SUSZARNICTWO

Proces suszenia polega na usunięciu cieczy, najczęściej wody, zawartej w osuszanym materiale stałym. Proces ten należy do operacji dyfuzyjno - cieplnych, gdyż równolegle z ruchem masy odbywa się ruch ciepła. Proces suszenia (usuwania wilgoci) jest operacją bardzo często stosowaną w różnego rodzaju technologiach np. w przeróbce drewna, w cukrownictwie przy końcowym przetwarzaniu wysłodków buraczanych, w farmacji podczas przetwarzania ziół, w rolnictwie przy magazynowaniu i przetwarzaniu zbóż, w hutnictwie przy przeróbce koncentratów rud otrzymywanych z flotacji, w produkcji wielkoprzemysłowej przy osuszaniu półproduktów i produktów krystalicznych jak nawozy sztuczne, barwniki itp. Wilgoć można usuwać mechanicznie, chemicznie (suszenie gazów i cieczy), elektrycznie oraz cieplnie.

• Metody mechaniczne takie jak wyciskanie, prasowanie, wyżymanie, odsączanie, filtrowanie, wirowanie itp. stosuje się zwykle jako wstępne stadium usuwania wilgoci w takich przypadkach, w których surowiec poddawany suszeniu zawiera bardzo dużo wody.

• W metodach chemicznych wykorzystuje się właściwości higroskopijne wielu substancji suszących: jak chlorek wapnia, stężony kwas siarkowy, pięciotlenek fosforu, czy żel krzemionkowy.

• Suszenie elektryczne polega na wykorzystaniu prądu elektrycznego wysokiej częstotliwości, podczas przepływu którego dochodzi do ogrzewania się dielektryków (materiału suszonego) w szybko zmiennym polu elektrycznym.

• Metody cieplne polegają na usuwaniu wilgoci przez odparowanie cieczy z powierzchni ciała wilgotnego kosztem energii cieplnej dostarczanej np. ze strumieniem suszącego gazu, podczas podgrzewania półek w suszarni lub w czasie naświetlania surowca za pomocą promienników podczerwieni. Suszenie metodami cieplnymi wymaga zużycia dużej ilości, zwykle kosztownej, energii cieplnej i dlatego znajomość zasad suszenia może przyczynić się do właściwego i ekonomicznego sposobu projektowania urządzeń oraz ich eksploatacji.

Istotny wpływ na przebieg procesu suszenia wywiera charakter wiązania wilgoci z ciałem stałym. W czasie suszenia wilgoć musi być usunięta z ciała suszonego, a zatem kosztem dostarczanej energii cieplnej muszą być pokonane siły wiążące tę wilgoć z ciałem stałym. W zasadzie odróżnia się trzy typy wiązania wilgoci z materiałem suszonym.

• Wiązania mechaniczne, gdy wilgoć znajduje się np. w kapilarach oraz w wolnych przestrzeniach międzyziarnowych.

• Wiązania natury fizykochemicznej typu adsorpcyjnego i osmotycznego, gdy wilgoć znajduje się na powierzchni poszczególnych cząstek materiału wilgotnego lub wewnątrz elementów ciała wilgotnego, np. wewnątrz komórek roślinnych.

• Wiązania chemiczne, gdy ilość wilgoci jest określona stechiometrią cząsteczek. Tego rodzaju wiązania są najtrwalsze i najtrudniej podlegają rozerwaniu podczas suszenia.

W procesach suszarniczych wilgotność bezwzględną materiału wilgotnego
określa się jako masę wilgoci
odniesioną do masy suchego materiału
:

Natomiast wilgotność
(wyrażana w procentach) oznacza stosunek masy wilgoci
do sumy mas materiału suchego i zawartej w nim wilgoci (
):

Przy czym prawdziwe są zależności:

Wilgoć dyfunduje od materiału wilgotnego do czynnika suszącego, gdy ciśnienie cząstkowe pary wodnej nad powierzchnią materiału suszonego jest wyższe od ciśnienia cząstkowego pary wodnej w przepływającym powietrzu. W przeciwnym przypadku materiał jest nawilżany.

Suszenie jest procesem dyfuzyjnym, który zdąża do pewnego stanu równowagi międzyfazowej. Równowagi suszarnicze często przedstawia się w postaci wykresów w układzie
, gdzie:

jest bezwzględna zawartością wilgoci w materiale;

jest wilgotnością względną powietrza obliczaną ze wzoru:

jest prężnością cząstkową pary wodnej
,

jest prężnością nasyconej pary wodnej
.

Przebieg linii równowagi zależy od budowy cząstek ciała stałego. Podobnie jak w procesie adsorpcji, również w procesach suszarniczych obserwuje się zjawisko histerezy, tj. występowanie różnicy w przebiegu linii równowagi w procesie nawilżania i w procesie suszenia.

Na podstawie wykresu równowagowego, można zdefiniować kilka ważnych pojęć, które przedstawiono poniżej w postaci graficznej.

Równowagowa wilgotność bezwzględna materiału suszonego
oznacza taką zawartość wilgoci w ciele stałym, która znajduje się w stanie równowagi z powietrzem, w którym ciśnienie cząstkowe pary wodnej wynosi
,a wilgotność względna
.

Bezwzględna wilgotność powietrza
związana jest z wilgotnością względną
, temperaturą i ciśnieniem całkowitym. Jeśli wprowadzić oznaczenia:

p_V - ciśnienie cząstkowe pary wodnej,

p_p - ciśnienie cząstkowe powietrza,

to można zapisać:

,

a stąd:

Ostatecznie otrzymuje się zależność:

.

Na podstawie tego wzoru można stwierdzić, że dla danej temperatury (odpowiednia wartość
) i danego ciśnienia istnieje ścisły związek pomiędzy bezwzględną i względną wilgotnością powietrza.

Właściwości wilgotnego powietrza i przebieg procesów suszenia wygodnie jest śledzić posługując się graficzną metodą Moliera. Konstrukcję wykresu Moliera rozpoczyna się od naniesienia linii stałych wilgotności bezwzględnych powietrza odkładanych na osi odciętych, są to linie pionowe.

Z kolei na wykres nanosi się linie stałych entalpii powietrza i obliczanych ze wzoru:

gdzie:

- ciepło właściwe powietrza ;

- ciepło właściwe pary wodnej;

- ciepło parowania wody;

Równanie powyższe przedstawia entalpię suchego powietrza oraz entalpię towarzyszącej mu pary wodnej. Linie stałych entalpii odniesionych do temperatury 0C kreśli się w układzie ukośnokątnym pod kątem 135. Skala entalpii jest skonstruowana w sposób umowny tak, by dla danej wartości , odcinek pionowy między osią i = 0 oraz skalą poziomą (na wykresie jest to np. stosunek odcinków a do b) był równy ciepłu parowania wilgoci zawartej w danym powietrzu w temperaturze 0C, czyli równy wartości:
.

Izotermy na wykresie Moliera wyznacza się w sposób następujący: dla danej temperatury t₁ oblicza się entalpię suchego powietrza (
) co na wykresie przedstawia punkt A. Dla innej wilgotności bezwzględnej np.
oblicza się entalpię
powietrza wilgotnego (na wykresie - punkt B). Łącząc punkt A z punktem B leżącym na przecięciu izentalpy
oraz linii wilgotności bezwzględnej
otrzymuje się izotermę
. W podobny sposób otrzymuje się kolejne izotermy dla szeregu temperatur. Na wykresie Moliera izoterma odpowiadająca temperaturze 0^oC jest linią poziomą, natomiast każda następna jest nachylona pod innym kątem do osi odciętych, co wynika ze zróżniczkowania równania izentalpy w stałej temperaturze:

Ostatnie równanie przedstawia nachylenie izotermy i jak widać ze wzrostem temperatury jest ono coraz większe.

Aby na wykresie Moliera przedstawić linie względnej wilgotności powietrza
należy dodatkowo sporządzić wykres zależności prężności nasyconej pary wodnej w funkcji wilgotności bezwzględnej
. Dla powietrza całkowicie wysyconego parą wodną wilgotność bezwzględną
wyznacza się z równania:

skąd

Zakładając określoną wartość ciśnienia całkowitego
(np. ciśnienie atmosferyczne) i podstawiając w ostatnim równaniu wartości
większe od zera wyznacza się krzywą prężności nasyconej pary wodnej
od wilgotności bezwzględnej
. Zależność tę przedstawiono na wykresie Moliera w dolnej części wykresu.

Chcąc wykreślić linię względnej wilgotności powietrza ϕ = 100% należy wykonać następujące czynności. Z tablic termodynamicznych powietrza odczytuje się wartości prężności nasyconej pary wodnej w odpowiednich temperaturach. Na przykład w temperaturze powietrza
prężność nasyconej pary wodnej wynosi
. Wartość
należy zaznaczyć na osi rzędnych po prawej stronie wykresu i z tego punktu wykreślić równoległą do osi odciętych, aż do przecięcia z krzywą
o odciętej
(na wykresie punkt D). Z tego punktu kreśli się prostopadłą do przecięcia z izotermą
otrzymując punkt 1, który leży na linii
. Postępując w ten sposób dla kolejnej temperatury
, z punktu
dla współrzędnej
otrzyma się punkt F i w konsekwencji punkt 2. Wykonanie tej procedury dla kolejnych wybranych temperatur prowadzi do wyznaczenia przebiegu całej linii
. Aby wykreślić linie wilgotności względnej inne niż
, np.
należy powyższą procedurę zmodyfikować. W temperaturze t₁ prężność pary wodnej wynosi
. Zatem na wykresie odcinek CD należy podzielić na pół, z jego środka wykreślić poziomą do przecięcia z linią
, następnie wykreślić pionową aż do przecięcia z izotermą
otrzymując punkt 3. Dla izotermy
odcinek EF dzieli się na pół i powtarzając czynności otrzymuje się punkt 4. Dalszy sposób postępowania jest analogiczny jak powyżej, z tym że dla wilgotności np.
prężność pary wodnej wynosi
. Dla temperatur wyższych niż 100C krzywe przechodzą w proste prostopadłe do osi odciętych. Zaletą wykresu Moliera jest to, że wystarczy znać dwa parametry powietrza jako czynnika suszącego, a pozostełe właściwości powietrza można odczytać z wykresu np. wilgotność względną, prężność pary wodnej, temperaturę punktu rosy, entalpię powietrza wilgotnego, temperaturę termometru wilgotnego.

Bilans masowy suszarni można zapisać za pomocą równania:

,

gdzie:

- strumień masy suchego ciała stałego
,

- strumień masy suchego powietrza
,

- bezwzględna wilgotność ciała stałego początkowa i końcowa

- bezwzględna wilgotność powietrza końcowa i początkowa

Suszenie adiabatyczne

W procesie adiabatycznym (bez podgrzewania wewnątrz suszarni) powietrze o stanie (t₀, ) jest podgrzewane przed suszarnią do temperatury t₁ (na wykresie odcinek 01). Strumień ciepła pobierany przez powietrze wynosi:

entalpia
oraz
może być odczytana z wykresu Moliera.

Gorące powietrze (punkt 1) suszy wilgotny materiał osiągając stan końcowy (punkt 2). W tym procesie można pominąć zmianę całkowitej entalpii materiału suszonego, którą można zapisac równaniem:

gdzie:

- masa odparowanej wilgoci;

- temperatura materiału, a więc wilgoci w nim wprowadzonej;

Materiał wysuszony ma temperaturę zwykle niewyższą od temperatury materiału wlotowego, a więc wartość iloczynu
jest mała, ale dodatnia. Wartość iloczynu
jest też niewielka, gdyż temperatura wlotowa
jest zwykle równa temperaturze otoczenia. Stąd różnica tych dwóch niewielkich pozycji jest bliska zeru. Zatem można z dużą dokładnością przyjąć, że podczas suszenia adiabatycznego zmiany stanów powietrza na odcinku 1-2 odpowiadają linii
. Znając temperaturę
powietrza odlotowego można stąd znaleźć bezwzględną wilgotność powietrza
oraz zużycie suchego powietrza na jednostkowy strumień wysuszonego materiału:

Bilans suszenia z wewnętrznym ogrzewaniem suszarni

Podczas suszenia nieadiabatycznego ciepło doprowadzane jest do wnętrza komory suszarniczej. Jeśli pominie się zmianę entalpii materiału suszonego, to strumień ciepła można opisać równaniem:

Strumień masy wody odparowanej z ciała stałego wynosi:

Zatem po podzieleniu stronami otrzyma się wyrażenie określające Strumień ciepła zużytego na jednostkowy strumień wilgoci odparowanej z ciała stałego:

Na podstawie powyższej zależności można także stwierdzić, że ten jednostkowy strumień ciepła
jest równy nachyleniu odcinka powstałego przez połączenie punktów opisujących stan początkowy i stan końcowy procesu suszenia nieadiabatycznego, co zilustrowano na poniższym wykresie.

Odcinek bilansowy (1-2) łączący punkty opisujące stan początkowy i końcowy nie odzwierciedla rzeczywistego przebiegu procesu. Być może lepszym przybliżeniem byłaby krzywa 1-2 (rysunek po prawej), jednak do obliczeń procesowych nie jest istotna droga, po której biegnie proces, ale właśnie stan początkowy i końcowy.

Ze względu na fakt, że w zasadzie proces suszenia nieadiabatycznego można potraktować jako proces złożony z dwóch etapów, tj. ogrzewania od
do
, a następnie suszenia adiabatycznego, więc nachylenie linii bilansowej 1-2 zawsze, w każdym procesie, będzie oznaczać zużycie ciepła
. Z tego powodu na wykresie Moliera bardzo często wykreślony jest dodatkowo pęk prostych, wychodzących z punktu B zwanego biegunem operacyjnym, o różnym nachyleniu wyrażonym w kJ/kg, które w łatwy sposób pozwalają ocenić dany proces suszarniczy. Aby tego dokonać wystarczy linię bilansową rozpatrywanego procesu (odcinek prosty 1-2) przenieść równolegle aż do pokrycia się z odpowiednią linią z pęku prostych i odczytać zużycie ciepła potrzebne do odparowania 1 kg wilgoci.

Suszenie wielostopniowe

Ten sposób suszenia ma na celu uniknięcie konieczności podgrzewania powietrza wlotowego do zbyt wysokiej temperatury. Stosuje się wielokrotne ogrzewanie powietrza (do stałej, ale umiarkowanej temperatury) oraz wielokrotne suszenie adiabatyczne. Dla przykładu w procesie czterostopniowym w kolejnych stopniach procesu dostarcza się ciepło Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ czemu na wykresie odpowiadają odcinki pionowe sięgające izotermy t. Gdyby przedłużyć linię 1-2 oraz izentalpę 9-8, to można by znaleźć punkt 10, a więc izotermę
, do której powietrze musiałoby być podgrzane, aby stan 9 można było osiągnąć w procesie jednostopniowym, czyli tę samą efektywność zużycia ciepła (Q/mw) na 1 kg odparowanej wilgoci.

Suszenie z recyrkulacją.

Suszenie z recyrkulacją polega na zawróceniu części powietrza odlotowego do obiegu w celu podwyższenia wilgotności powietrza wlotowego. Taki sposób realizacji procesu powoduje zmniejszenie szybkości suszenia. Jest to konieczne w takich przypadkach, gdy zbyt szybkie usuwanie wilgoci na początku procesu może doprowadzić do wytworzenia nieprzepuszczalnej „skorupy” utrudniającej, lub nawet uniemożliwiającej dalsze suszenie.

Jeśli oznaczyć, że przez suszarnię przepływa
suchego powietrza obiegowego, to strumień masy odparowanej wilgoci można opisać zależnością:

Jeśli natomiast przez
oznaczyć strumień masy suchego świeżego powietrza dopływającego z zewnątrz do instalacji, to otrzyma się analogiczne równanie:

Przebieg procesu na wykresie Moliera zamieszczono obok. Znając parametry powietrza w warnkach (1) i (4), tj. na wlocie i wylocie z układu, na zasadzie reguły dźwigni można ustalić położenie punktu (2) opisującego stan powietrza zmieszanego. Odległość punktu 2 od izentalpy suszenia 3-4 przedstawia ilość ciepła doprowadzonego do podgrzewacza w przeliczeniu na 1 kg/s powietrza przepływającego przez suszarnię, co również można przeliczyć na 1 kg/s powietrza świeżego wpływającego do instalacji. Zmiana stosunku natężenia przepływu powietrza obiegowego do powietrza świeżego
, wpływa na położenie punktu 2, a tym samym może być parametrem decydującym o ilości zużytego ciepła.

Szybkość suszenia.

Pod uwagę zostanie wzięty proces wykonywany w ustalonych warunkach suszenia, a więc taki w którym strumień przepływającego powietrza wokół bryły suszonego materiału stałego jest na tyle duży, aby nie następowała zmiana wilgotności i temperatury tego strumienia. Mierząc ubytek masy próbki suszonej w miarę upływu czasu, można określić zmianę wilgotności materiału w zależności od czasu . Początkowo obserwuje się prostoliniowy przebieg zależności wilgotności materiału od czasu. Po obniżeniu wilgotności do wartości zwanej wilgotnością krytyczną, obserwuje się zmianę szybkości ubytku wilgoci. Linia zmian wilgotności dąży asymptotycznie do wartości , która jest wielkością równowagową do bezwzględnej wilgotności powietrza suszącego.

Różniczkując zależność otrzymuje się szybkość suszenia , którą można przedstawić jako funkcję zawartości wilgoci w ciele stałym.

Na wykresie widoczne są dwa okresy suszenia. Pierwszy odpowiadający zmianie wilgotności od do , to okres stałej szybkości suszenia. W okresie drugim obserwuje się prostoliniowy spadek szybkości suszenia w czasie obniżania wilgotności materiału.

W pierwszym okresie suszenia cała powierzchnia materiału jest wilgotna. Prężność pary jest nad nią taka sama jak nad zwierciadłem czystej wody. Tej prężności pary nasyconej odpowiada bezwzględna wilgotność powietrza na linii nasycenia . Jeżeli w powietrzu suszącym wilgotność ta wynosi, wówczas pod wpływem różnicy wilgotności następuje ruch masy od powierzchni ciała stałego do strumienia powietrza, co pozwala na sformułowanie wyrażenia określającego szybkość suszenia w pierwszym okresie procesu.

gdzie:

- współczynnik wnikania masy po stronie powietrza;

[kg suchego powietrza/ m2*s]

A - powierzchnia suszonego materiału przypadająca na 1 kg suchej substancji;

Aby określić czas trwania pierwszego okresu należy znać wilgotność krytyczną , przy której kończy się pierwszy okres suszenia. Wówczas przy wilgotności początkowej , otrzymuje się zależność określającą czas trwania pierwszego okresu suszenia w postaci:

W drugim okresie suszenia prędkość procesu maleje prostoliniowo, co można wyrazić równaniem :

Współczynnik proporcjonalności K zwany jest współczynnikiem suszarniczym (lub stałą suszarniczą). Znając go możemy określić czas drugiego okresu suszenia za pomocą zależności:

Pomiędzy stałą suszarniczą K i wilgotnością krytyczną jest ścisła zależność. Pierwszy moment drugiego okresu suszenia jest jednocześnie ostatnim momentem pierwszego okresu suszenia, stąd szybkość suszenia w tym jednym momencie można wyrazić dwiema zależnościami, co prowadzi do równości:

Wynika stąd, że znając wilgotność krytyczną można obliczyć stałą suszarniczą K. Wilgotność krytyczną materiału wyznacza się doświadczalnie i zależy ona od sposobu oraz szybkości suszenia.

Suszarnictwo

10

---