Процессы акустической сушки
Процесс сушки заключается в удалении влаги из материала. Обычно это осуществляется за счет нагревания. Сушка твердых, сыпучих и других материалов распространена в самых разнообразных технологических процессах [21,27].
В большинстве случаев в качестве теплоносителя используется нагретый воздух. Но при сушке многих химических продуктов, биологических объектов, удобрений, нельзя проводить сушку при повышенных температурах, т. к. вещества либо разлагаются, либо теряют свои бактерицидные свойства.
Когда нельзя допускать повышения температуры при сушке, сушку осуществляют под воздействием УЗ колебаний. Первые результаты были получены еще в 1955 г. П. Грегушем (Венгрия). На частоте 25 кГц он получил 10-кратное ускорение сушки мокрого хлопкового волокна. Позже им же было получено УЗ ускорение сушки древесины.
Процесс сушки состоит из двух основных период. Первый заключается в испарении влаги с поверхности материала и диффузии пара в окружающее пространство. Испарение влаги приводит к тому, что в материале создается градиент влажности, в результате чего влага из внутренних слоев начинает перемещаться на поверхность. Это и есть второй период.
УЗ воздействие высокой интенсивности позволяет интенсифицировать оба периода процесса сушки [27].
В течение первого периода сушки колебания позволяют уменьшить толщину гидродинамического пограничного слоя. В УЗ поле гидродинамический пограничный слой может быть существенно меньше диффузионного. Это значит, что колебания проникают внутрь диффузионного слоя, турбулизируют его, тем самым ускоряют процесс испарения. Наряду с уменьшением толщины пограничного слоя УЗ метод сушки обладает еще одним важным преимуществом - колебания проникают в материал и создают в нем быстро сменяющиеся зоны повышенного и пониженного давления, что интенсифицирует процессы переноса влаги из глубинных слоев к поверхности во втором периоде сушки. Другими действующими факторами УЗ воздействия являются (Рисунок 6.5): уменьшение вязкости жидкости под действием колебаний, что способствует переносу влаги из глубинных слоев к поверхности; выдавливание влаги из материала кавитационными пузырьками, возникающими в жидкости под действием колебаний; радиационное давление, выдавливающее жидкость из материала и др.
Меньшие энергетические затраты УЗ сушки, по сравнению с конвективной, объясняются тем, что жидкость с поверхности удаляется не только за счет испарения (что требует значительных энергетических затрат на осуществление фазового перехода), но и за счет УЗ распыления в виде аэрозоля (без фазового перехода), который возникает в результате высокоинтенсивных упругих колебаний ультразвуковой частоты.
Поэтому УЗ сушка при сопоставимой мощности энергетического воздействия протекает в несколько раз быстрее по сравнению с конвективной сушкой [3]. Известны запатентованные способы сушки капиллярно-пористых материалов в УЗ полях высокой интенсивности [45], подтвердившие следующие преимущества акустической сушки:
- высокая интенсивность процесса при меньших затратах энергии;
- возможность обеспечения качественной и эффективной сушки при низких температурах или, что принципиально, без повышения температуры.
Таким образом, основными действующими факторами являются:
- Уменьшение вязкости жидкости под действием УЗ способствующее ускоренному перемещению влаги по капиллярам из глубины тела на поверхность.
- Колебания пузырьков газа, находящихся в жидкости, которые, выдавливают влагу из капилляров.
- Радиационное давление, направленное в капиллярах из жидкости в газ, которое перемещает столбик жидкости капилляра, перемещая его к поверхности.
Сушка в УЗ поле происходит без нагрева материала. Именно поэтому это единственный способ сушки термочувствительных и легко окисляющихся материалов. Этот способ по скорости отличается от обычных методов. Например, при сушке силикагеля при начальной влажности 25%, интенсивности излучения в 152 дБ, на частоте 8 кГц, t=15 мин - полное высушивание. На рисунке 6.6 представлены зависимости по производительности процесса сушки этилцеллюлозы.
Сравнение с вакуумной сушкой и сушкой нагретым воздухом ( 92°C ): за это же время удалось удалить только 10-15% содержащейся влаги.
При сушке ферментов (не выдерживающих 40°C) процесс в акустическом поле занял 14 мин и скорость в сравнении с вакуумным методом повысилась в 3-4 раза.Особенности акустической сушки (требования к аппаратуре).
- Существует нижняя граница интенсивности, при которой начинается заметное ускорение процесса (порядка 130...145 дБ).
- Нет зависимости скорости сушки от частоты в диапазоне от 2 до 25 кГц.
- Наиболее эффективна сушка для тонких слоев (порядка 2-3 см).
Рассмотрим практические схемы сушилок(Рисунок 6.7)
а - сушилка с кипящим слоем
б – сушилка барабанного типа
в – сушилка вибрационная
Рисунок 6.7 – Практические схемы сушилок
Основные - это звукофицированные сушилки с кипящим слоем для сушки порошкообразных веществ, сушилки барабанные и вибрационные.
Рассмотрим конструкцию сушилки с кипящим слоем. В вертикальном цилиндре в боковой и верхней части установлены излучатели.
Через питатель материал загружается в сушилку на колосниковую решетку. Воздух для сушки подается снизу через распределительную сетку. При прохождении воздуха через сетку и материал он начинает интенсивно перемешиваться, "кипеть", образуя псевдосжиженный слой. Постоянно перемешиваемый материал подвергается воздействию УЗК и сушится.
По мере высыхания частицы становятся легче, поднимаются по верхней перегородке и ссыпаются в бункер. Удаление влажного воздуха производится через верхний патрубок.
