Upload
others
View
17
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 3
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.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 4
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.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 5
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.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 6
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.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 7
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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 8
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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 9
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−
=
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 10
• 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+
=
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 11
• 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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 12
• 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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 13
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
−++⋅+=
=−+++=+
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 14
• 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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 15
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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 16
• 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−
=
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 17
Primjer 1:Koristeći gornje formule za vlažnost materijala,
Xw, i sadržaj vlage, X, potrebno je do kraja ispuniti sljedeću tablicu.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 18
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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 19
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:
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 20
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 ≤ +∞.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 21
Primjer 3:Koliko vlage se iz proizvoda početne mase 100
kg mora odstraniti kako bi se vlažnost materijala Xw smanjila s 50% na 20%?
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 22
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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 23
• 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.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 24
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.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 25
• 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.
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 26
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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 27
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)
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 28
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
Tehnički procesi sušenja - Predavanje I 29
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