміні та регенерації вологих корозійних речовин. Ступінь висихання з розчинами значно менша, ніж з відповідними твердими речовинами; але там, де потрібна лише помірно низька вологість і висушується велика кількість повітря, розчини задовільні. Побачити Фільтрація, тепловіддача, зволоження, експлуатація агрегату