Сушка: теория, параметры, выбор сушилки

Сушка - это процесс термического удаления влаги или других летучих веществ с получением сухого продукта. Обезвоживание сушкой, пожалуй, самая старая, самая распространенная и самая разнообразная из операций химических и пищевых технологий и насчитывает более 400 типов сушилок. Сушка конкурирует с дистилляцией как с наиболее энергоемкой операцией из-за высокой скрытой теплоты парообразования и неэффективности использования горячего воздуха в качестве (наиболее распространенной) сушильной среды.

Сушка различного сырья необходима по одной или нескольким из следующих причин:

потребность в легкоусвояемых сыпучих твердых веществах;
консервация и хранение;
снижение стоимости транспортировки;
достижение желаемого качества продукта и т. д.

Сушка представляет собой сложную операцию, связанную с нестационарным переносом тепла и массы, а также с несколькими скоростями процессов, таких как физические или химические превращения, которые, в свою очередь, могут вызывать изменение качества продукта, а также механизмов тепломассопереноса. Возможные физические изменения включают усадку, вздутие, кристаллизацию и стеклование. В некоторых случаях могут происходить желательные или нежелательные химические или биохимические реакции, приводящие к изменению цвета, текстуры, аромата или других свойств высушиваемого сырья. Например, при производстве ферментов условия сушки могут привести к значительным различиям в активности ферментов.

Кроме сушки также известны другие способы обезвоживания сырья, не относящиеся к ней. Это превращение жидкой фазы в концентрированную жидкую фазу (выпаривание), операции механического обезвоживания, такие как фильтрация, центрифугирование, осаждение, сверхкритическая экстракция воды из гелей для получения аэрогелей чрезвычайно высокой пористости (экстракция) или так называемая сушка жидкостей и газов с помощью молекулярных сит (адсорбция).

Теория сушки

Когда влажные материалы подвергают термической сушке, одновременно происходят два процесса:

передача энергии (в основном в виде тепла) из окружающей среды для испарения поверхностной влаги
перенос внутренней влаги на поверхность твердого тела и ее последующее испарение.

Скорость, с которой осуществляется сушка, определяется скоростью, с которой протекают два этих процесса. Перенос энергии в виде тепла от окружающей среды к влажному твердому телу может происходить в результате конвекции, теплопроводности или излучения, а в некоторых случаях и в результате сочетания этих эффектов.

Процесс удаления воды в виде пара с поверхности материала, зависит от внешних условий температуры, влажности и расхода воздуха, площади открытой поверхности и давления.

Процесс движения влаги внутри высушиваемого сырья является функцией физической природы сырья, температуры и содержания влаги в нем. В процессе сушки любой из этих процессов может быть ограничивающим фактором, определяющим скорость сушки, хотя оба они протекают одновременно в течение всего цикла сушки. Операция сушки превращает твердое, полутвердое или жидкое сырье в сухой твердый продукт путем испарения жидкости в паровую фазу. В особом случае лиофильной сушки, которая происходит ниже тройной точки жидкости сушка происходит путем сублимации твердой фазы непосредственно в паровую фазу.

Сушка происходит за счет испарения жидкости путем подачи тепла на влажное сырье. Тепло может подаваться конвекцией, теплопроводностью, излучением или объемным путем помещения влажного материала в микроволновое или радиочастотное электромагнитное поле. Более 85% промышленных сушилок относятся к конвективному типу с горячим воздухом или прямыми дымовыми газами в качестве сушильной среды. Более 99% применений связаны с удалением воды. Все режимы, кроме диэлектрического (микроволнового и радиочастотного), поставляют тепло на границы сушильного объекта, так что тепло должно проникнуть в твердое тело в основном за счет теплопроводности. Жидкость должна пройти к границе материала, прежде чем она будет унесена газом-носителем (или за счет применения вакуума, что действительно для неконвективных вакуумных сушилок).

Перенос влаги внутри твердого тела может осуществляться одним или несколькими из следующих механизмов массопереноса:

жидкостная диффузия, если влажное твердое вещество находится при температуре ниже точки кипения жидкости;
диффузия пара, если жидкость испаряется внутри материала;
диффузия Кнудсена, если сушка происходит при очень низких температурах и давлениях, например, при лиофильной сушке;
поверхностная диффузия (возможна, но не доказана);
перепады гидростатического давления, когда скорость внутреннего испарения превышает скорость переноса пара через твердое тело в окружающую среду;
комбинации вышеперечисленных механизмов.

Поскольку физическая структура высыхающего твердого вещества может изменяться во время сушки, механизмы переноса влаги также могут меняться с течением времени сушки.

Существенными внешними переменными являются температура, влажность, скорость и направление воздушного потока, физическая форма твердого вещества, желательность перемешивания и метод поддержки твердого вещества во время операции сушки. Внешние условия сушки особенно важны на начальных стадиях сушки, когда удаляется несвязанная поверхностная влага.

Выбор сушилки

Промышленные сушилки различаются по типу и конструкции в зависимости от используемого основного метода теплопередачи. В большинстве случаев тепло передается на поверхность влажного твердого тела, а затем внутрь. Однако при диэлектрической, радиочастотной или микроволновой сублимационной сушке энергия подается для выработки тепла внутри твердого тела и течет к внешним поверхностям.

Основные затраты на сушилки связаны с их эксплуатацией, а не с первоначальными капиталовложениями. Поэтому важно выбирать оборудование для сушки с низким энергопотреблением и, соответственно, высокой энергоэффективностью, как у холодных атмосферных и вакуумно-импульсных сушилок.

Во многих процессах неправильная сушка может привести к необратимому ухудшению качества продукта и, следовательно, к тому, что продукт не будет продаваться. Для обеспечения высокого качества готовой продукции рекомендуется использование сушилок с температурой сушки не более 45°С или с температурным зонированием для тонкой настройки процесса сушки в различных его фазах.

Выбор оборудования для сушки также зависит от свойств материала:

размер высушиваемого продукта может варьироваться от микрон до десятков сантиметров (по толщине или глубине);
пористость продукта может варьироваться от 0% до 99,9%;
время высыхания варьируется от 0,25 с (сушка папиросной бумаги) до 5 месяцев (для определенных пород древесины);
производственные мощности могут варьироваться от 0,10 кг/час до 100 тонн/час;
скорость продукта варьируется от 0 (стационарная) до 2000 м/мин (салфетка);
температуры сушки варьируются от ниже тройной точки до выше критической точки жидкости;
рабочее давление может варьироваться от глубокого вакуума до 25 атм;
тепло может передаваться непрерывно или периодически за счет конвекции, теплопроводности, излучения или электромагнитных полей.