Tehnički procesi sušenja - unizg.hr...Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 24 U...

TehniTehniččki procesi suki procesi suššenjaenja

Doc.dr.sc. Saša Mudrinić

Zavod za termodinamiku, toplinsku i procesnu tehniku

Katedra za tehničku termodinamiku

Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 2

Sušenje – definicija?!Sušenje (ili dehidracija) je uklanjanje kapljevine (vode ili rjeđe organskog otapala) iz tvari u kojima se ona nalazi u razmjernom malomudjelu.

Pod sušenjem se u prvom redu podrazumijeva toplinsko uklanjanje vode iz čvrstih tvari procesom ishlapljivanja.

Kao proizvod sušenja dobiva se materijal u suhom i čvrstom stanju.


Druge (mehaničke) metode odstranjivanja vlage kao što su filtracija, centrifugiranje, sedimentacija, te korištenje tzv. molekularnih sita(adsorpcija), koje često prethode operacijama sušenja kako bi se smanjila utrošena toplina, ne smatraju se procesom sušenja prema gornjoj definiciji.


Toplina se materijalu može dovoditi:1.provođenjem kod kontaktnih (indirektnih)

sušionika, kad se toplina dovodi kroz zagrijanu plohu,

2.konvekcijom kod izravnih sušionika, kad se vlažna tvar zagrijava strujom vrućeg plina koji odnosi i vodenu paru (najčešće je u pitanju zrak, a ako se radi o zapaljivim i eksplozivnim tvarima, neki inertni plin), te

3.zračenjem postavljanjem vlažnog materijala u visokofrekventno elektromagnetsko polje (mikrovalno i dielektrično) sušenje.


Sušenje se koristi u kemijskoj, prehrambenoj, farmaceutskoj i drvnoj industriji, poljoprivredi, biotehnologiji, preradi polimera, keramike, proizvodnji papira, preradi drobljene rudače itd.,

Svrha je očuvanje kvalitete proizvoda kod dužeg skladištenja (npr. konzerviranje hrane radi očuvanja prirodnih svojstava), smanjenje troškova transporta, postizanja određene kvalitete proizvoda, te lakša manipulacija proizvodima.


Neke činjenice:• Velika potrošnja energije - na procese sušenja u

industriji u SAD, Kanadi, Francuskoj i Velikoj Britaniji, otpada 10-15% ukupno potrošene energije, te 20-25% U Danskoj i Njemačkoj

• Druge zanimljive karakteristike:- veličina proizvoda od nekoliko mikrometara pa do nekoliko

desetaka centimetara (debljina ili širina)- poroznost 0 ÷ 99,9%;- vrijeme sušenja 0,25 s (sušenje papirnatih maramica) do pet

mjeseci (za neke vrste drveta)- brzina proizvoda 0 (stacionarni) pa do 2000 m/min (papirnate

maramice);- temperature sušenja niže od trojne točke pa sve do kritične točke- tlak sušenja manji od jednog milibar pa sve do 25 bar- toplina se može dovoditi kontinuirano ili s prekidima.


Vlažni zrak – osnovni pojmovi

• definicija - smjesa zraka i vodene pare• suhi zrak ne sadrži vlagu u bilo kojem

agregatnom stanju• sveukupni tlak vlažnog zraka (Daltonov

zakon): p = psz + pd• obično je približno jednak okolišnom tlaku• i suhi zrak i vodenu paru smatramo idealnim

plinom


Za opisivanje stanja vlažnog zraka koristimo sljedeće veličine:

• Sadržaj vlage x

0 ≤ x ≤ +∞ (x = 0 suhi zrak, x = +∞ kapljevitavoda, ili vodena para ili led)

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

sz

w

sz

w

kgkg

mmx


Poznavajući ukupni tlak i parcijalni tlak vodene pare u vlažnom zraku, sadržaj vlage se može izračunati kao:

Pri nekoj temperaturi i ukupnom tlaku, x može rasti samo do stanja zasićenja xs (pd = ps (ϑ))

Svaki višak vlage, msz (x – xs), se kondenzira ili izlučuje u obliku leda (mraza), ako je ϑ < ϑtr = 0,01 °C

d

dd 622,0

pppx−

=


• Relativna vlažnost zraka ϕ

Za ϕ = 0, radi se o suhom zraku, a za ϕ = 1 zrak je zasićen vodenom parom

( )( )TpTp

s

d=ϕ

( )( )ϑϕϑϕ

s

sd 622,0

pppx

−=

( )ϑϕ

sd

d

622,0 pp

xx+

=


• Stupanj zasićenja χ

koji se može koristiti u intervalu 0 ≤ χ ≤ +∞, te se koristi kako u nezasićenom tako i u zasićenom području

Za nezasićeno područje

(χ = 0 suhi zrak, χ = 1 zasićeni zrak)

sxx

=χ

s

d

xx

=χ


• Specifična entalpija vlažnog zraka h1+x

cp, J/(kgsz K) specifični toplinski kapacitet vlažnog zraka

( )

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⋅+=

=++=+=+

sz

3d

d,0dsz,wsz1

kgJ19301025001005 ϑϑ

ϑϑ

x

crxchxhh ppx

( )0d

0dd,dsz,1

rxc

rxcxch

p

ppx

+=

=++=+

ϑ

ϑ


U općem slučaju, zasićeni vlažni zrak sastoji se od suhog zraka, zasićene vodene pare i kapljevite vlage, pa je specifična entalpija tog zraka: ( ) ( )

( ) ( ) ϑϑϑ

ϑϑϑ

418719301025001005 s3

s

wsd0ssz,1

xxx

cxxcrxch ppx

−++⋅+=

=−+++=+


• Mollierov h1+x, x - dijagram

Dijagram prikazuje međusobnu ovisnost temperature, sadržaja vlage u zraku, relativne vlažnosti i specifične entalpije vlažnog zraka za neki konstantni tlak, u tehničkim procesima sušenja najčešće standardni 1 bar.

Iz njega se može očitati jedna od triju veličina (temperatura, sadržaj vlage, relativna vlažnost) na osnovu poznate druge dvije


Vlaga u materijalu – osnovni pojmovi

• Ukupna masa vlažne tvari m sastoji se od mase suhe tvari mst i mase vlage mw

• Vlažnost materijala Xw

[ ]vtwst kgmmm +=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

==vt

w

wst

www kg

kgmm

mmmX


• Sadržaj vlage X (ili vlaga materijala)

Međusobni odnos Xw i X je:

i

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

st

w

st

w

kgkg

mmX

X

XX+

=1w

w

w

1 XXX−

=


Primjer 1:Koristeći gornje formule za vlažnost materijala,

Xw, i sadržaj vlage, X, potrebno je do kraja ispuniti sljedeću tablicu.


85?20?

?4050?

20??100

?20?100

??90100

??50100

Vlažnost materijala,

Xw, %

Sadržaj vlage, X, %

Masa suhe tvari, mst,

kg

Masa vlažne

tvari, m, kg


85566,7566,720133,34133,34

28,5728,5740507070

2025258080100

16,6716,672083,3383,33100

101011,11,111190100

505010010050100

Vlažnost materijala,

Xw, %

Sadržaj vlage, X, %

Masa suhe tvari, mst,

kg

Masa vlažne

tvari, m, kg

Rješenje:


Primjer 2:Koja je maksimalno moguća vlažnost materijala,

Xw, koja se može postići? U kojem intervalu se kreće sadržaj vlage X?

Vlažnost materijala kreće se u intervalu 0 ≤ Xw ≤1.

Ako je Xw = 0, radi se o samo suhoj tvari, a ako je Xw = 1, radi se samo o kapljevitoj vodi ili ledu.

Sadržaj vlage X kreće se u intervalu 0 ≤ X ≤ +∞.


Primjer 3:Koliko vlage se iz proizvoda početne mase 100

kg mora odstraniti kako bi se vlažnost materijala Xw smanjila s 50% na 20%?


Rješenje:

( )

kg37,512,550:vlagaaOdstranjen

kg12,50,21

0,2501

:vlage masa Konačnakg 5050-100- :tvari suhe Masa

kg501000,5:vlagemasaPočetna

w,1w,2w

w,2

w,2stw,2

w,2stw,2w,2

w,1st

w,1w,1

=−=−=Δ

=−

⋅=−

=

+⋅=

===

=⋅=⋅=

mmm

XX

mm

mmXmmmm

mXm


• Veza vode i tvariVlaga je na površini čvrste tvari vezana privlačnim silama

koje postoje između molekula vode i atoma ili iona čvrste tvari

Najjače je vezan prvi, monomolekularni sloj vode, dok su ostali slojevi vode vezani sve slabijim silama

Parcijalni tlak vodene pare nad površinom materijala ne razlikuje se od takva tlaka nad slobodnom površinom vode iste temperature,

Iz toga se može zaključiti da je veliki dio vlage vezan slabim silama uz čvrsti materijal te ga je moguće odstraniti sušenjem ili nekim drugim postupcima.


U unutrašnjosti materijala zadržavanje i transport vlage ovisi o njegovoj strukturi, pa se po tome razlikuju dvije vrste materijala:

1. Zrnate ili kristalne strukture (većinom anorganske čvrste tvari), u kojima se vlaga zadržava u prostoru između čestica i u razmjerno širokim i plitkim površinskim porama. Vlaga se u takvim materijalima giba kapilarnim mehanizmom zbog zajedničkog djelovanja gravitacije i površinske napetosti (kapilarnosti).

2. Organske tvari amorfne, vlaknate ili s gelnomstrukturom, u kojima se vlaga zadržava unutar tih vlakana ili finih unutrašnjih pora i sporo se giba difuzijom. Uklanjanje vlage iz takvih materijala bitno utječe na njihov izgled i svojstva.


• Ravnotežna vlažnost materijalaVećina materijala u dodiru sa zrakom upija ili ispušta

vlagu. Takvo svojstvo se naziva higroskopnost.Da li će doći do upijanja ili ispuštanja vlage ovisi o

vlažnosti materijala i njegovoj temperaturi, vlažnosti i temperaturi zraka, te o vrsti materijala odnosno njegovim biokemijskim svojstvima.

Upijena ili ispuštena vlaga naziva se higroskopnomvlagom.

Kad materijal dođe u ravnotežu s okolnim zrakom dane vlažnosti i temperature, više se ne izmjenjuje vlaga, a vlažnost koja se pri tome ustali naziva se ravnotežna vlažnost Xw,r, ili ravnotežni sadržaj vlage Xr.


Materijali se dijele na nehigroskopne (loše upijaju vlagu) i higroskopne.

Nehigroskopni materijali → široke pore, slabe adsorpcijske sile, jako dobro se suše i imaju vrlo nisku ravnotežnu vlažnost

Higroskopni materijali → imaju vrlo male, uske pore u kojima je vlaga čvrsto vezana, niži parcijalni tlak vodene pare u porama u usporedbi s parcijalnim tlakom nad slobodnom površinom vode pri istoj temperaturi, visoka ravnotežna vlažnost


Sadr

žaj v

lage

X, k

g/kg

Relativna vlažnost ϕ, %0 20 40 60 80 100

Vlaženje

Sušenje

T = konst.

Krivulja ravnotežnog sadržaja vlage (sorpcijska izoterma)


7

2

3

45

611

8

9

10

12 1

Vlaž

nost

mat

erija

la

0

4

8

12

16

20

24

28%

Relativna vlažnost zraka0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

1 novinski papir2 vuna3 celulozni nitrat4 svila5 štavljena koža6 kaolin7 list duhana8 sapun9 tutkalo10 drvo11 staklena vuna12 pamuk

Krivulje ravnotežne vlažnosti za neke materijale pri 25 °C


Rel

ativ

na v

lažn

ostϕ

Sadržaj vlage XRavnotežni sadržaj vlage Xr

vezana vlaga

nevezana vlaga

slobodna vlaga

T = konst.

0

0,5

1,0

Različiti oblici vlage u materijalu

Tehnički procesi sušenja - unizg.hr...Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 24 U...

Documents

Transcript of Tehnički procesi sušenja - unizg.hr...Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 24 U...