SUSZENIE Suszenie polega na usuwaniu wody lub innego rozpuszczalnika z ciał stałych, cieczy lub gazów za pomocą energii cieplnej lub przy pomocy odpowiednich substancji suszących. Podział substancji suszących i ich zastosowanie: reagujące z woda tworzące hydraty adsorbujące wodę na powierzchni Związek organiczny Alkohole Halogenki alkilowe i arylowe Węglowodory nasycone i aromatyczne, etery Ketony Zasady organiczne (aminy) Kwasy organiczne Środek suszący Bezw. węglan potasu, bezw. siarczan magnezu lub wapnia, tlenek wapnia Bezw. chlorek wapnia, bezw. siarczan sodu, magnezu lub wapnia, pięciotlenek fosforu Bezw. siarczan sodu, magnezu lub wapnia Bezw. siarczan sodu, magnezu lub wapnia, bezw. węglan potasu Wodorotlenek sodu lub potasu, tlenek wapnia, tlenek baru Bezw. siarczan sodu, magnezu lub wapnia Cel suszenia: wytworzenie produktu lub półproduktu o odpowiednich właściwościach uŝytkowych zwiększenie trwałości materiałów. zmniejszenie kosztów transportu materiałów. Materiały suszone dzielą się na grupy: ciała typowo koloidalne (elastyczne Ŝele) w czasie suszenia zmieniają swoje wymiary liniowe (kurczą się), zachowując jednocześnie właściwości ciała elastycznego np.ŝelatyna ciała kapilarno-porowate podczas suszenia stają się kruche, przekształcają się często w proszek np.pieczywo ciała kapilarno-koloidalno-porowate ścianki kapilar podczas pochłaniania wilgoci pęcznieją, zachowując jednocześnie elastyczność Wilgotność względna stosunek wilgoci rzeczywistej do maksymalnej wyraŝony w procentach Wilgotność bezwzględna zawartość cieczy w materiale wilgotnym wyraŝona jednostkach masy na jednostkę masy absolutnie suchego materiału. Wilgotność równowagowa taka zawartość wilgoci w ciele, która znajduje się w stanie równowagi z ilością pary o danej pręŝności i temperaturze znajdującej się w powietrzu
suszącym. Jest to minimalna wilgotność, do której moŝna teoretycznie wysuszyć materiał w danych warunkach. Wilgoć związana jest to ciecz zawarta w materiale wilgotnym, znajdująca się w warunkach, w których pręŝność pary nad zwierciadłem cieczy jest niŝsza niŝ pręŝność równowagowa nad czystą cieczą w danej temperaturze. Wilgoć niezwiązana odnosi się do cieczy w materiale, która wywiera równowagową pręŝność pary cieczy czystej tej samej temperaturze. Jest to wilgoć stanowiąca nadmiar w stosunku do wilgoci związanej. Wilgoć swobodna jest to ciecz w materiale, będąca w nadmiarze w stosunku do wilgotności równowagowej. Wilgoć powierzchniowa warstewka cieczy pokrywająca powierzchnię materiału suszonego, stykająca się z czynnikiem suszącym. Wilgoć kapilarna ciecz wypełniająca pory i kanaliki materiału porowatego. Wilgoć komórkowa stanowi strukturalny składnik materiału suszonego. Jej ubytek powoduje zmniejszenie objętości (kurczenie się) materiału. Proces suszenia charakteryzowany jest przez następujące krzywe: a krzywa suszenia; b krzywa szybkości suszenia; c krzywa temperaturowa Proces suszenia dzieli się na dwa etapy. Pierwszym okresem suszenia (odcinek AB) jest początkowe podgrzewanie materiału, po czym otrzymuje się zaleŝność prostoliniową (odcinek BC). W tym okresie czasu suszenia szybkość suszenia jest wielkością stałą. Następuje odparowanie wilgoci z powierzchni materiału i powstająca para przedostaje się do przepływającego powietrza. Pierwszy okres suszenia kończy się wtedy, kiedy cała wilgoć z powierzchni zostanie odparowana. Odpowiada to punktowi C (punkt krytyczny), od którego linia prosta przechodzi w krzywą zbliŝająca się asymptotycznie do wartości wilgotności równowagowej. PoniŜej punktu krytycznego występuje okres o stale zmniejszającej się szybkości suszenia, zwany drugim okresem suszenia. Występuje wtedy odparowanie wilgoci z coraz głębszych warstw ciała suszonego, przemieszczanie się pary wodnej do powierzchni (dyfuzja wewnętrzna) i dyfuzja w warstwie przepływającego powietrza. Na szybkość suszenia w tym okresie ma duŝy wpływ struktura ciała suszonego i jego wymiary.
Ilość odparowanej wody z tej powierzchni cieczy wylicza się z wzoru Daltona: W = K F(p 1 - φp 2 ) F- swobodna powierzchnia. parowania (powierzchnia suszenia) (m 2 ) K- współczynnik zaleŝy od ruchu powietrza, ciśnienia zewnętrznego i właściwości cieczy ((kg/m 2 h mmhg) p 1 - pręŝność pary nasyconej w temperaturze parowania cieczy (mmhg) p 2 - ciśnienie cząstkowe pary w otaczającym powietrzu w tej samej temperaturze (mmhg) φ- względna wilgotność powietrza p 1 - pręŝność pary (względna) p 2 - wilgotność powietrza (bezwzględna) :
Szybkość suszenia wylicza się ze wzoru: W kg U = F T m 2 h (szybkość suszenia 1 kg wilgoci z 1m 2 w czasie godziny) W - odparowana wilgoć(kg) K (p 1 - φp 2 ) T - czas (h) U= F - powierzchnia (m 2 ) F T Procesowi usuwania cieczy z ciała wilgotnego towarzyszy naruszenie wiązania ciecz-ciało stałe, na co naleŝy zuŝyć określoną ilość energii. Ze względu na wielkość energii wiązania tzn.wartość pracy wykonywanej przy oderwaniu 1 mola wody od danego ciała, wiązania wilgoci z materiałem suszonym moŝna podzielić na: fizyko-mechaniczne fizyko-chemiczne chemiczne NiezaleŜnie od charakteru związania, wilgoć trwale związaną z materiałem w odróŝnieniu od wilgoci powierzchniowej nazywa się higroskopijną. Wilgoć ta nie moŝe być całkowicie usunięta z materiału przez suszenie. Materiał wilgotny moŝe nie tylko oddawać wilgoć przez jej odparowanie do otaczającego środowiska; w niektórych przypadkach moŝe on równieŝ pochłaniać wilgoć z otoczenia. Środowisko otaczające wilgotny materiał stanowi powietrze wilgotne tj. mieszanina powietrza suchego i pary wodnej lub prawie czysta para wodna, zawierająca niewielką domieszkę powietrza, jakie przeniknęło do suszarki przez nieszczelności np. przy suszeniu w próŝni. Podczas suszenia w ciągu określonego czasu wilgotność materiału zbliŝa się do pewnej granicy, odpowiadającej równości. Po osiągnięciu tej równości następuje równowaga w procesie wymiany wilgoci między materiałem i środowiskiem. Stanowi temu odpowiada pewna stała wilgotność materiału, nazywana wilgotnością równowagową, przy której proces suszenia ustaje. Wilgotność równowagowa i przebieg procesu suszenia zaleŝą od właściwości materiału suszonego, charakteru związanej z nim wilgoci i parametrów otaczającego środowiska. Surowce suszymy do pewnej określonej zawartości wilgoci określonej w %. Kryteria podziału suszarek ciśnienie panujące w suszarce suszarki atmosferyczne i próŝniowe charakter pracy aparatu suszarki o działaniu okresowym i ciagłym sposób doprowadzania ciepła rozwiązania konstrukcyjne Podział suszarek ze względu na sposób dostarczania ciepła i rozwiązania konstrukcyjne:
Suszarka komorowa Zbudowana jest z komory i półek. W takiej suszarce prowadzimy proces bezprzeponowo (gorące powietrze w obiegu kilkukrotnym) lub przeponowo (ogrzewamy suszarkę). Działanie okresowe Suszarka turbinowo-półkowa (talerzowa) Materiał wilgotny jest mieszany przesypując się kaskadowo w miarę ruchu z jednej półki na drugą. Daje to w rezultacie dobre rozwinięcie kontaktu międzyfazowego miedzy czynnikiem suszącym a ciągle odświeŝaną powierzchnią materiału suszonego. Suszarki budowane są zazwyczaj w układzie cylindrycznym lub heksagonalnym z wolno obracającymi się półkami (0,1-1 obr/min). W pustej przestrzeni wewnętrznej znajduje się pionowy, obracający się wał, na którym zamontowane są wentylatory odśrodkowe zapewniające przepływ powietrza nad i pod pólkami oraz przez węŝownice grzejne. Materiał wilgotny, dostatecznie sypki, podawany jest na półkę górną, na której łopatki (szczotki) rozgarniające zapewniaj utrzymanie właściwej wysokości warstwy. KaŜda półka ma szczeliny, rozszerzające się w kierunku promieniowym, miedzy segmentami oraz łopatki wtórne zgarniające substancję poprzez szczeliny na półkę
niŝszą. JeŜeli zachodzi potrzeba chłodzenia materiału wysuszonego, do dolnych półek dostarczane jest zimne powietrze. Suszarka próŝniowa komorowa MoŜe mieć być ogrzewana tylko przeponowo. Zaopatrzona w półki z powodami z medium grzejnym. Suszarnia połączona jest z pompą próŝniową na drodze znajduje się chłodnica wykraplająca wilgoć. Suszarnia próŝniowa ma kształt prostokątny lub cylindryczny. Musi mieć bardzo szczelna obudowę. Zbudowana jest z Ŝeliwa bądź ze stali. Tego rodzaju suszarnie są dość często stosowane w przemyśle farmaceutycznym przy suszeniu substancji termo labilnych i higroskopijnych.. Suszarka taśmowa Suszenie bezprzeponowe gorącym powietrzem. Suszenie przeciwprądowe ruch gorącego powietrza
ruch taśmy Suszenie współprądowe: Suszenie krzyŝowe: Suszarka bębnowa. Składa się z bębna ogrzewanego przeponowo lub bezprzeponowo (współprądowo lub w przeciwprądzie). Bęben jest ruchomy, wewnątrz bębna są półki. W czasie obrotów bębna materiał przesypywany jest z półki na półkę, co zwiększa powierzchnię surowca. Suszarka walcowa Działanie ciągłe. SłuŜy w przemyśle do suszenia krwi, mleka, Ŝelatyny, skrobi ziemniaczanej (związki lepkie, włókniste, zawiesiny). Suszenie trwa krótko, jest przeponowe. Podstawową częścią takiej suszarki są dwa walce. Walce mogą być ogrzewane od wewnątrz parą wodną lub wodą. Zeskrobywanie wysuszonego materiału z walców zachodzi w przeciwprądzie.
Suszarka rozpryskowa. SłuŜy ona do suszenia substancji termo labilnych w wyŝszych temperaturach suszenie trwa bardzo krótko. W suszarniach rozpryskowych suszy się produkty spoŝywcze (mleko, jaja, droŝdŝe) i krew. Suszenie prowadzi się gorącym powietrzem (we współprądzie lub przeciwprądzie). Zasadniczą częścią suszarni jest duŝa komora, w której suszony materiał jest rozpryskiwany za specjalnych rozpryskiwaczy (tarcze rozpylające). Suszenie zachodzi w strumieniu przepływającego powietrza. Dzięki rozpryskiwaniu powierzchnia parowania jest bardzo duŝa,. Wskutek tego w bardzo krótkim czasie moŝna usunąć bardzo duŝe ilości rozpuszczalnika. Suszarka fluidyzacyja. Fluidyzacja jest to rozdrobnienie czynnikiem fluidyzującym. W suszarkach tych cząstki suszonego materiału (osadu) są zawieszone w strumieniu przepływającego z duŝą prędkością gazu o dość wysokiej temperaturze.
1- wentylator; 2- podgrzewacz; 3- komora suszarni; 4-zasobnik materiału suszonego; 5 podajnik; 6- przewód materiału suchego; 7- zbiornik materiału suchego; 8-cyklon; 9- filtr workowy; 10- dno sitowe komory Materiał wprowadzany jest na dno sitowe suszarni. Z drugiej strony wentylator tłoczy powietrze do podgrzewacza, z podgrzewacza do komory. To powietrze przechodzi do dalszej części komory i tu miesza się z materiałem suszonym. Materiał suszony odprowadzany jest przewodem do zbiornika. Powietrze przechodzi górą do cyklonu jest to urządzenie cylindryczne, na którego ścianki wpada gorące powietrze, które z wnętrza komory porwało cząstki materiału suszonego. Padając stycznie na ścianki cyklonu powietrze to podlega ruchowi wirowemu i dzięki temu drobne cząstki materiału odrzucane są na jego ścianki (dzięki sile odśrodkowej). Następnie materiał przechodzi z cyklonu do zbiornika materiału suchego. Z cyklonu powietrze przechodzi do filtru workowego. Filtr ten na ściankach worka zatrzymuje jeszcze drobniejsze cząstki materiału porwanego. Te cząstki za pomocą przewodu przechodzą do zbiornika materiału suchego. Suszarka sublimacyjna Liofilizacja (suszenie sublimacyjne) to proces polegający na usuwaniu wody z zamroŝonego materiału na drodze sublimacji lodu, tzn. bezpośredniego jego przejścia w stan pary, z pominięciem stanu ciekłego. Otrzymany produkt charakteryzuje się wysoką jakością, bowiem w warunkach technologicznych procesu zminimalizowane jest ryzyko wystąpienia reakcji niepoŝądanych, tj. utlenianie czy wywołanych przez aktywność drobnoustrojów. Proces liofilizacji jest złoŝony i wieloetapowy. Rozpoczyna się od wstępnego zamroŝenia materiału pod ciśnieniem atmosferycznym, następnie prowadzona jest próŝniowa sublimacja lodu oraz dosuszanie materiału do Ŝądanej wilgotności końcowej. polegająca na ogrzaniu produktu i prowadząca do usunięcia wody związanej chemicznie, która nie uległa zamroŝeniu.
1-komora sublimacyjna; 2-półki z ogrzewaniem przeponowym; 3-kondensator chłodzony gazami skroplonymi; 4-pompa dyfuzyjna; 5-pompy próŝniowe dające wstępną próŝnię; 6zawory Suszarka turbinowo-półkowa Materiał wilgotny przesypuje się kaskadowo miarę ruchu jednej półki na drugą. Daje to dobre rozwinięcie kontaktu międzyfazowego między czynnikiem suszącym a ciągle odświeŝaną powierzchnią materiału suszonego. Suszarki budowane są w układzie pionowym cylindrycznym lub heksagonalnym, zaopatrzone są w izolację oraz odpowiednie miejsca do zainstalowania węŝownic ogrzewanych parą technologiczną, między którymi znajdują się, podzielone na segmenty, wolna obracające się półki. W przestrzeni wewnętrznej znajduje się pionowy, obracający się wał, na którym zamontowane są wentylatory odśrodkowe zapewniające przepływ powietrza nad i pod półkami oraz węŝownice grzejne. Materiał wilgotny podawany jest na półkę górną, na której łopatki rozgarniające zapewniają utrzymanie właściwej wysokości warstwy. KaŜda półka ma szczeliny miedzy segmentami oraz łopatki wtórne zgarniające ładunek poprzez szczeliny na półkę niŝszą w ten sposób materiał przesuwa się stopniowo do dolnej części suszarki, gdzie następuje rozładunek za pomocą przenośnika.
Suszarka akustyczna Urządzenie wykorzystuje zjawisko intensyfikowania transportu ciepła i masy pod wpływem energii akustycznej o wysokiej intensywności. Fale ultradźwiękowe mają częstotliwość powyŝej 16 khz i nie są słyszalne przez ludzkie ucho. Suszenie akustyczne zalecane jest do usuwania wilgoci powierzchniowej. Strumień akustyczny wywołuje turbulencje w warstwie granicznej. Największe zwiększenie szybkości suszenia obserwuje się dla materiałów o bardzo duŝym stosunku powierzchni do objętości.