Сушка. Сушильные процессы и конструкции сушилок

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФГОУ ВПО «Оренбургский аграрный университет»

Кафедра технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Сушка. Сушильные процессы и конструкции сушилок»

 

 

 

Выполнила студентка 21 «Б» Тех группы

Пачина Ксения

Проверил: Тарасенко С. С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург 2014 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Введение 3

2 Статистика сушки 5

3 Формы связи влаги с материалом 7

3.1 Химически связанная влага 7

3.2 Адсорбционно-связанная влага 7

3.3 Осмотически связанная влага 7

3.4 Капиллярно-связанная влага 7

4 Кинетика сушки 9

5 Варианты сушильных процессов 16

5.1 Сушка с многократным  промежуточным подогревом воздуха 16

5.2 Сушка с частичной  рециркуляцией отработанного воздуха 16

5.3 Сушка с частичной  рециркуляцией отработанного воздуха

и промежуточным нагревом в калориферах 17

6 Конструкции сушилок 18

6.1 Конвективные сушилки 18

6.2 Туннельные сушилки 19

6.3 Ленточные многоярусные  конвейерные сушилки 20

6.4 Шахтные сушилки с  движущимся слоем 21

6.5 Сушилки с псевдоожиженным слоем 22

6.6 Вибросушилки 23

6.7 Барабанные сушилки 24

6.8 Вальцовые сушилки 25

6.9 Распылительные сушилки 26

6.10 Двухступенчатая сушильная  установка 28

6.11 Сублимационные сушилки 29

6.12 Терморадиационная сушилка 31

7 Заключение 32

8 Список используемой литературы 34

1. Введение

   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.

   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.

   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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Формы связи влаги с материалом

   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.

1. 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.

2. Адсорбционно-связанная влага

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.

3. Осмотически связанная влага

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

4. Капиллярно-связанная влага

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Кинетика сушки

   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.

   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.

   Скорость сушки для данной влажности (влагосодержания) материала выражается тангенсом угла наклона касательной, проведенной к точке кривой сушки, определяющей влажность или влагосодержание материала.

По данным о скорости сушки строится кривая скорости сушки (рис.2.). Горизонтальный отрезок ВС определяет скорость в первом периоде сушки, а отрезок СЕ - во втором периоде.

   В первом периоде сушки удаляется свободная влага, и скорость сушки определяется сопротивлением массопереносу во внешнедиффузионной области, т.е. значением конвективного коэффициента массоотдачи. В точке С, соответствующей первой критической влажности wкр, влажность на поверхности материала становится равной гигроскопической. Со значения wкр начинается удаление из материала связной влаги и скорость процесса сушки снижается.

   Отметим, что вид кривых скорости сушки во втором периоде может значительно отличаться от приведенного на рис.2. Второй период сушки в зависимости от форм связи влаги с материалом может сам складываться из нескольких периодов. Кривая I (рис.3.) типична для капиллярно-пористых тел (например, сухарей), для которых верхний участок определяет скорость удаления капиллярной влаги, а нижний, начиная с влажности, равной wкр2 ,- адсорбционной. Линии 2 и 3 соответствуют скоростям сушки, большей и меньшей, чем те, которые подчиняются прямолинейному закону. Первая имеет место при сушке, Например, тканей и других тонколистовых материалов или когда материал растрескивается во время сушки, вторая - при сушке, например, керамических материалов или когда на поверхности материала образуется корка, препятствующая диффузии влаги к поверхности раздела фаз.

   Скорость сушки определяет один из важнейших технологических параметров сушки - ее интенсивность. Интенсивность испарения влаги из материала определяется количеством удаляемой влаги в единицу времени с единицы площади поверхности высушиваемого материала: I=W/(Fτ).

   Влага внутри твердого  влажного материала перемещается  к поверхности за счет массопроводности. От поверхности раздела фаз в ядро газового потока влага передается за счет конвективной диффузии.

   Перемещение вещества  в капиллярно-пористых материалах  может осуществляться одновременно  под действием градиентов концентраций  и температур. Последнее обстоятельство  вызывает явление термодиффузии, которое особенно сильно проявляется при жестких режимах сушки, когда появляются значительные градиенты температур в материале.

   При р=const массовый поток

 

   Первый член уравнения (1) характеризует перенос вещества  под действием градиента концентраций, второй – под действием градиента температур.

   Кинетические коэффициенты k и δ в этом уравнении являются функциями температуры и влажности тела. Поэтому перенос влаги  во влажном теле следует рассматривать совместно с распространением теплоты в материале, которое описывается законом теплопроводности Фурье

 

                                                                                                                         

   На основании приведенных  уравнений массотеплопроводности А.В.Лыковым получена система дифференциальных уравнений тепломассопереноса (при р=const) в капиллярно-пористом теле

 

  

 

   Коэффициенты λ, с, ε, r в этом уравнении являются переменными величинами, зависящими от влажности и температуры тела.

   Первое уравнение системы описывает скорость изменения влагосодержания в твердом теле под действием градиентов влажности и температур.

   Второе уравнение  характеризует скорость изменения  температурного поля за счет  теплопроводности и внутреннего  испарения.

   При конвективной сушке термодиффузионный поток, направленный против основного направления диффузии вещества, снижает скорость массопроводности.

   При радиационно-конвективной  сушке термодиффузионный поток  влаги преобладает над концентрационной  диффузией. Под влиянием термического градиента ▼t, который развивается быстрее , чем концентрационный ▼X, влага стремится переместиться внутрь тела. Потоки массы влаги и теплоты совпадают по направлению. В то же время происходит испарение жидкости на поверхности тела, что приводит к увеличению градиента влагосодержания в теле. Когда ▼X>δ>▼t, направление потока влаги изменяется и перемещается из внутренних слоев к поверхности тела. В этом случае термодиффузия препятствует диффузии вещества. Рассмотренный механизм процесса приводит к практическим выводам, а именно: высушиваемый материал должен периодически, а не постоянно находиться в зоне облучения. Такой процесс может быть осуществлен в облучаемом псевдоожиженном слое, в котором перемещающиеся частицы только кратковременно находятся в зоне облучения, успевая нагреться. При этом происходит испарение влаги с поверхности частиц. Находясь в зоне облучения, обдуваемые газом более низкой температуры, чем температура частиц в облучаемом слое, частицы охлаждаются, принимая температуру ядра слоя. Температурный градиент меняет свое направление градиента влагосодержания. В этот период термодиффузия способствует перемещению влаги, интенсифицируя процесс.

   Располагая данными  по массопроводности в капиллярно-пористых  телах можно определить продолжительность сушки в i-м интервале изменения влажностей, где ki=const:

 

   На практике часто  для определения продолжительности  сушки ползуются экспериментальными  кривыми кинетики и скорости  сушки либо приближенными кинетическими  уравнениями.

   По кинетическим  уравнениям рассчитывают основные  размеры сушильных аппаратов. Основная  величина, определяющая размеры  периодически действующих аппаратов  - продолжительность сушки, а непрерывно  действующих – требуемая площадь  поверхности контакта фаз или время сушки материала.

   В общем случае  для периодических процессов  общее время сушки 

   Значение τ1 определяют из основного уравнения массопередачи

   Как указывало  выше, точное определение средней  движущей силы процесса представляет  значительные трудности , особенно при сушке в аппаратах со сложной гидродинамической обстановкой. Кинетический закон для первого периода сушки может быть выражен уравнениями массоотдачи, которые в данном случае принимают вид

   Для расчета коэффициента  массы отдачи в первом периоде сушки может быть использовано приближенное уравнение

   Для расчета продолжительности  процесса сушки во втором периоде  используют приближенный метод  Шервуда – Лыкова, который справедлив, когда кривая скорости сушки  во втором периоде подчиняется уравнению прямой линии. Кинетический закон для второго периода имеет вид

   В случае непрерывного  процесса сушки определяют суммарную  площадь поверхности фазового  контакта, необходимую для проведения  первого и второго периодов  сушки:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Варианты сушильных процессов

   В пищевой промышленности используют следующие варианты сушки:

          1. С многократным промежуточным нагреванием воздуха;

          2. С многократным промежуточным нагреванием воздуха и частичной циркуляцией его в отдельных зонах;

          3. С замкнутой циркуляцией высушивающего газа.

   5.1. Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха (рис. 4.) широко применяется для сушки сухарей и макаронных изделий. При сушке этих изделий обычно принимают верхние и нижние пределы температур воздуха  tв и tн. Воздух предварительно нагревается до tв и после этого взаимодействует с влажным материалом, охлаждаясь до температуры tн , затем воздух вновь нагревается в калорифере до температуры tв и вновь взаимодействует с влажным материалом, охлаждаясь до tн, и т.д. Конечные параметры воздуха в этом случае определяют точкой В.

   Этот вариант сушки характеризуется тем, что требуемое количество теплоты подводится к высушиваемому материалу при пониженной температуре воздуха. Пунктирные линии на рисунке 4 показывают, что для сушилки без промежуточного подогрева воздуха потребовалось бы предварительное нагревание до его температуры t1 (точка С). Такую схему сушилки применяют для сушки пищевых материалов, не выдерживающих высоких температур.

   5.2. Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха показана на рис.5. Исходный воздух с параметрами, характеризуемыми точкой А, смешивается с частью отработанного воздуха (линии АС и ВС), затем смесь нагревается в калорифере до температуры сушки tc и взаимодействует с высушиваемым материалом. Конечные параметры воздуха определяет точка В. По сравнению с сушкой при однократном проходе воздуха для этого варианта сушки характерны пониженная температура воздуха при сушке tс вместо tк , повышенное начальное влагосодержание хс вместо хн и большая линейная скорость газа в сушилке.

   Эти параметры воздуха и его скорость в сушилке зависят от кратности смешения n=l/L. Расходы теплоты в данной сушилке и в сушилке без циркуляции воздуха будут одинаковые при тех же пределах изменения состояния воздуха.

   5.3. Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха и промежуточным нагревом в калориферах представляет собой сочетание описанных выше вариантов. Для этого варианта сушки характерны пониженная температура воздуха, повышенное начальное влагосодержание и относительная влажность воздуха, большая линейная скорость газа в сушилке за счет увеличения количества циркулирующего воздуха в сушилке.

Рассмотренные варианты организации процессов сушки обеспечивают мягкие условия сушки и подвод необходимого количества теплоты, что чрезвычайно важно при сушке пищевых продуктов. Мягкие условия сушки достигаются за счет снижения начальной температуры сушки воздуха, увеличения его влагосодержания и повышения линейной скорости газового потока в сушилке. Последнее обстоятельство приводит к возрастанию коэффициента массоотдачи и увеличению скорости сушки в первом периоде.

 

 

 

6. Конструкции сушилок

   Сушилки, применяемые в пищевой промышленности, отличаются разнообразием конструкций и подразделяются по способу:

          1. Подвода теплоты (конвективные, контактные и др.);

          2. По виду используемого теплоносителя (воздух, газ, пар, топочные газы);

          3. По величине давления в сушилке (атмосферные и вакуумные);

          4. По способу организации процесса (периодического и непрерывного действия);

          5. По схеме взаимодействия потоков (прямоточные, противоточные, перекрестного и смешанного тока).

6.1 Конвективные сушилки

Конвективные сушилки, среди которых простейшими являются камерные (рис.6), представляют собой корпус, внутри которого находятся вагонетки. На потолках вагонеток помещается влажный материал. Теплоноситель нагнетается в сушилку вентилятором, нагревается в калорифере и проходит над поверхностью высушиваемого материала или пронизывает слой материала снизу вверх. Часть отработанного воздуха смешивается со свежим воздухом. Эти сушилки периодического действия работают при атмосферном давлении. Их применяют в малотоннажных производствах для сушки материалов при невысоких температурах в мягких условиях. Камерные сушилки имеют низкую производительность и отличаются неравномерностью сушки продукта.

6.2 Туннельные сушилки

Туннельные сушилки (рис.7.) используют для сушки сухарей, овощей, фруктов, макарон и других продуктов.  По организации процесса эти сушилки относятся к сушилкам непрерывного действия. Сушилки представляют собой удлиненный прямоугольный корпус, в котором перемещаются по рельсам тележки с высушиваемым материалом, расположенным на полках тележек. При этом время пребывания тележек в сушильной камере равняется продолжительности сушки. Сушка материала достигается за один проход тележек. Свежий воздух засасывается вентилятором и поступает, нагреваясь в калориферах, в сушилку. Перемещение тележек происходит с помощью толкателя. Сушилка имеет самоотворяющиеся двери.

   Горячий воздух взаимодействует в сушилке с материалом в прямотоке либо в противотоке. В ряде случаев в туннельных сушилках возможно осуществить рециркуляцию воздуха и его промежуточный подогрев в сушильной камере. Калориферы и вентиляторы устанавливают на крышке сушилки, сбоку или в туннеле под сушилкой. Отработанный воздух из сушилки выбрасывается через газоход.

 

Рис.7. Туннельная сушилка:

1 - двери; 2 - газоход; 3 - вентилятор; 4 - калорифер; 5 - корпус; 6 - тележки с материалом.

 

 

 

 

 

6.3 Ленточные многоярусные конвейерные сушилки

Ленточные многоярусные конвейерные сушилки применяют для сушки макаронных изделий, сухарей, фруктов, овощей, крахмала и др. Влажный материал загружается через верхний загрузочный бункер, как показано на рис.8, или боковой и поступает на верхний перфорированный ленточный конвейер, на котором перемещается вдоль сушильной камеры, и затем пересыпается на ниже расположенный конвейер.