9. Suszenie

W danej temperaturze istnieje związek pomiędzy zawartością wilgoci w produkcie stałym a zawartością w powietrzu będącym w stanie równowagi z tym produktem. Związek taki ustalany jest doświadczalnie w postaci tzw. izotermy sorpcji w układzie współrzędnych: wilgotność względna powietrza - wilgotność równowagowa materiału.

Suszenie jest operacja technologiczną obejmującą wymianie ciepła i masy, której

towarzyszą zmiany strukturalno - mechaniczne, a czasem i chemiczne materiału suszonego. Najczęściej celem suszenia jest zmniejszenie masy materiału, zwiększenie wytrzymałości lub

trwałości produktów.

Do obliczeń procesowych konieczna jest znajomość parametrów termokinetycznych

powietrza wilgotnego i ich zmiany w toku procesu suszenia. Wilgotność bezwzględna

masowa powietrza jest to masa pary wodnej przypadająca na 1 kg suchego powietrza:

Masa pary wodnej zawartej w powietrzu jest największa, gdy prężność cząstkowa pary

wodnej osiąga wartość prężności nasycenia:

Wilgotność względną powietrza określa się jako stosunek prężności cząstkowej pary

wodnej w powietrzu do prężności pary wodnej w danej temperaturze:

Temperatura punktu rosy Tr jest to temperatura, w której mieszanina powietrza i pary wodnej osiągnie stan nasycenia podczas chłodzenia pod stałym ciśnieniem bez kontaktu z fazą ciekłą. Obniżenie temperatury mieszaniny gazowej poniżej punktu rosy powoduje

wydzielanie się wody w postaci pary nasyconej.

Entalpia powietrza odnoszona do jednostki masy powietrza suchego jest sumą entalpii powietrza suchego iB oraz entalpii zawartej w nim wilgoci:

Podczas suszenia procesowi przenikania substancji z jednej fazy do drugiej

(parowanie cieczy) towarzyszy wymian ciepła - temperatury faz nie są jednakowe. Ilość

ciepła przekazywanego cieczy przez gazowy czynnik suszący w wyniku konwekcji w

temperaturze gazu T wyżej niż temperatura materiału T* wynosi:

Ilość odparowanej cieczy wyznacza się z równania przenikania masy. Ciecz w postaci

pary przechodzi w fazę gazową i przekazuje ciepło parowania:

Sumaryczne ciepło przekazywane od gazu do cieczy i zużywane na jej ogrzanie

wynosi:

W miarą ogrzewania temperatura cieczy wzrasta, a więc również ciśnienie nasycenia

pA*

Warunek jednoczesny wymiany ciepła i masy opisuje związek:

z którego wynika „równanie wilgotnego termometru”:

Stan równowagi zostanie zakłócony, gdy powierzchnia wilgotnego ciała wskutek

niedostatecznego dopływu wilgoci z wnętrza ulegnie osuszeniu. Stosunek współczynników

wnikania ciepła i masy dla procesu odparowania wody do otaczającego powietrza opisuje

wzór empiryczny:

Wilgotność właściwa materiału wyraża się w stosunkach masowych:

3

Szybkość suszenia definiuje się jako ilość wilgoci odprowadzanej z materiałów

jednostce czasu, na jednostkę powierzchni suszonej:

Krzywa szybkości suszenia [4]

Przebieg procesu suszenia można zobrazować przez sporządzenie wykresów

zależności X = f(τ) i g = f(X), z których łatwo zauważa się, że proces suszenia odbywa się

odmiennie w dwóch zasadniczych okresach (rys. 14.1). Z wykresu krzywej szybkości

suszenia można wyznaczyć dwie charakterystyczne wielkości:

• wilgotność krytyczną Xk jaką posiada materiał pod koniec I okresu suszenia,

• wilgotność równowagą Xr

a więc zawartość wilgoci w ciele suszonym, pozostającą w

równowadze z prężnością cząstkową pary wodnej zawartej w przepływającym

czynniku suszącym; jest to graniczna, najmniejsza wilgotność, jaką teoretycznie może

osiągnąć ciało suszone w danych warunkach suszenia

Stałe suszenia wynoszą odpowiednio:

Zawartość wilgoci w materiale wyznacza się:

• metodą bezpośrednią poprzez odnotowywanie zmian próbki w czasie suszenia, aż do

osiągnięcia stanu równowagi,

• metodami chemicznymi (reakcje jodu lub węglika wapnia w obecności wody, które

ustają w momencie zużycia całkowitej zawartości wilgoci),

• metodą azeotropową,

• metodą konduktometryczną,

• metodami pojemnościowymi.

Wilgotność czynnika suszącego ocenia się:

• metoda bezwzględną z przyrostu masy czystego absorbentu wilgoci (kwas siarkowy,

chlorek wapnia itp.),

• metoda punktu rosy, wykorzystującą pomiar temperatury, w której rozpoczyna się

kondensacja pary wodnej z powietrza na gładkiej powierzchni,

• z użyciem różnego typu psychrometrów

---