uscare
Uscare
îndepărtarea unui lichid, de obicei apă, din substanțe solide, lichide și gazoase. De regulă, uscarea îndepărtează umezeala legată de material din punct de vedere fizico-chimic (prin adsorbție sau osmoză) și mecanic (umiditatea din macrocapilare și mi-crocapilare). Umezeala legată chimic nu poate fi îndepărtată prin uscare. Scopul uscării este de a păstra proprietățile fizico-chimice ale materialelor, de a asigura, în multe cazuri, conservarea materialelor pe perioade prelungite și de a elimina excesul de greutate la expediere. În industrie, uscarea materialelor solide umede se efectuează de obicei în timpul pregătirii materialelor pentru prelucrare, utilizare sau depozitare.
Uscarea este un proces însoțit de schimb de căldură și masă între agentul de uscare, de exemplu, aerul sau gazele de ardere, și umiditatea materialului care este uscat. Presiunea de vapori a lichidului pe suprafața unui material solid crește odată cu temperatura, iar vaporii se difuzează în fluxul agentului de uscare. Gradientul de concentrație din umiditatea materialului rezultat din acest proces forțează umiditatea să se deplaseze de la straturile mai adânci la suprafață cu o rată dependentă de caracterul legăturii dintre umiditate și material. În uscare naturală, unde nu există mișcare forțată a agentului de uscare (evaporare liberă), procesul se desfășoară încet; este accelerat atunci când un flux încălzit de agent de uscare curge pe lângă material, adică atunci când este utilizată uscarea artificială. Acest articol se va ocupa doar de uscarea artificială și de diferitele tipuri de uscătoare industriale.
Selectarea condițiilor de uscare, cum ar fi temperatura, presiunea și viteza agentului de uscare, depinde de proprietățile fizico-chimice ale materialului care se usucă. Printre proprietățile care trebuie luate în considerare se numără tendințele de a se contracta (lemnul), de a forma cruste groase la suprafață (anumite săruri) și de a suferi o creștere a fragilității sau a termostabilității (hârtia).
În funcție de metoda de alimentare cu căldură, uscătoarele sunt clasificate drept convecție (contact direct între materialul care este uscat și fluxul de agent de uscare preîncălzit), contact (contact între materialul care se usucă și o suprafață încălzită), îngheț (îndepărtarea umidității din starea înghețată sub vid), dielectric-căldură (îndepărtarea umezelii prin acțiunea câmpurilor electrice de înaltă frecvență) și energie radiantă (uscarea din radiațiile infraroșii).
Uscătoarele prin convecție de diferite modele (compartiment, rotativ, pneumatic, cu pat fluidizat, spray) sunt utilizate pe scară largă în industrie. În tipul de bază al uscătorului cu convecție (Figura 1, a), agentul de uscare, care este încălzit mai întâi într-un încălzitor la temperatura maximă permisă, trece prin uscător și intră în contact direct cu materialul care este uscat (produse alimentare, medicamente, compuși chimici). Agentul de uscare este încălzit și trecut prin uscător o singură dată, care este trăsătura distinctivă a acestui tip de uscător.
La materialele de uscare care nu sunt termostabile, de exemplu, polietilena, agentul de uscare este încălzit doar parțial în încălzitorul principal și este apoi alimentat în camera de uscare la o temperatură permisă pentru materialul care este uscat. Agentul obține echilibrul de căldură necesar uscării prin încălzitoare suplimentare montate în camera de uscare.
Uscătoarele în care o parte din aerul încălzit este recirculat (Figura 1, b) sunt adesea utilizate la uscarea materialelor precum lemnul și produsele ceramice formate. Recircularea aerului reduce diferența de temperatură și conținutul de umiditate dintre aerul de la intrarea și ieșirea uscătorului și asigură o uscare mai uniformă. Uscătoarele în care gazele inerte sau aerul circulă pe o cale închisă sunt utilizate pentru a usca materiale inflamabile și explozive sau pentru a extrage produse valoroase (alcooli, eteri) din materialul care este uscat. Designul uscătorului va depinde de sarcina la îndemână.
Uscătoare rotative - utilizate pentru uscarea materialelor fin împărțite și în vrac (îngrășăminte azotate, pirite de fier, clorură de potasiu, cereale) - constau dintr-un cilindru care are zboruri interne pentru duș și amestecarea materialului pentru a îmbunătăți contactul cu agentul de uscare (Figura 2) . Cilindrul este montat fie orizontal, cu inele proeminente sprijinite pe rolele de susținere, fie cu o ușoară înclinare
(0,5 ° –3 °). Diametrul cilindrului poate fi de 3.500 mm, iar lungimea este de 3.5-7 ori diametrul. Cilindrul se rotește încet (0,5-8 rpm).
Uscătoarele pneumatice - pentru uscarea materialelor granulare (cărbune, acid adipic) cu un curent de agent de uscare fierbinte - constau dintr-un canal de transport vertical dintr-o singură bucată sau în secțiune (Figura 3). Materialul care este uscat este deplasat prin conductă printr-un flux de agent de uscare, a cărui viteză depășește viteza de cădere liberă a celor mai mari granule (de obicei 10-40 m/sec). Concizia de contact (1-5 sec) face ca acest uscător să fie potrivit pentru materiale care nu sunt termostabile, chiar și atunci când agentul de uscare este la o temperatură ridicată.
La uscătoarele cu pat fluidizat, datorită posibilității unei amestecări intensive a materialului și a schimbului accelerat de căldură și masă, agentul de uscare poate fi utilizat la temperaturi ridicate. Combinând simplitatea proiectării cu productivitate ridicată și ușurință în automatizare, aceste uscătoare au găsit o varietate de utilizări în industria chimică și în metalurgia neferoasă.
Uscătoarele cu pulverizare sunt utilizate pentru a usca substanțe lichide cu vâscozitate crescută (lapte, sânge, albumină), care sunt pulverizate într-un flux de agent de uscare fierbinte (Figura 4). Datorită suprafeței mari a
materialul pulverizat, procesul de evaporare a umezelii este intens, iar timpul de uscare este scurt (15-30 sec). Cu o uscare extrem de rapidă, temperatura suprafeței particulelor se apropie de temperatura de evaporare adiabatică a lichidului pur, chiar și atunci când agentul de uscare este la o temperatură ridicată. Materialul care este uscat, care este sub formă de emulsii, suspensii sau soluții, este pulverizat de atomizoare mecanice sau pneumatice. Uscătoarele sunt prevăzute cu unități pentru prinderea particulelor antrenate din materialul care se usucă.
Uscătoarele continue cu tavă sunt utilizate pentru materialele în vrac și fibroase (fibre artificiale, anumiți polimeri). Aici, materialul care este uscat se deplasează peste o centură nesfârșită (sau peste mai multe curele dispuse consecutiv) întinse între un tambur de acționare și un tambur acționat (Figura 5). Uscarea se realizează prin aer cald sau gaze arse care se deplasează fie paralel, fie perpendicular pe centură.
Uscătoarele de contact, cum ar fi uscătoarele cu tambur, sunt utilizate pentru a usca materialele lichide și pastele (xantate ale metalelor alcaline) la presiunea atmosferică sau sub vid. Uscătoarele cu tambur includ tipuri cu tambur simplu și dublu, a căror componentă principală este un tambur cu rotație lentă (2-10 rpm) în care se introduce abur printr-un jurnal gol și din care este îndepărtat condensul. Materialul care se usucă se aplică ca o peliculă subțire (1-2 mm) pe suprafața tamburului și, după uscare, este îndepărtat cu un cuțit. Uscătoarele cu vid cu un singur tambur și cu două tamburi sunt prezentate în Figura 6.
Uscătoarele congelate sunt utilizate pentru uscarea produselor alimentare și a preparatelor medicinale (antibiotice, plasmă), păstrând în același timp principalele proprietăți biologice ale materialului. Aici, umezeala este îndepărtată în stare înghețată sub vid (presiune reziduală de 6,65-332,5 newtoni/m 2 sau 0,05-2,5 mm Hg) la o temperatură de aproximativ 0 ° C. Cea mai mare parte a umezelii (60-85%) este evaporată în cameră, cantitatea rămasă fiind îndepărtată de
uscarea sub vid implicând aplicarea căldurii (la o temperatură de 30 ° –45 ° C). Căldura necesară pentru uscare este furnizată materialului de pe suprafețe fierbinți sau de radiații de la ecrane încălzite. Deoarece cu uscare prin congelare nu există oxidare din oxigenul atmosferic și nu se modifică dimensiunile produsului, este posibil să se obțină produse de înaltă calitate care abordează produsele proaspete în indici organoleptici și conținutul de vitamine și substanțe odorifere și alte substanțe.
Uscătoarele dielectrice cu căldură sunt utilizate în principal pentru uscarea materialelor care au o rezistență ridicată la mișcarea internă a umidității (creioane, matrițe subțiri de turnare). Curenții de înaltă frecvență produși de generatoare speciale sunt folosiți pentru a încălzi materialul care este uscat pe toată grosimea materialului, accelerând astfel procesul de uscare. Este posibil să reglați temperatura și conținutul de umiditate pe întregul volum al materialului. Sub acțiunea câmpurilor electrice de înaltă frecvență, ionii și electronii din material își schimbă direcția de mișcare sincron cu modificările semnului sarcinii de pe plăcile condensatorului, moleculele dipolice dobândesc o mișcare de rotație, iar moleculele nepolare sunt polarizate în virtutea deplasarea sarcinii lor. Aceste procese, care sunt însoțite de frecare internă, conduc la evoluția căldurii și la o încălzire a materialului care este uscat. Acest tip de uscare poate fi utilizat pentru materiale plastice, produse din cauciuc și alte materiale care au proprietăți dielectrice.
Uscarea materialelor solide este un proces obișnuit în industria chimică, prelucrarea alimentelor, hârtia, prelucrarea lemnului, materialele de construcții, pielea și industria textilă. În lucrările de turnătorie, uscarea este utilizată pentru întărirea și conferirea proprietăților fizico-mecanice necesare matrițelor și miezurilor, precum și pentru eliminarea excesului de umiditate din vopselele și lustrurile aplicate pe suprafața matrițelor și miezurilor. Uscarea lichidelor se efectuează cu substanțe deshidratante, cum ar fi anhidridă fosforică, acid sulfuric concentrat și clorură de calciu anhidră, care nu reacționează cu lichidele care leagă apa care sunt uscate.
Uscarea gazelor (aer, gaze arse) se realizează în principal prin metodele de absorbție și adsorbție. Metoda de absorbție se bazează pe absorbția (dizolvarea) umezelii din gaze folosind solvenți lichizi (absorbanți) care nu reacționează chimic cu gazul care este uscat. Absorbanții obișnuiți includ soluții de dietilen glicol, trietilen glicol, glicerol, clorură de calciu și alcalii caustici, deși utilizarea clorurii de calciu este limitată din cauza efectului coroziv asupra echipamentelor. Sistemele de uscare a gazelor prin absorbție includ absorbanți, dezorbitori, diverse unități de schimb de căldură și pompe pentru deplasarea soluțiilor.
Metodele de adsorbție se bazează pe adsorbția umezelii din gaze de către substanțe solide cu porozitate ridicată cunoscute sub numele de adsorbanți, printre care bauxite, alumină activă, silicagel și zeoliți (site moleculare). Acești adsorbanți sunt ușor de regenerat și absorb 3-12% din umiditate (în greutate). Unitățile de adsorbție pentru uscarea gazelor includ adsorbanți plini de sorbent și echipamente de schimb de căldură (încălzitoare, răcitoare). Desorbția de umiditate (regenerare) se efectuează prin suflarea unui curent de gaz fierbinte sau abur supraîncălzit printr-un strat de adsorbant saturat.
Alte metode de uscare a gazelor se bazează pe condensarea sau înghețarea umezelii cu scăderea temperaturii. Aceste metode sunt efectuate în schimbătoare de căldură care funcționează alternativ, unde gazul este răcit cu apă sau un agent de răcire la temperatură scăzută; în acest din urmă caz, umezeala conținută în gaz precipită sub formă de zăpadă sau îngheț. Creșterea presiunii are un efect favorabil asupra uscării gazelor prin metoda de răcire.
Gazele sunt uneori uscate prin aducerea lor în contact cu substanțe higroscopice solide, în special cu potasiu caustic sau sodă caustică. Aici, gazele care trebuie uscate sunt trecute prin unități umplute cu absorbant. Uscarea gazelor precede adesea fracționarea gazelor prin metode de rectificare sau condensare parțială, precum și transportul gazelor combustibile prin conducte.
REFERINȚE
Uscare
Uscarea solidelor
La uscarea solidelor, produsul final dorit este în formă solidă. Astfel, chiar dacă solidul este inițial în soluție, problema producerii acestui solid sub formă uscată este clasificată la această rubrică. Conținutul final de umiditate al solidelor uscate este de obicei mai mic de 10% și, în multe cazuri, mai mic de 1%.
Mecanismul de uscare a solidelor este în mod rezonabil simplu ca concept. Când uscarea se face cu gaze încălzite, în cel mai general caz, un solid umed începe să se usuce ca și cum apa ar fi prezentă singură fără niciun solid și, prin urmare, evaporarea se desfășoară așa cum s-ar întâmpla de la așa-numita suprafață de apă liberă, adică ca apa care stă într-o tigaie deschisă. Prin urmare, perioada sau etapa de uscare din această fază inițială este denumită în mod obișnuit perioada de rată constantă, deoarece evaporarea are loc la o rată constantă și este independentă de solidul prezent. Prezența oricăror săruri dizolvate va face ca rata de evaporare să fie mai mică decât cea a apei pure. Cu toate acestea, această rată mai mică poate fi încă constantă în primele etape de uscare.
O teorie fundamentală a uscării depinde de cunoașterea forțelor care guvernează fluxul de lichide în interiorul solidelor. S-au făcut încercări de a dezvolta o teorie generală a uscării pe baza faptului că lichidele se deplasează în interiorul solidelor printr-un proces difuzional. Cu toate acestea, acest lucru nu este adevărat în toate cazurile. De fapt, doar într-un număr limitat de tipuri de solide are loc o adevărată difuzie a lichidelor. În majoritatea cazurilor, mecanismul de curgere internă rezultă dintr-o combinație de forțe care pot include capilaritatea, gradienții de presiune interni cauzați de contracție, o secvență de curgere vapor-lichid cauzată de gradienții de temperatură, difuzie și osmoză. Datorită complexității mecanismului de curgere internă, nu a fost posibil să se dezvolte o teorie generalizată a uscării aplicabilă tuturor materialelor. Numai în uscarea anumitor obiecte în vrac, cum ar fi lemnul, ceramica și săpunul, s-a obținut o înțelegere semnificativă a mecanismului intern care permite controlul calității produsului.
Cele mai multe investigații de uscare au fost făcute din așa-numitul punct de vedere extern, unde efectele mediului de uscare extern, cum ar fi viteza aerului, umiditatea, temperatura și forma materialului umed și subdivizarea sunt studiate în ceea ce privește influența lor asupra ratei de uscare. Rezultatele unor astfel de investigații sunt de obicei prezentate ca curbe de viteză de uscare, iar natura acestor curbe sunt utilizate pentru a interpreta mecanismul de uscare.
Când materialele sunt uscate în contact cu suprafețe fierbinți, denumite uscare indirectă, umiditatea aerului și viteza aerului nu mai pot fi factori semnificativi care controlează rata. „Bunătatea” contactului dintre materialul umed și suprafețele încălzite, plus temperatura suprafeței, vor fi controlante. Aceasta poate implica agitarea materialului umed în unele cazuri.
Echipamentele de uscare pentru solide pot fi grupate în mod convenabil în trei clase pe baza metodei de transfer de căldură pentru evaporare. Prima clasă se numește uscătoare directe; clasa a doua, uscătoare indirecte; iar clasa a treia, uscătoare cu căldură radiantă. Uscătoarele în lot sunt limitate la capacități reduse și timpii de uscare lungi. Majoritatea operațiunilor de uscare industrială se efectuează în uscătoare continue. Numărul mare de diferite tipuri de uscătoare reflectă eforturile de a manipula un număr mai mare de materiale umede în moduri care duc la contactul cel mai eficient cu mediul de uscare. Astfel, prăjiturile de filtru, pastele și materialele similare, atunci când sunt preformate în bucăți mici, pot fi uscate de multe ori mai repede în uscătoarele continue cu circulație decât în uscătoarele cu tavă. În mod similar, materialele care sunt pulverizate pentru a forma picături mici, ca la uscare prin pulverizare, se usucă mult mai repede decât la uscare prin circulație.
Uscarea gazelor
Eliminarea a 95-100% din vaporii de apă din aer sau alte gaze este frecvent necesară. Gazele cu un punct de rouă de -40 ° F (-40 ° C) sunt considerate uscate din punct de vedere comercial. Motivele mai importante pentru îndepărtarea vaporilor de apă din aer sunt (1) confortul, ca și în cazul aerului condiționat; (2) controlul umidității atmosferelor de fabricație; (3) protecția echipamentelor electrice împotriva coroziunii, scurtcircuitelor și descărcărilor electrostatice; (4) necesitatea aerului uscat pentru utilizare în procesele chimice în care umezeala prezentă în aer afectează negativ economia procesului; (5) prevenirea adsorbției apei în transportul pneumatic; și (6) ca o condiție prealabilă a lichefierii.
Gazele pot fi uscate prin următoarele procese: (1) absorbția prin utilizarea camerelor de pulverizare cu lichide organice precum glicerina sau soluții apoase de săruri precum clorura de litiu și prin utilizarea coloanelor ambalate cu flux contracurent de acid sulfuric, acid fosforic, sau lichide organice; (2) adsorbția prin utilizarea adsorbanților solizi, cum ar fi alumina activă, silicagel sau sitele moleculare; (3) compresie la o presiune parțială a vaporilor de apă mai mare decât presiunea de saturație pentru a efectua condensarea apei lichide; (4) răcirea sub punctul de rouă al gazului cu condensatoare de suprafață sau spray-uri cu apă rece; și (5) compresie și răcire, în care deshidratanții lichizi sunt utilizați în procesele continue în camerele de pulverizare și turnurile ambalate - desicanții solizi sunt în general utilizați într-o operație intermitentă care necesită întrerupere periodică pentru regenerarea desicantului uzat.
Desecanții sunt clasificați ca adsorbanți solizi, care elimină vaporii de apă prin fenomenele de adsorbție de suprafață și condensare capilară (silicagel și alumină activată); absorbanți solizi, care elimină vaporii de apă prin reacție chimică (sulfat de calciu anhidru topit, var și perclorat de magneziu); absorbanți deliquescenți, care elimină vaporii de apă prin reacție chimică și dizolvare (clorură de calciu și hidroxid de potasiu); sau absorbanți lichizi, care elimină vaporii de apă prin absorbție (acid sulfuric, soluții de clorură de litiu și etilen glicol).
Metodele mecanice de uscare a gazelor, comprimarea și răcirea și refrigerarea, sunt utilizate în operațiuni pe scară largă și sunt în general metode mai costisitoare decât cele care utilizează desicanți. Astfel de metode mecanice sunt utilizate atunci când este necesară comprimarea sau răcirea gazului.
Deshidratanții lichizi (acizi concentrați și lichide organice) sunt în general lichide în toate etapele unui proces de uscare. Deshidratanții solubili (clorură de calciu și hidroxid de sodiu) includ acele solide care sunt deliquescente în prezența concentrațiilor ridicate de vapori de apă.
Sărurile și hidrații deliquescenți sunt utilizați în general ca soluții concentrate din cauza dificultăților practice în manipularea, înlocuirea și regenerarea solidelor corozive umede. Gradul de uscare posibil cu soluții este mult mai mic decât cu solidele corespunzătoare; dar, acolo unde sunt necesare doar umidități moderat scăzute și volume mari de aer sunt uscate, soluțiile sunt satisfăcătoare. Vedea Filtrare, transfer de căldură, umidificare, operații de unitate