sušenje - unizg.hrsušenje je toplinski separacijski proces uklanjanja vlage iz vlažnog materijala...
TRANSCRIPT
SUŠENJE
2
Definicija
Sušenje je toplinski separacijski proces uklanjanja vlage iz vlažnog materijala u svrhu dobivanja suhog proizvoda
- Proces prisutan u većini industrijskih grana
prije sušenja potrebno je mehanički ukloniti što je više moguće vlage
– filtracija (gravitacijska, vakuum, tlačna)
– taloženjem
– centrifugiranjem
3
Isparavanje
Adsorpcija
Sedimentacija
Centrifugiranje
Filtracija
Toplinskosušenje
Uklanjanjekapljevine
4
Značajke procesa sušenja
Veličina proizvoda (od m do desetaka cm)
Poroznost materijala (0-99.9 %)
Vrijeme sušenja (od 0.25 s do 5 mjeseci)
Kapacitet proizvodnje (od 0.1 kg/h do 100 t/h)
Brzina (od 0-2000 m/s)
Temperatura (od ispod trojne točke do iznad kritične točke kapljevine)
Tlak (od mbara do 25 atm)
Načini dovođenja topline
5
Procesi koji se tijekom sušenja odvijaju
Prijenos tvari
Prijenos topline
Prijenos količine gibanjaFizikalni procesi
Kemijski procesi
6
VAŽNI POJMOVI I DEFINICIJETemperatura isparavanja vlage
konvekcijsko sušenje površina potpuno prekrivena vlagom sušenje neovisno o svojstvima materijala; brzina isparavanja se može odrediti iz brzine konvekcijskog prijenosa topline sa zraka na površinu materijala (temperatura površine=TMTadijabatsko)
zračenje Tpovršine > TMT
ako materijal nije u kontaktu sa zrakom neadijabatski uvjeti temperatura vlage koja isparava odgovara temperaturi vrelišta kapljevine pri tlaku u sušioniku
7
Temperatura suhog termometra
stvarna temperatura smjese zraka i vlage
TMT
Temperatura adijabatskog zasićenja
• ravnotežna temperatura koju je zrak postigao u kontaktu sa kapljevinom koja isparava/ishlapljuje u adijabatskim uvjetima
• Taz
Temperatura mokrog termometra
• temperatura koju bi imao zrak u danim uvjetima T i p kada bi bio zasićen vodenom parom
• TMT
8
Psihrometar
SUHITERMOMETAR
MOKRITERMOMETAR
9
Rosište
temperatura kod koje nezasićena smjesa zraka i vode postaje zasićena hlađenjem uz Y=const
TR
10
Apsolutna vlažnost zraka
količina vodene pare prisutna u jediničnoj masi suhog zraka
*
*
622,0wuk
w
wuk
w
g
w
ppp
ppp
MM
Y
11
Relativna vlažnost zraka
omjer parcijalnog tlaka vodene pare u smjesi sa zrakom i ravnotežnog tlaka para pri istoj temperaturi
stTw
w
pp
*
12
Postotna vlažnost zraka
omjer stvarne apsolutne vlažnosti zraka i apsolutne vlažnosti u stanju zasićenja
stTYYY
*%
13
Specifični toplinski kapacitet vlažnog zraka
toplina potrebna da se 1 kg vlažnog zraka povisi temperatura za 1 stupanj (K, °C)
Yccc vszvz
14
Specifični volumen vlažnog zraka
Specifični volumen suhog zraka
volumen koji zauzima suhi zrak kod temperature mokrog termometra i ukupnog tlaka, vsz, m3/kg suhog zraka
Specifični volumen vlažnog zraka u stanju zasićenja
suma volumena jedinične mase suhog zraka i volumena vlage koji je potreban da se plina zasiti vodenom parom, pri temperaturi suhog termometra i P, v*
Specifični volumen vlažnog zraka
ukupni volumen suhog zraka i odgovarajuće količine vlage
%* Yvvvv szszvz
15
Gustoća vlažnog zraka
WSZVZ
*3
378,01048,3 ppT ukVZ
16
Entalpija vlažnog zraka
entalpija smjese zraka i vlage po kg suhog zraka pri temperaturi T0
YTTch ispvz 00
17
Y-T dijagram za zrak
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
1.30
1.35
1.25
1.20
1.15
1.10
1.05
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
0.96
0.92
1.0
01.0
51.0
91.1
31.1
71.2
11.2
61.3
01.3
4
57.5
55.0
52.5
50.047.5
45.042.5
40.037.535.032.5
3025
2015105
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.13
0.14
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0T, Co
Y, k
g/k
gv
sz
v, m
/kg
3sz
c , kJ/ Ckgp szo postotna vlažnost zraka
c p=f(Y)
v =f(T)
zas
v =f(T)
sz
T, C
MTo
18
h-Y dijagram
0.005
0.01
0.015
0.02
0.03
0.040.05
0.06
0.080.1
0.15
0.2
0.30.4
0.50.6
0.81
T, Co
p, mbar
h, kJ/kg
h=50kJ/kg
h=100kJ/kg
h=150kJ/kg
h=200kJ/kg
h=250kJ/kg
h=300kJ/kg
h=400kJ/kg
h=450kJ/kg
h=500kJ/kg
h=550kJ/kg
h=600kJ/kgh=650kJ/kg
h=700kJ/kg
Y, g/kg
h=0kJ/kg
35
250
2 042 032 022 012 001901801701601501401301201101009080706050403020100
2 042 022 0018016014012010080604020
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
19
Y-T dijagram za zrak
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
1.30
1.35
1.25
1.20
1.15
1.10
1.05
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
0.96
0.92
1.0
01.0
51.0
91.1
31.1
71.2
11.2
61.3
01.3
4
57.5
55.0
52.5
50.047.5
45.042.5
40.037.535.032.5
3025
2015105
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.13
0.14
0.12
0.11
0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0T, Co
Y, k
g/k
gv
sz
v, m
/kg
3sz
c , kJ/ Ckgp szo postotna vlažnost zraka
c p=f(Y)
v =f(T)
zas
v =f(T)
sz
T, C
MTo
1
T
Y
TR
TMT
vsz
v*
cpvz
20
h-Y dijagram
0.005
0.01
0.015
0.02
0.03
0.040.05
0.06
0.080.1
0.15
0.2
0.30.4
0.50.6
0.81
T, Co
p, mbar
h, kJ/kg
h=50kJ/kg
h=100kJ/kg
h=150kJ/kg
h=200kJ/kg
h=250kJ/kg
h=300kJ/kg
h=400kJ/kg
h=450kJ/kg
h=500kJ/kg
h=550kJ/kg
h=600kJ/kgh=650kJ/kg
h=700kJ/kg
Y, g/kg
h=0kJ/kg
35
250
2 042 032 022 012 001901801701601501401301201101009080706050403020100
2 042 022 0018016014012010080604020
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
T
Y
TMT
TR
h
21
prikaz procesa u Y-T dijagramu
01
2
Y%0
Y%2
Y%1
TST,0
TST,2
TST,1
Y0
Y2
Y1
0 12
22
Prikaz procesa u h-Y dijagramu
0
1
2
T0
T1
T2
Y0
Y1
Y2
h0
h1
h2
0
1
2
0
1
2
T0
T1
T2
Y0
Y1
Y2
h0
h1
h2
0
1
2
02
1
23
Protok suhog zraka kroz sušionik, msz (kg/s)
specifični protok suhog zraka, kgsz/kgv
02
1YY
g
gmm vsz
24
Količina topline koja se troši u predgrijaču zraka, Q (W)
Specifični utrošak topline za isparavanje vlage, q (J/kg)
02 hhmQ sz
0202
02 hhgYYhh
mQq
v
25
Toplinska efikasnost sušionika
– latentna toplina isparavanja vode kod TMT
q – specifični potrošak topline
qE
26
Načini dovođenja topline
Konvekcija
Kondukcija
Radijacija
Mikrovalno zračenje
27
Konvekcijsko sušenje
Toplina se dovodi pomoću zagrijanog zraka koji struji iznad površine vlažnog materijala .
Toplina potrebna za isparavanje konvekcijski se prenosi na izloženu površinu materijala, a isparena vlaga se odvodi pomoću sušnog medija.
Q mv
28
Kondukcijsko sušenje
Q
mv
Toplina potrebna za isparavanje dovodi se preko grijanih površina koje mogu biti nepokretne ili pokretne, postavljenih u sušionik.Isparena vlaga odvodi se pomoću inertnog plina koji služi isključivo kao sredstvo za odvođenje isparene vlageVakuum sušenje materijali osjetljivi na povišene temperature
29
Radijacijsko sušenje
Qmv
Dio energije koju emitira izvor zračenja apsorbira se na površini materijala i na taj način zagrijava vlažni materijal i dolazi do isparavanja vlage. Isparena vlaga odvodi se pomoću inertnog plina.
30
Mikrovalno sušenje
Toplina se generira unutar materijala zbog interakcije elektromagnetskih valova i vode.
Jednoliko zagrijavanje cijelog volumena materijala.
Q mv
31
Sušenje zaleđivanjem (liofilizacija)
vlaga se u materijalu prvo zaledi, hlađenjem materijala a zatim sublimira kondukcijskim, konvekcijskim ili radijacijskim zagrijavanjem
kontrolirano zagrijavanje da se izbjegne taljenje vlage ili razgradnja materijala
biološki i farmaceutski materijali, prehrambeni proizvodi
porozni, ne skupljaju se
kvalitetni proizvodi
32
KINETIKA SUŠENJAPokretačka sila procesa
X – sadržaj vlage materijala
Y – apsolutna vlažnost zraka
p – parcijalni tlak vodene pare
Yeq Yeq
Y1
Y2vz
33
Sadržaj vlage materijala
količina vlage prisutna u jediničnoj masi suhog materijala
X, kg (vode)/kg (suhog materijala)
Ravnotežni sadržaj vlage
• sadržaj vlage vlažne krutine u ravnoteži sa smjesom zraka i vlage, kod danog tlaka i temperature
• Xeq
34
Ravnotežni sadržaj vlage
vlažne krutine:
praškaste ili kristalinične krutine vlaga u međučestičnomprostoru
– tijekom sušenja svojstva materijala ostaju nepromijenjena
– brzo sušenje do niskih sadržaja vlage
vlaknasti amorfni materijali, gelovi otapaju se ili zarobe vlagu
– sušenje utječe na svojstva materijala
– bubrenje-skupljanje
– pažljiv odabir radnih uvjeta
35
XT
Ravnotežnisadržaj vlage
Slobodna vlaga
Vezana vlaga
Nevezana vlaga
Ukupnisadržaj vlage
Xeq
XB
Relativna vlažnost zraka
36
Vezana vlaga, XB
Ravnotežni sadržaj vlage materijala kod =100 %
Nevezana vlaga, XNB
• Ako materijal ima ukupni sadržaj vlage veći od XB, količina vlage u suvišku odgovara nevezanoj vlazi
• XT-XB
37
Slobodna vlaga
• sadržaj vlage materijala veći od ravnotežnog koji se može ukloniti sušenjem
• XT-Xeq
38 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0,11
0,10
0,09
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
Xkg /kg
eq
v sm
100°C
70°C60°C
50°C
40°C
30°C
Utjecaj temperature na ravnotežnisadržaj vlage
39Relativna vlažnost zraka, %
Ravn
otež
ni s
adrž
aj v
lage
mat
erija
la, X
eq
40
Konvekcijsko sušenje
Eksperimentalno određivanje kinetičkih krivulja sušenja:
Gravimetrijski – materijal
(m(t)X(t), T(t))
Psihrometrijski – zrak
(Tz(t), (t)Y(t))
Q mv
m ,h ,T ,Yz1 z1 z1 1
m ,h ,T ,Xvm1 1 vm1 1
m ,h ,T ,Yz2 z2 z2 2
m ,h ,T ,Xvm2 2 vm2 2
m ,h ,T ,Yz0 z0 z0 0
41
Bilanca tvari
U stacionarnom stanju:
Iz toga slijedi brzina isparavanja vode:
szkonsmkonszsm mYmXmYmX 00
00 YYmXXmm konszkonsmv
42
Bilanca topline
U stacionarnom stanju:
Sređivanjem jednadžbe dobiva se:
000000ULAZ vlageszszszvlagesmsmsm HmYHmHmXHm
konvlageszkonkonszszkonvlagesmkonkonsmsm HmYHmHmXHm IZLAZ
IZLAZULAZ
konvlagekonkonszvlageszsz
konvlagekonkonsmvlagesmsm
HYHHYHm
HXHHXHm
000
000
43
Krivulje sušenja
X(t) T(t)
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0 20 40 60 80 100 120 140
t, min
X, k
gkg-1
A B
D
E
C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 20 40 60 80 100 120 140
t, min
T, °
C
A
B C D
ETz
TMT
T0
44
Krivulje brzine sušenja
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
X, kg kg-1
(-dX
/dt)
, kgk
g-1m
in-1
A
C B
D
E0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0 20 40 60 80 100 120 140
t, min
(-dX
/dt)
, kgk
g-1m
in-1
A
B C
D
E
1. Period stabilizacije (A-B)2. Period konstantne brzine sušenja (B-C)3. Periodi padajuće brzine sušenja (C-D, D-E)
45
period konstantne brzine sušenja
prvi period padajuće brzine sušenja
drugi period padajuće brzine sušenja
vz
46
Period stabilizacije
Kratki period zagrijavanja materijala
Vrlo mali gubitak vlage
Temperatura materijala raste ili pada do TMT
X, k
g kg
-1
t, s
T, °
C
Period stabilizacije
t, s
Period stabilizacije
(dX/dt)=const.
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
47
Period konstantne brzine sušenja
tijekom sušenja period u kojem je, pri stalnim vanjskim uvjetima, brzina isparavanja sa površine materijala stalna
Površina materijala potpuno je prekrivena tankim slojem vlage
Na brzinu sušenja utječu svojstva zraka
proces je pod kontrolom vanjskih uvjeta
T=const
Y=const p=const
X/t=const
Q mv
grani ni slojč
Tp
Tz
Yp
Yz
vlažni materijal
48
X, k
g kg
-1
t, s
T, °
C
Period konstantne brzine sušenja
TMT
Xkr (/d
t)-d
X, k
g kg
min
-1-1
t, s
Period konstantne brzine sušenja
(dX/dt)=const.
sadržaj vlage materijala linearno opada s vremenom do postizanja Xkrtemperatura materijala se ne mijenja Tmat=TMT
brzina sušenja je konstantna
TMT – temperatura mokrog termometraXkr – kritični sadržaj vlage
49
t, s
X >X0 cr
X <X0 cr
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
50
Brzina sušenja
1. Na temelju provedenog eksperimenta sušenja
tX
AmR sm
R – brzina sušenja (isparavanja), kg m-2 s-1
51
2. Procijenom koeficijenta prijenosa tvari, k
lmv YAkm
135,033,0Re GuScCSh n
DLkSh
D
Sc
LvRe
ST
MTST
TTT
Gu
Re C n
1-200 0,900 0,50
200-6000 0,870 0,54
6000-70000 0,347 0,65
52
3. Procijenom koeficijenta prijelaza topline,
37,0
17,1
Amz
lm
vTAm
8,0
0204,0
Amz
53
Period padajuće brzine sušenja
period sušenja (u stalnim uvjetima sušenja) tijekom kojeg brzina sušenja opada
Površina materijala postaje prvo djelomično a zatim potpuno suha
Na brzinu sušenja utječu svojstva materijala
proces je pod kontrolom unutrašnjih uvjeta
Q mv
grani ni slojč
Tp
Tz
Yp
Yz
suhi materijal
vlažni materijalTs Ys
54
X, k
g kg
-1
t, sT,
°CPeriod padajuće brzine sušenja
TMT
Xkr
Xeq
Tz
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
t, s
Period padajuće brzine sušenja
Sadržaj vlage materijala opada do Xeq Temperatura materijala raste do radne temperature Brzina kojom se vlaga dovodi do površine materijala manja je
od brzine isparavanja, pa brzina sušenja počinje opadati s vremenom
55
Mehanizmi prijenosa vlage
Difuzija
– Difuzija kapljevine
– Difuzija pare
– Knudsenova difuzija (uske (2-50nm) dugačke pore)
Kapilarni tok
Kombinacija navedenih metoda
56
Mehanizmi prijenosa vlage u periodu padajuće brzine sušenja
t, s
eksponencijalna ovisnost
difuzija
linearna ovisnost kapilarni tok
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
57
Raspodjela veličina pora papira
0
20
40
60
80
100
120
10 100 1000 10000
x ,
Q3(
x),
%
500 g/m2
DIFUZIJA KAPILARNI TOK
58
Brzina sušenja u periodu padajuće brzine sušenja
Određuje se eksperimentalno dtdX
Am
R sm
Analitički
a. linearna ovisnost brzine sušenja i sadržaja vlage materijala
R=aX+b R=aXdR=a dX
1
2
R
R
sm
dtdR
AamR
2
lnRR
RX
Am
t c
c
cs
2
1
21
21 lnRR
RRXX
Am
t s
59
b. eksponencijalna ovisnost difuzijski tok vlage dp<10-7 m
kapilarni tok vlage dp>10-7 m
2
2
xXD
tX
ef
X
XDxt kr
ef22
2 8ln4
cc X
XRR
XX
RAXmt c
c
csm ln
60 2xtD
kapilarni tok
difuzija
eqkr
eq
XXXX
ln
t, s
61
Utjecaj vanjskih uvjeta na kinetiku sušenja
oblik čestica
debljina materijala
temperatura zraka
relativna vlažnost zraka
smjer strujanja zraka
brzina strujanja
način dovođenja topline
62
X, kg kgv sm-1
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
Utjecaj oblika čestica
63
d1 < d2 < d3
X, kg kgv sm-1
d1
d2
d3
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
Utjecaj debljine materijala
64
Utjecaj površinske mase papira na kinetiku sušenja papira
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
0 20 40 60 80 100t, min
X/X
0
160 g/m2 300 g/m2 370 g/m2 500 g/m2
160 g/m2 300 g/m2 370 g/m2 500 g/m2
65
T1 > T2 > T3
X, kg kgv sm-1
T1
T2
T3
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
Utjecaj temperature zraka
66
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 50 100 150 200t, min
(X-X
eq)/(
X0-
Xeq
)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
T, °
C
30 °C40 °C50 °C60 °C70 °C
67
X, kg kgv sm-1
1
2
3
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
Utjecaj relativne vlažnosti zraka
68
X, kg kgv sm-1
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
Utjecaj smjera strujanja zraka
69
v1 > v2 > v3
X, kg kgv sm-1
v1
v2
v3(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
Utjecaj brzine strujanja zraka
70
t, s
mikrovalno
kondukcija
konvekcija
(/d
t)-d
X, k
g kg
s-1
-1
Utjecaj načina dovođenja topline