SUSZENIE (ogólnie)

- pol. na usuwaniu cieczy z mat. stałych przez odparowanie; zapotrzebowanie na ciepło b. duże - b. energochłonny proces jednostkowy; zmniejszenie zużycia E - wstępne, tańsze odwadnianie: filtracja, wirowanie, wyciskanie w prasach

- są subst. wrażliwe na szybkość susz. - niewłaściwe powoduje zniszczenie surowca - drewno

- stan początkowy ma znaczenie przy wyborze m-dy suszenia(papka, breja, pasta)

- trudność- złożoność procesu: nakładanie się ruchu ciepła i masy(dyfuzja)

PODSTAWOWE ZALEŻNOŚCI

Szybkość suszenia zależy:

-mieszanie i rozwinięcie powierzchni materiału suszonego

-szybkości przepływu powietrza , jego temperatury i wilgotności- tworzą gradient odp. za suszenie

-temperatury ciała suszonego

-ciśnienia zewnętrznego- b. efekt. susz. w próżni

-właściwości fizykochemicznych suszonego materiału- decyzja o rodzaju suszarki; zw. higroskopijne- ciężko usunąć wilgoć (rola 2 okr. susz.); zw. niehigroskopijne- suszenie do końca

SUSZENIE

-Suszenie uzależnione jest od charakterystyki materiału suszonego

-materiały wilgotne poddawane suszeniu mogą mieć bardzo różnorodną strukturę i właściwości fizyczne, chemiczne, mechaniczne; dobra znajomość tych właściwości umożliwia prawidłowy wybór najbardziej racjonalnej metody suszenia.

-rozróżnia się wilgotność :

x_s= m_w//( m_s + m_w)

x_s - wilgotność względna(kg/kg ciała mokrego)

X_s= m_w/m_s

X_s - wilgotność bezwzględna(kg/kg ciała suchego)

Dla powietrza jako czynnika suszącego

opis rysunku:

pole zakreskowane-związek poddawany suszeniu, charakteryzowany przez t₁ i p_m

strzałki-obrazują proces odparowania cieczy z subst. suszonej

czynnik suszący-(powietrze) ma wyższą temp niż ciało suszone

Q₁- natężenie przepływu ciepła wnikającego do materiału suszącego

Q₂- natężenie przepływu ciepła unoszonego od materiału z wilgocią

M- natężenie przepływu wilgoci odparowującej z materiału suszonego

Q₁=aS(t-t₁) (J/s) a-współczynnik p

M=kS(p_m - p_cz) (kg/s) k-współczynnik przenikania masy

p_m -ciśnienie cząsteczkowe pary nad cieczą w temperaturze t₁

p_cz - ciśnienie cząsteczkowe pary w czynniku suszącym

Q₂=Mr=rkS(p_m - p_cz) (J/s) r-ciepło parowania wilgoci

Stan równowagi Q₁₌Q₂ czyli a(t-t_r)= rk(p_m - p_cz) czyli p_m=f(t_r)

t_r -temperatura równowagowa, wyższa od t₁

p_m -prężność pary materiału suszącego

p_cz - prężność pary powietrza (czynnika) suszącego

Początkowo (Q₁ >Q₂) w momencie zetknięcia czynnika suszącego ze związkiem poddawanym suszeniu ogrzewa się ciało suszone, dochodzi do momentu ustalenia się równowagi Q₁ =Q₂- ciepło zostaje zużyte na odparowanie rozpuszczalnika.

Suszenie przebiega dopóty, dopóki p_m >p_cz. Ustaje ono, gdy ciśnienie pary wilgoci osiągnie wartość ciśnienia pary nasyconej w danej temperaturze.

KINETYKA SUSZENIA

- 1 i 2 okres suszenia

- w czasie trwania suszenia zmiana char. procesu:

- duże zawilgocenie - efekt dział. kapilarnego por wystarcza do utrzymania pow. mat. w stanie wilgotnym, wyst. parowanie powierzchniowe - to 1-wszy okr. susz.

- mniejsze zawilgocenie- zasadnicza rola proc. transportu wilgoci w samych porach - 2-gi okr. susz.

Pierwszy okres suszenia (o kinetyce procesu decyduje jedynie transport ciepła i transport masy)

Drugi okres suszenia (przy mniejszym stopniu zawilgocenia materiału zasadniczą rolę zaczynają odgrywać procesy transportu wilgoci w samych porach materiału suszonego).

Rysunek-krzywe zmian wilgotności bezwzględnej materiału oraz jego temperatury w zal. od czasu suszenia. OPIS do rysunku:

A-B ogrzanie materiału , wilgotność prawie się nie zmienia

B-K 1 okres suszenia, zużywane ciepło zużywane jest na odparowanie rozpuszczalnika

K-C dopływ powietrza do ciała stałego, trzeba czasu aby całą wilgoć usunąć , nie można przeprowadzić gwałtownie.

Suszenie zal. od rodzaju i kształtu materiału-rys.

- prostopadły kier. strum. - mało efekt.(kontakt z 3 stron)

- zawieszenie materiału w strumieniu czynnika susz.(prostopadłościan) - 2x większa efekt.

- ułożenie skośne (łagodne kształty) - 4x efekt.

- kształt kuli- idealne suszenie

SUSZARKI

W zależności od budowy suszarki dzielimy na:

S. Komorowa

-działanie okresowe

- z jednokrotnym ogrzewaniem i z możliwością częściowego zawracania powietrza

- kierując przegrodami można strumień powietrza przepuścić nad półkami z materiałem suszonym

- wymuszony obieg powietrza przez wentylator

- można dokładnie regulować warunki suszenia

- na każdej półce prędkość suszenia jednakowa, suszenie równomierne

- przy dużej temperaturze, wilgotność spada

- do osuszania fornirów, wyrobów ceramicznych, silikatowych.

S. komorowa tacowa i S. komorowa ze stopniowym podgrzewaniem powietrza wewnątrz komory-kierunek stykania się powietrza z materiałem może być :

-współprądowy-początek to duży gradient ,później maleje, efektywny dla związków ,które podczas suszenia są wrażliwe na temp.- zw. pylące, rozsypujące się

-przeciwprądowy-gradient stały ,dla związków nie ulegających zmianom w podwyższonej temp.

- mieszany

Suszarka tacowa- suszymy zw. trochę podsuszone, strum. powietrza od dołu ogrzewany

S. Bębnowa, tunelowa

(w odmianie p/prądowej)

- działanie osuszające ciągłe

- suszenie za pomocą gazów spalinowych- czynnik suszący wprowadzany w p-prądzie

- ciało umieszczone w obracającym się bębnie - rozwój powierzchni suszącej; pod wpływem siły ciężkości suszona subst. przesuwa się ku wylotowi;

- gradient temp. stały w całej objętości suszarki;

- do suszenia koncentratów flotacyjnych, węgla, fosforytów, gliny, itp.

- wada: może nastąpić rozdrobnienie materiału (powinno uzyskać się zw. o jednakowych wym. geom.; długie przebywanie w strefie suszenia cząstek najdrobniejszych.

S. Pneumatyczna

- b. energochłonne; zawiera: wentylator, podgrzewacz, podajnik ślimakowy, zasobnik, klasyfikator, cyklon, zbiornik na mat. suszony, filtr workowy - oczyszcza on powietrze z zanieczyszczeń;

- klasyfikator klasyfikuje cząst. subst. suszonej - te, które są lekkie przechodzą do cyklonu (zmielone, drobne) i spadają do zbiornika z suchym mat. - cząst. większe wracają do zasobnika (tu ważne umiejętne dobranie szybkości przepływu ciepłego powietrza

- ciało stałe podrywane przez strumień powietrza

- suszenie w rurze pneumatycznej - ogrzany czynnik suszący przepływa z prędkością większą od drugiej prędkości krytycznej dla największych ziaren;

- materiał osuszony wydziela się w cyklonach - cząst. pylące nie są magazynowane w cyklonie, ale spadają do filtrów workowych;

- można suszyć materiały mało odporne na podwyższone temp., bo czas suszenia b. krótki-kilka sekund.

S. rozpyłowa

-duża powierzchnia kontaktu z czyn. suszącym

- subst. ulega rozpyleniu (np. kawa) a następnie rozdzieleniu w cyklonie, spadają w formie granulek

-gł. do suszenia materiałów ciekłych (mleko , ekstrakty kawowe)

-rozpylona ciecz ulega odparowaniu w zetknięciu z czynnikiem suszącym i opuszcza wraz z nim komorę.

zastosowanie:

- do prod. nawozów szt., soli, barwników, tkanin, ...

- suszenie decyduje nie tylko o jakości produktu, też o całej ekonomice procesu

KRYSTALIZACJA

(krzywa rozpuszczalności, krzywa przesycenia)

Właściwa krystalizacja to proces dwustopniowy:

1. powstawanie zarodków

2. wzrost kryształów

dwa rysunki-krzywa rozpuszczalności i zal. stężenia od temp.

Z wykresu rozpuszczalności od temp. można uzyskać wiele informacji co do prowadzenia najkorzystniejszej krystalizacji -ekonomika procesu decyduje o sposobie przeprowadzania procesu.

- rozpuszczalność- max. ilość sub. w jednym kilogramie rozpuszczalnika. Zależy od temperatury.

- rozpuszczalność azotanu potasu rośnie ze wzrostem temp , aby go wykrystalizować trzeba gwałtownie obniżyć temp.

- rozpuszczalność NaCl nie zależy od wzrostu temp.-należy odparować rozpuszczalnik.

- aminy , kwasy org krystalizują w postaci hydratów.

- rozpuszczalność siarczanu cynku rośnie , osiąga stały poziom a potem spada- wzrost temp sprzyja krystalizacji- do pewnego momentu

Krzywa przesycenia

-w przybliżeniu przebiega równolegle do linii nasycenia

-ma 3 obszary: 1 to obszar stabilny inaczej nienasycony (nie mogą powstawać kryształy), 2 to obszar przesycenia metastabilny (nia ma spontanicznego zarodkowania , kryształy mogą wzrastać przy dogodnych war.- ciała obce, rysy na ściankach apar., naświetlanie prom UV), 3 to obszar przesycenia (kryształy powstają samorzutnie).

Ten opis krzywej jest trochę wyidealizowany bo położenie k. przesycenia zależy do wielu parametrów a szczególnie intensywności mieszania

ETAPY KRYSTALIZACJI-

Kolejne etapy procesu masowej krystalizacji z roztworów

1-materiał wyjściowy- roztwór jednofazowy wieloskładnikowy

2-metody krystalizacji - osiąganie przesycenia przez:

- obniżenie lub wzrost temp (patrz krzywe rozpuszczalności)

- odparowanie( w krystalizatorach próżniowych)

- wysalanie ,

-strącanie

Modyfikacje procesów:

- oczyszczanie fizyczne lub chemiczne

- zmiana stężenia

- dodatki

- wartość pH

3-pierwszy produkt przejściowy -roztwór przesycony (metastabilny)

Wpływanie przez:

- kinetykę procesu

- temp

- ciśnienie

- dyfuzję , warunki mieszania

4-pierwszy etap krystalizacji - zarodkowanie

- zmiana naturalnego zarodkowania

- sztuczne zarodkowanie

5 - drugi etap przejściowy - roztwór przesycony(niestabilny)

6 - krystalizacja-wzrost kryształów (przez dodatki; szczepienie)

-wpływ na wielkość kryształów

-wartość ph

-dodatki

7-produkt(y) końcowy(e) - roztwór stabilny

8-rozdział produktów końcowych - mechaniczne oddzielenie kryształów i roztworu

KRYSTALIZATORY:

Zależnie od sposobu osiągania przesycenia:

a) krystalizatory z odparowaniem rozp. (gdy ze ↓ temp. rozpuszczalność ↑)

b) kryst. z odpar rozp i dodatkowym chłodzeniem (jest ważne gdy z ↓ temp ↓ się rozp. składnika np. kryst. próżniowe)

krystalizator zwykły

- o dział okresowym szczotki usuwają zarodki ze ścianek, mieszadło do ujednolicenia kryształów, chłodzony wodą lub solanką

krystalizator kołyskowy

- chłodzony bezprzeponowo powietrzem

- dział ciągłe chłodzenie powietrzem kryształy zgromadzone na dole

- kryształy (jednakowej wielkości) mają dużo wilgoci, poddaje się je wirowaniu

krystalizator podwójny

- mieszadła wymuszają obieg cieczy, b. efektywne chłodzenie,

- kryształy zbierają się na dnie

krystalizator próżniowy

- wytrącenie kryształów przez odparowanie części rozpuszczalnika i schłodzenie, stos. gdy rozp. mało zależy od temp lub z ↓ temp nawet ↑

krystalizator rurowy ciągły

- do niskotemperaturowej krystalizacji związków organicznych

ZASADA NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA SUROWCÓW

(procesy związane z uzyskaniem najlepszej wydajności, musimy znać zapotrzebowanie na materiał, ilość sub uzyskiwanej z jednej objętości aparatu w jednostce czasu).

-rozpatrzenie bilansu materiałowego

-określenie strumieniowego bilansu materiałowego

-określenie sposobu prowadzenia operacji jednostkowych (zasada p/prądu, współprądu, obiegu kołowego)

-zmniejszenie reakcji ubocznych (źródła zanieczyszczeń) przez odpowiedni dobór katalizatora

-w przypadku r. odwracalnych usuwanie jednego z produktów (gł. przez destylację)

-maksymalne wykorzystanie produktów ubocznych

-regeneracja materiałów (możliwość wykorzystania ich w innych procesach)

ZASADA NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA ENERGII

-sporządzenie bilansu cieplnego (musimy znać efekt energ. wszystkich reakcji)

-wielokrotne wykorzystanie ciepła (nośniki ciepła do ogrzewania)

-wykonywanie czynności jednostkowych w temp możliwie bliskiej otoczenia (tak aby nie było gwałtownego ogrzewania lub chłodzenia procesów jednostkowych)

- stosowanie aparatów o określonych wymiarach

- wykonywanie tylko pracy niezbędnej

- wykorzystywanie naturalnego ruchu materiałów

- odzyskiwanie ciepła (p/prąd, obieg kołowy)

- wymiana Q jest wprost proporcjonalna do pow. aparatu i ilości substratu

- stały gradient temp bardziej optymalny, mniejsze straty ciepła

- są to mat. wysokoenerg. stąd duże koszty , wykorzystanie gradientów temp na wzajemne przekazywanie ciepła

- budujemy tak aparaty aby ogrzewać ich małe sekcje

ZASADA NAJLEPSZEGO WYKORZYSTANIA APARATURY

-maksymalne oddalenie do stanu równowagi reakcji (siła napędowa zmniejsza się w pobliżu punktu równowagi)

-obieg kołowy

-stosowanie katalizatorów i optymalnej temp (katalizatory zapewniają selektywność pr. utlenienia)

-rozwinięcie powierzchni reagujących faz

-stosowanie odpowiednich mieszalników

-optymalna prędkość ruchu faz względem siebie

-ciągłość pracy

-zharmonizowanie prac

---