Сушка. Сушильные процессы и конструкции сушилок

Реферат

В производстве многих пищевых продуктов сушка, как правило, является обязательной операцией и представляет собой достаточно энергоемкую технологическую стадию процесса. От аппаратурно-технологического оформления и режима сушки зависит в большой степени качество продукта.

Сушке может предшествовать удаление влаги из материалов другими методами, например, отжимом на процессах, центрифугированием. Однако механическим способом может быть удалена только часть свободной влаги.

Сушкой называют процесс удаления влаги из твердых влажных, пастообразных или жидких материалов (суспензий) путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Это сложный тепломассообменный процесс. Скорость его во многих случаях определяется скоростью внутридиффузионного переноса влаги в твердом теле.

Сушке подвергают пищевые материалы, находящиеся в различном агрегатном состоянии, а именно: гранулированные, формованные и зернистые материалы; пастообразные материалы; растворы и суспензии.

Выбор метода сушки и типа сушилки осуществляется на основе комплексного анализа свойств пищевых материалов как объектов сушки.

Наиболее важным отличительными свойствами пищевых материалов, которые следует учитывать при выборе метода сушки, являются низкая теплоемкость, склонность к окислению и деструкции; склонность к короблению и потере товарного вида; неоднородность материала по начальному содержанию воды; наличие активных биохимических и химически активных веществ и ряд других особенностей.

Основными путями интенсификации процессов сушки и повышения экономичности работы сушилок являются:

  • проведение процессов в условиях эффективной гидродинамической обстановки, что позволяет значительно увеличить коэффициенты тепломассоотдачи;
  • применение комбинированных способов подвода теплоты, что позволяет наиболее рационально нагревать материал до температуры сушки;
  • создание комбинированных сушильных агрегатов (например, первая ступень — сушка в разбавленном псевдоожиженном слое, вторая — сушка в псевдоожижающем слое, распылительная сушка в сочетании с сушкой в псевдоожиженном слое и др.);
  • создание сушильных агрегатов с замкнутым циклом теплоносителя.

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают следующие методы сушки:

  • конвективная сушка, или воздушная, сушка — подвод теплоты осуществляется при непосредственном контакте сушильного агента с высушиваемым материалом;
  • контактная сушка — путем передачи теплоты от теплоносителя (например, насыщенного водяного пара) к материалу через разделяющую их стенку;
  • радиационная сушка — путем передачи теплоты инфракрасными излучателями;
  • диэлектрическая сушка (СВЧ — сушка) — путем нагревания материала в поле токов высокой частоты;
  • сублимационная сушка — сушка в глубоком вакууме в замороженном состоянии.

Требования, предъявляемые к выбору рационального метода сушки и типа сушилки, заключается в достижении наивыгоднейших технико-экономических показателей работы сушилки при получении продукта с заданными свойствами, обеспечении надежности работы, снижении или исключении газовых выбросов в атмосферу.

22 стр., 10939 слов

Разработка автоматического управления процесса сушки полидисперсных ...

... является количество подводимого тепла. 1.СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА СУШКИ Сушка - это процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения содержащейся в нем ... процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена). Различают следующие способы подвода теплоты: конвективную сушку, проводимую путем непосредственного контакта материала ...

Метод сушки и тип сушилки для конкретного материала выбирают на основании анализа материала как объекта сушки. Для этого исследуют структуру высушиваемого материала, тепловые и сорбционно-десорбционные характеристики, на основании которых определяют формы связи влаги с материалом, а также адгезионно-когезионные свойства материала.

2 Статистика сушки

Каждый твердый влажный материал способен поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Окружающая влажный материал среда может содержать либо только водяной пар, либо смесь водяного пара с газами. Обозначим парциальное давление водяного пара в смеси с воздухом через pn. Влаге, содержащейся во влажном материале, соответствует определенное давление водяного пара pм, называемое давлением водяного пара во влажном материале.

При контакте материала с влажным воздухом возможны три состояния системы:

1) давление водяного пара во влажном высушиваемом материале pм больше, чем его парциальное давление в окружающем материал воздухе или газе, т.е. pм > pn. В этом случае происходит процесс десорбции влаги из материалов в окружающую среду, т.е. процесс сушки. Давление водяного пара в высушиваемом материале pм зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом;

2) парциальное давление пара в окружающей среде больше, чем его давление во влажном материале, т.е. pn >pм. В этом случае происходит сорбция влаги материалом, т.е. процесс увлажнения материала;

3) давление водяного пара во влажном материале и в окружающей среде равны, т.е. pм = pn. В этом случае наступает динамическое равновесие. Влажность материала, при которой наступает динамическое равновесие, называется равновесной влажностью Wp. Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара pп или пропорциональной ему относительной влажности воздуха ф. Зависимость равновесной влажности от a при t=const называется изотермой сорбции и устанавливается экспериментальным путем.

Состояние динамического равновесия является предельным в процессах сушки и увлажнения. При сушке давления пара у поверхности материала, уменьшаясь, стремится к равновесному. При увлажнении; наоборот, давление паров у поверхности, увеличиваясь, стремится к равновесию.

12 стр., 5961 слов

Расчет процесса конвективной сушки сыпучего материала в барабанной, ...

... или газом. При конвективной сушке влажному воздуху отводится основная роль. Поэтому необходимо чётко представлять какими параметрами описывается воздух. I. Классификация сушилок. Сушка материалов, полупродуктов или готовых ... давлением. 2. Режим работы. Периодического и непериодического действия. 3. Вид теплоносителя. Воздушные, на дымовых или инертных газах, на насыщенном или перегретом паре, ...

Под свободной влагой понимают влагу, скорость испарения воды со свободной поверхности (pм = pn).

Скорость испарения связанной влаги из материала всегда меньше скорости испарения воды со свободной поверхности. При этом . pм < pn, где pn-давление насыщенного водяного пара.

Для характеристики содержания влаги в материале используются понятия: влажность материала w, выраженная в процентах, и влагосодержание x, которое представляет собой содержание влаги в килограммах на 1кг материала.

Влажность материала может быть рассчитана по отношению к его общему количеству или по отношению к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества.

Связанная влага по классификации акад. П. А. Ребиндера, в основу которой положена энергия связи, может существовать в след формах:

1) Химически связанная влага, образующаяся в результате химической реакции;

2) Физико-химически связанная влага, образующаяся при адсорбции молекул газа через полунепроницаемую оболочку;

3) Физико-механически связанная влага, возникающая при поглощении паров микрокапиллярами (r<10-7), макрокапиллярами (r>10-7), а также при образовании геля.

Наиболее легко удаляется поверхностная влага и наиболее трудно — химически связанная влага.

Химически связанная влага представляет собой воду гидроксида, вошедшею в результате реакции гидратации в состав гидроксидов и соединений типа кристаллогидратов. Эту влагу можно удалить в результате прокаливания.

Формы физико-химической связи разнообразны.

Адсорбционно-связанная влага удерживает у поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой. Обладая значительной поверхностью, коллоидные структуры имеют большую адсорбционную способность. Адсорбционная влага удерживается молекулярным силовым полем. Адсорбция влаги сопровождается выделением теплоты, которая называется теплотой гидратации.

Осмотически связанная влага, или влага набухания, находится внутри скелета материала и удерживается осмотическими силами.

Капиллярно-связанная влага находится внутри макро- и микрокапилляров. Эта влага механически связана с материалом и относительно легко удаляется. Давление пара над поверхностью материала, чем меньше, тем прочнее связь между водой и материалом. Наиболее прочна эта связь у гигроскопичных веществ.

Для характеристики различных видов связи влаги с материалом используют изотермы сорбции — десорбции.

Сорбционно-десорбционные характеристики пищевых материалов позволяют выбрать наиболее благоприятные условия их хранения, а именно: относительную влажность воздуха и его температуру.

Значение сорбционно-десорбционных и массопроводных свойств упаковочных материалов позволяет для каждого пищевого продукта подобрать соответствующий упаковочный материал, обеспечивающий необходимый срок хранения продукта.

Сушка, как было сказано выше, является сложным тепломассообменным процессом. Влага из влажного материала к поверхности раздела фаз перемещается за счет массопроводности, а от поверхности раздела фаз в ядро газового потока — за счет конвективной диффузии.

8 стр., 3984 слов

Использование процессов сушки на фармацевтических фабриках и заводах

... процесс сушки позволяет сохранить или улучшить свойства материалов. Так, сушка таблеточного гранулята в контактных сушилках ... сушилок, связанные с периодичностью их действия, ручным обслуживанием и сушкой материала в неподвижном слое. Туннельные сушилки Такие сушилки ... в конечный период сушки). Разновидностью камерных сушилок является шкафная воздушно-циркуляционная сушилка, работающая с промежуточным ...

Диффузия влаги в материале происходит не только вследствие градиента влагосодержания материала, но и под действием температурного градиента.

Аналитическое описание диффузии влаги в материале представляет достаточно сложную задачу. Процесс сушки протекает со скоростью, зависящей от формы связи влаги с материалом и механизма диффузии влаги в материале. Кинетика сушки характеризуется изменением во времени средней влажности материала или влагосодержания.

Для определения скорости сушки опытным путем получают кривую сушки, а затем, дифференцируя ее, — кривую скорости сушки.

Зависимость между средней влажностью материала и временем сушки изображается кривой сушки (рис. 1).

На этом же рисунке приведена зависимость температуры материала от его влажности. Типичная кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным периодам сушки. После периода прогрева материала до температуры сушки (участок АВ) наступает период постоянной скорости сушки (I период).

В этот период температура материала принимает значение, равное температуре мокрого термометра tм (отрезок В1С1 на температурной кривой).

В период постоянной скорости сушки теплота, подводимая к материалу, расходуется на испарение свободной влаги. Период постоянной скорости сушки изображается прямой линией с постоянным тангенсом угла наклона (отрезок ВС).

Этот период продолжается до достижения первой критической влажности wкр. Начиная с wкр , наступает период падающей скорости. В этом периоде снижение влажности материала выражается кривой СЕ.

В период падающей скорости удаляется связанная влага и температура материала повышается по кривой С1Е1. В конце сушки влажность материала асимптотически приближается к равновесной влажности wp. при достижении равновесной влажности прекращается удаление влаги из материала. В этот момент температура материала достигает значения, равного температуре окружающего материала теплоносителя (точка Е1).

Однако для достижения равновесной влажности требуется значительное время.