К вопросу развития исследований ресурсо- и энергосберегающих процессов в химической и смежных отраслях промышленности

Процесс сушки нашел широкое применение в химической и пищевой промышленности. Высушенный продукт имеет ряд полезных свойств, таких как: меньшая подверженность порче, простота в упаковывание и транспортировке, сохранение, при определенных режимах и способах сушки, своих вкусовых и биологических качеств. Эти особенности позволяют

изготовить изделие, способное храниться на протяжение относительно долгого промежутка времени, будучи максимально компактным и сохранять качества изначального продукта. Процесс сушки в химической и пищевой промышленности применяется для обработки большого количества разнообразного сырья, что делает его важным объектом для изучения. Так как процесс удаления влаги из продукта

является крайне сложным из – за множества факторов, влияющих на него, то поиск какого-то одного критерия или уравнения, описывающего весь процесс сушки, становится невозможным. Производителю наиболее важно знать за какое время влажность продукта достигнет необходимой величины. На этот вопрос позволяет ответить кинетика процесса сушки, поскольку она изучает закономерности изменения с течением времени таких величин, как среднее влагосодержание ω (τ)

• w, %

и средняя температура тела t (τ). Принцип, по которому могут меняться значения этих величин, лежит в основе определения количества испаряемой влаги из тела и расхода теплоты на сушку [1, 83 c.]. На основание изменения среднего влагосодержания с течением времени А.В. Лыковым была предложена кривая сушки (рисунок 1) , показывающая процентное содержание влаги в продукте в каждый момент времени в процессе сушки [1, 85 с.].

t, ч

Рисунок1.Криваясушки

Figure 1. Curve drying

Графически продифференцировав кривую сушки, получаем кривую скорости сушки, которая демонстрирует значения скорости удаления влаги с течением времени при изменяющейся влажности продукта. Лыков приводит

6 типов кривых скорости сушки, отличающихся поведением кривой на падающем периоде скорости сушки [1, 86–87 с.]. Наиболее простыми кривыми скорости сушки являются 1, 2 и 3 (рисунок 2) .

Рисунок 2. Кривые скорости сушки

Figure 2. Drying speed curves

Первая кривая получается при сушке тонких образцов волокнистых материала, таких как бумага или картон, вторая при сушке макаронного теста, тканей, кожи, а третья при сушке пористых керамических материалов.

К более сложным кривым сушки стоит отнести 4, 5 и 6 (рисунок 3) , так как на падающем периоде сушки кривая либо несколько раз меняет направление своего изгиба, либо из прямой переходит в кривую.

Рисунок 3. Более сложные кривые сушки

Figure3. More complex drying curves

Кривые 4 характеризуют процесс скорости сушки глины, кривые 5 получают при сушке хлеба, а кривые 6 встречаются на практике крайне редко [1, 86–87 с.].

Представленные кривые скорости сушки носят качественный характер и не дают полного представления о протекание процесса в цело, однако показатель скорости сушки является важным звеном в процедуре его моделирования.

А.С. Гинзбург предложил закон, описывающий изменения скорости сушки при приближенном методе расчета процесса сушки термолабильных материалов в кипящем слое, протекающего с убывающей скоростью [3, 87 с.]. Однако этот закон является только частным случаем, не применимым к другим методам сушки. Для дальнейшего и более глубокого анализа кинетики процесса сушки в химической и пищевой промышленности может быть применен термин «ускорение сушки». Это величина, определяющая быстроту изменения скорости сушки, то есть первая производная от скорости сушки по времени или вторая производная от влажности [2].

, d 2 ® A = ^, dt

где ω – влажность продукта, %; t – время про- цесса сушки, ч.

Получить графическую реализацию данной формулы можно продифференцировав график кривой скорости сушки. Величина ускорения сушки числено равна тангенсу угла наклона касательной к кривой скорости сушки. По средствам графического дифференцирования строим 6 графиков ускорений сушки (рисунок 4–9).

Рисунок 4. Кривая ускорения сушки 1 типа

Figure4. The acceleration curve of drying type 1

d2w/dt2, %/ч2

Рисунок 5. Кривая ускорения сушки 2 типа

Figure5. The acceleration curve of drying type 2

Рисунок 6. Кривая ускорения сушки 3 типа

Figure 6. The acceleration curve of drying type 3

Рисунок 7. Кривая ускорения сушки 4 типа

Figure 7. The acceleration curve of drying type 4

Рисунок 8. Кривая ускорения сушки 5 типа Figure8. The acceleration curve of drying type 5

w, %

Рисунок 9. Кривая ускорения сушки 6 типа

Figure9. The acceleration curve of drying type 6

На полученных графиках точно видно периоды возрастающего и убывающего ускорения сушки. Данные графики читаются также как и графики скорости сушки – справа налево. В период подогрева продукта можно видеть резкий рост ускорения сушки, а за тем его постепенный спад, который переходит в период постоянной скорости сушки, то есть при отсутствии ускорения. Различия в кривых наблюдаться в третьем периоде падающей скорости сушки. В зависимости от свойств высушиваемого материала, ускорение на последнем участке может быть постоянным или переменным, как это видно на кривых ускорения сушки типа 1–3, может из постоянного переходить в переменное, как на кривой ускорения сушки 4 типа, а так же переходить из состояния переменно ускоренного в переменно замедленное, кривая 5 типа, или наоборот, кривая 6 типа.

Результат внедрения в теорию кинетики сушки такой величины как ускорение сушки позволит на основании данных об ускорении сушки вычислять время, требуемое на сушку с помощью кинетических формул, а также предоставляет обширное поле для дальнейших исследований.

Зная начальную влажность продукта и конечную на определенном участке кривой, а также скорость сушки в начале этого интервала и ускорение в пределах этого промежутка можно вычислить время сушки, выразив его из формулы 2.

d² re 2

(re -re) = d^-1 + dt—--- (2)

кн dt    2

где ω н – начальная влажность продукта, %; ω к – конечная влажность продукта, %.

Помимо этого, полученные графики ускорения сушки могут быть использованы для нахождения периодов с максимальными энергозатратами, что в перспективе поможет их минимизировать.

Заключение

Ускорение сушки позволяет более полно охарактеризовать период падающей скорости сушки, на основание чего появляться дополнительные возможности к оценке подходов его интенсификации с целью доведения влажности в продукте до более низкой отметки при тех же энергозатратах.

Ускорение сушки позволяет дать количественную оценку изменения скорости сушки