sušenje - unizg.hrsušenje je toplinski separacijski proces uklanjanja vlage iz vlažnog materijala...

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