12. SUŠENÍ Při sušení odstraňujeme z tuhého u zadrženou kapalinu, většinou vodu. Odstranění kapaliny z tuhé fáze může být realizováno mechanicky (filtrací, lisováním, odstředěním), fyzikálně-chemicky (adsorpcí nebo absorpcí) nebo tepelně (převod kapaliny do par teplem). Energeticky nejnákladnější a tedy nejdražší, je tepelné sušení. Kapalina je zadržována tuhou fází jako volná, vázaná a adsorbovaná vlhkost. Kapalina zadržená na povrchu tuhé fáze (mokrý povrch), která má stejné vlastnosti, např. tlak par, bod varu a jiné, jako samotná kapalina s rovným povrchem je volná vlhkost. Vázaná vlhkost je kapalina zadržená v malých pórech tuhé fáze. Kapalina, která smáčí tuhou fázi, vykazuje tzv. kapilární elevaci, což je vzestup kapaliny v kapiláře (trubička s malým vnitřním průměrem) nad hladinu kapaliny v rezervoáru, obr. 12.1. Čím užší kapilára, tím výš hladina kapaliny vystoupá a tím je meniskus více zakřivený (po vnitřním obvodu kapiláry kapalina šplhá vzhůru, hladina je tedy prohnuta dovnitř). Rovnovážný tlak par nad kapalinou v kapiláře je nižší než tlak par nad rovným povrchem kapaliny při stejné teplotě v důsledku zakřivení povrchu kapaliny. Čím prohnutější meniskus, tím je rovnovážný tlak par nižší a bod varu kapaliny je proto vyšší. Snižování tlaku par s rostoucím zakřivením menisku si můžeme zjednodušeně vysvětlit tím, že větší část molekuly na povrchu je ponořena v kapalině při zakřivené než rovné hladině. Molekuly více ponořené do kapaliny jsou více přitahovány do kapaliny a k překonání přitažlivých sil na povrchu a uniknutí z kapaliny je zapotřebí větší kinetická energie. Jelikož se průměr pórů směrem do objemu tuhé fáze většinou zmenšuje, rovnovážný tlak par kapaliny se při postupu do tuhé fáze v pórech snižuje a bod varu kapaliny se zvyšuje. Adsorbovaná vlhkost jsou molekuly kapaliny vázané na aktivních místech povrchu silami částečně chemické povahy. Tlak par kapaliny, p, s teplotou exponenciálně roste, zatímco tlak par kapaliny okolí, p g, je na teplotě nezávislý a je dán vnějšími podmínkami, jako vlhkostí použitého sušícího media. Proto při zahřátí u nad určitou teplotu T k, při níž se rovnovážný tlak par kapaliny vyrovná tlaku par kapaliny v okolí (v sušícím mediu), dochází k přechodu kapaliny formou par do okolí, tj. dochází k sušení u, obr. 12.1. Při teplotě nižší než T k, kdy rovnovážný tlak kapaliny je nižší než tlak kapaliny v okolí, pohlcuje vlhkost z okolí, tj. dochází k vlhnutí u. K sušení u dochází v případě, kdy sušený je vlhčí než sušící medium (plynná fáze), tedy kdy rovnovážný tlak par kapaliny zadržované tuhou fází je vyšší než tlak par kapaliny v okolním prostředí. Materiál vlhne, kapalina přechází z plynné do tuhé fáze, pokud je sušící medium (plynná fáze) vlhčí než sušený, tj. tlak par kapaliny v sušícím mediu je větší než rovnovážný tlak par kapaliny. Tepelně sušenému u je třeba dodat značné množství tepla k převedení kapaliny do páry, přinejmenším výparné teplo kapaliny, H výp. Sušení je energeticky velmi náročná a tudíž drahá operace. Proto se vždy snažíme (pokus je to možné) co nejvíce zadržené vlhkosti odstranit jinými metodami, např. mechanicky, a jen zbytkovou vlhkost odstranit tepelně. 1 p p g Obr. 12.1 Kapilární elevace vlhnutí T k sušení T Obr. 12.2 Tenze par nad kapalinou jako funkce teploty
12.1 KINETIKA SUŠENÍ TEPLEM Vyjádřeme rychlost sušení u, r, jako množství kapaliny odstraněné z jednotky hmoty vlhkého u za jednotku času [(kg odstraněné kapaliny)/(kg výchozího vlhkého u)]. Začneme-li zahřívat sušícím mediem o konstantní teplotě, po překročení kritické teploty T k se rychlost sušení zvyšuje se stoupající teplotou (etapa I) až do doby, kdy teplota u dosáhne bodu varu kapaliny T v. Volná vlhkost na povrchu tuhé fáze se vypařuje konstantní rychlostí (etapa II) tak dlouho, dokud není veškerá přítomná volná vlhkost odstraněna, tj. rychlost sušení je konstantní. Po celou dobu odpařování volné vlhkosti se teplota u nemění, protože dodané teplo se spotřebovává na vypaření kapaliny. Jakmile je volná vlhkost odstraněna, dodávané teplo zvyšuje postupně teplotu u a dochází k odpařování kapaliny z pórů (etapa III). Jelikož se průměr pórů zaplněných kapalinou postupně snižuje, klesá i množství odpařené kapaliny v čase, tj. klesá rychlost sušení. Po odstranění kapaliny z pórů se teplota u dále zvyšuje a dochází k 0 T k Obr. 12.1.1 t Rychlost sušení jako funkce času I zahřívání, II odstraňování volné vlhkosti, III odstraňování vázané vlhkosti, IV odstraňování adsorbované vlhkosti postupnému odstraňování adsorbované vlhkosti (etapa IV). Této silně vázané vlhkosti je velmi málo, a proto rychlost sušení rychle klesá téměř k nule. Konečná vlhkost u je závislá na teplotě sušícího media T m, tj. na konečné teplotě u, na kterou jej může sušící medium zahřát. Průběh rychlosti sušení a teploty u v závislosti na čase je schematicky ukázán na obr. 12.1.1. r I II III IV T T m T v Na obr. 12.1.2 je schematicky uveden časový vývoj obsahu vlhkosti sušeného u v jednotlivých, výše uvedených, etapách sušení Obsah vlhkosti je vyjádřen jako hmotnost vlhkosti obsaženého v 1 kg suchého u, na obr. 12.1.2 modrá křivka. Červená křivka ukazuje teplotu sušeného v závislosti na době sušení. Teplota sušícího media T se v průběhu operace nemění. Přestože rychlost sušení v etapě IV rychle klesá k nule, obr. 12.2, je konečná (rovnovážná) relativní vlhkost u r, která je dána tenzí par kapaliny v sušícím mediu, dosažena jen pozvolně a za velmi dlouhou dobu. 12.2 ZPŮSOBY SUŠENÍ TEPLEM T Obr. 12.1.2 Obsah vlhkosti jako funkce času Sušení teplem může být realizováno buď jako přímé (konvekční) sušení, kdy sušený přichází do styku se sušícím mediem (plynem), nebo nepřímé (kontaktní), kdy je teplo sušenému u předáváno přes teplosměnnou topný plyn Obr. 12.2.1 Přímé sušení z povrchu (a) a z objemu (b) 2 a plyn a páry suchý topný plyn b plyn a páry
plochu. Oba způsoby mohou být vedeny za normálního, nebo sníženého, tlaku. Přímé sušení může být realizováno buď z povrchu, kdy sušící medium (teplý plyn) proudí nad povrchem sušeného u, obr. 12.2.1 a, nebo z objemu, kdy sušící medium prochází em, obr. 12.2.1 b, který je obvykle ve fluidním stavu. Pro přímé sušení je třeba ohromného množství topného media (plynu). Na vysušení 1 t u obsahujícího 5% vlhkosti na konečnou vlhkost 0.5% vzduchem je zapotřebí přes 235 m 3 vzduchu o relativní vlhkosti 50% a teplotě 93 C. Při přímém sušení odchází ze zařízení značný objem plynu, který často není možno přímo vypouštět do atmosféry. Z plynu musíme většinou odstranit stržené jemné částice u, a topný plyn ohřívač plynu pokud odstraňovaná kapalina není voda, je třeba také zkondenzovat její páry. Sušicí linka proto sestává z několika zařízení, viz obr. 12.2.2. Při nepřímém sušení je ve styku s teplosměnnou plochou, viz obr. 12.2.3, na kterou může být nanesen a po dobu sušení zůstat nepohyblivý anebo je po ní posunován pomocí mechanických prostředků. Topným mediem je horká kapalina nebo pára. Značnou výhodou nepřímého sušení jsou nízké až žádné prachové emise a malý objem odplynů odcházejících ze sušárny, které většinou není třeba odprášit. Nepřímé sušení lze také vést v podtlaku, což zintenzivňuje proces sušení. 12.3 SUŠÁRNY S PŘÍMÝM SUŠENÍM topné medium Nejjednodušším typem sušárny s přímým sušením z povrchu je komorová (lísková) sušárna, obr. 12.3.1. Sušárna je v podstatě uzavřená a tepelně izolovaná skříň, do které se zaveze vozík s lískami naskládanými nad sebe (2), na kterých je tenká vrstva sušeného u. Nad lískami nuceně cirkuluje teplý vzduch uváděný do pohybu ventilátorem (3), který je ohříván tepelným výměníkem vytápěným parou (1). Část vlhkého vzduchu se po průchodu nad lískami odvádí do komína, zbytek cirkuluje dál a do zařízení se přisává nový vzduch. Množství odváděného a přisávaného vzduchu se řídí klapkami umístěnými na vstupu do komína a ve vstupním otvoru pro nasávání. Rychlost sušení je řízena množstvím odváděného a přisávaného vzduchu, jeho teplotou a rychlostí proudění. Sušení je rovnoměrné, nicméně doba sušení je dlouhá. Zařízení je energeticky velmi náročné; spotřebuje průměrně 3 kg topné páry na odpaření 1 kg vody. Komorová sušárna má sice univerzální použití, ale je vhodná jen pro malá množství sušeného u. 3 sušárna Obr. 12.2.3 Nepřímé sušení 1 3 cyklon suchý filtr kondenzát Obr. 12.2.2 Uspořádání sušící linky přímého sušení vzduch 2 páry Obr. 12.3.1 Komorová sušárna kondenzátor Suchý suchý komín
Tunelová sušárna, obr. 12.3.2, je typem sušárny s přímým sušením z povrchu, která pracuje kontinuálně. Sušený vstupuje nepřetržitě na pásovém dopravníku nebo v kontejnerech - misky nebo tažené vozíky (4) - do 2 sušárny, kam je buď vzduch 1 souproudně nebo protiproudně uváděn teplý vzduch ohřívaný kaloriferem (1). Část vzduchu je odváděna do komína (3) a ke zbytku je vlhký přisáván čerstvý vzduch zvenčí. Množství přisávaného a odváděného vzduchu je regulováno klapkami. Při souproudném uspořádání přichází nejteplejší a nejméně vodní parou nasycený vzduch do styku s nejvlhčím em, zatímco u protiproudního uspořádání nejteplejší vzduch je nejprve ve styku s již vysušeným em. Souproudné uspořádání má proto vyšší využití tepla ve srovnání s protiproudným uspořádáním, ale je méně vysušen než při protiproudném uspořádání. Tunelová sušárna má velkou kapacitu. Pásová sušárna, obr. 12.3.3, je rovněž typem sušárny s přímým sušením z povrchu. Sestává z jednoho nebo několika pod sebou umístěných pásových dopravníků, které se pohybují v opačném směru. Mokrý je nanášen na horní dopravník tak, aby tvořil nepříliš vysokou vrstvu o stejné tloušťce. Pokud je sušárna s několika pásy nad sebou, tak na konci prvního dopravníku přepadává na níže položený dopravník při čemž se promíchává a obrací. Z něj opět přepadává na dopravník umístěný pod ním. Ze spodního dopravníku odchází ze sušárny. Nad pásy dopravníků proudí vzduch o teplotě obvykle 80 až 150 C protiproudně vzhledem k pohybu u. Pokud jsou pásy perforované, vzduch prochází sušeným em a jde o sušení z objemu. Zařízení se vyznačuje dlouhou dobou sušení a kontinuálním provozem. Rotační sušárna, obr. 12.3.4, je mírně skloněný (do 6 ) válec 3 až 15 m dlouhý o průměru 1 až 3 m, který se otáčí rychlostí 1 až 8 ot/min. Sušárna může být opatřena vnitřními vestavbami, které zajišťují lepší promíchávání u a v případě přímého ohřevu také intenzivnější styk se sušícím mediem. Vlhký a sypký je vnášen do horní části 3 sušárny tak, aby naplnil asi 20% objemu válce. Sušárna je vyhřívána buď přímo proudem horkého vzduchu nebo spalin (v souproudném nebo protiproudném režimu) anebo nepřímo pláštěm v případě, že nesmíme znečistit sušený, nebo je třeba zabránit úletu jemných částic ze sušárny, pokud sušíme silně prášící. Ze sušárny je vynášeno 0.5 až 5% 4 Obr. 12.3.2 Tunelová sušárna v protiproudném uspořádání Obr. 12.3.3 Pásová sušárna Obr. 12.3.4 Rotační sušárna s vnitřní vestavbou suchý 4
u formou úletů. V protiproudném režimu jsou ztráty u formou úletů menší než v souproudném režimu. Sušení z objemu je realizováno v rozprašovací sušárně, obr. 12.3.5, používané k sušení past, nebo k úplnému odstranění kapaliny z roztoků a suspenzí. Vzhledem ke krátké době styku sušené látky se sušícím mediem (většinou horký vzduch), 3 až 30 s, je toto zařízení vhodné zejména pro sušení termolabilních látek. Pasta, roztok nebo suspenze, se atomizérem (talíř rotující až 10000 ot/min nebo trysky) rozpráší na malé částice do proudu horkého vzduchu. S klesající velikostí částic roste intenzita sušení. Proud horkého vzduchu o rychlosti do 1 m/s může být veden vzhledem k částicím souproudně nebo protiproudně. Část vysušeného u se shromažďuje ve formě sférických částic ve spodní části sušárny a velmi jemná frakce, která je vynášena sušícím mediem ze sušárny, se oddělí např. v cyklonu. Materiál Plyn Produkt Obr. 12.3.5 Rozprašovací sušárna Odplyny Cyklon Proudová (pneumatická) sušárna, obr. 12.3.6, suší z objemu u. Sušící medium (proud horkého vzduchu) suší a současně dopravuje, který musí být zrnitý, nelepivý a neabrazivní. Materiál je dávkován, např. šnekovým dávkovačem, do proudu plynu o rychlosti 10 až 40 m/s. Materiál je dopravován 10 až 20 m dlouhým potrubím, kde dochází k sušení. Velké částice, které plyn neunese, padají do mlýna pod dávkovačem, kde jsou rozemlety a proudící plyn je vynese do potrubí. Suchý je oddělen z proudu plynu v cyklonu. V případě, že se jemné částice u v cyklonu nezachytí, je za cyklonem zařazen ještě filtr. Zdržení u v proudu plynu je krátké, asi 10 s, a proto je tento typ sušárny vhodný pro termolabilní látky. Při sušení dochází ke značné degradaci u, tj. ke zmenšení velikosti částic, v důsledku otěru a nárazů na Obr. 12.3.6 Proudová sušárna stěny, nebo mezi sebou. Sušárna může být provozována buď v podtlaku, kdy se zamezí prášení v netěsných spojích, nebo v přetlaku. Proudová sušárna pracuje v kontinuálním režimu. Fluidní sušárna, obr. 12.3.7, je zařízení, ve kterém je realizováno přímé sušení z objemu u. Horký vzduch o teplotě 100 až 200 C prochází objemem vlhkého u, který je kontinuálně uváděn na mírně skloněný děrovaný rošt, který může být nepohyblivý nebo může horizontálně vibrovat. Vzduch je uváděn pod rošt v takovém množství, aby byl ve vznosu, jeho částice 5 Materiál Obr. 12.3.7 Fluidní sušárna Produkt Jemný podíl
se vzájemně nedotýkaly, ale aby nebyl unášen proudem plynu ze sušárny. Vzhledem k tomu, že se částice nedotýkají, nedochází k jejich degradaci (zmenšování velikosti) otěrem, obr. 12.3.8. V tomto tzv. fluidním stavu se chová jako vroucí kapalina, ve které se všechny částice neustále pohybují, promíchávají a mají velmi dobrý kontakt se sušícím mediem. Proto sušení probíhá rychle s tepelnou účinností vyšší než u předchozích typů sušáren. K dalšímu zvýšení tepelné účinnosti mohou být v sušárně do toku u instalovány ještě teplosměnné plochy. Vlhký vzduch, který opouští sušárnu, je veden do cyklonu k odstranění stržených jemných částic a potom odchází do atmosféry. Fluidní sušárna je vhodná pro jemně až středně zrnité y. Obr. 12.3.8 Fluidní stav 12.4 SUŠÁRNY S NEPŘÍMÝM SUŠENÍM Sušárny s nepřímým sušením (kontaktní sušárny) se používají zejména pro sušení ů produkovaných v malých, nebo středně velkých šaržích, které nesmí přijít do styku s horkým vzduchem nebo spalinami, nesmí se znečistit stykem s okolní atmosférou anebo nesmí uniknout do okolí ani v minimálním množství. Teplo je sušenému u předáváno přes teplosměnnou plochu, která může být představována buď stěnami zařízení, nebo topnými elementy vloženými do zařízení, které jsou v přímém styku se sušeným em. Teplosměnným mediem je většinou pára nebo topná kapalina. Páry jsou odsávány ventilátorem nebo vývěvou. Nepřímé sušení je vhodné pro termolabilní y a je časově náročné. Energetiky je nepřímé sušení výhodnější než sušení přímé. Nejjednodušším zařízením s nepřímým sušením je kuželový sušič, obr. 12.4.1, což je v postatě kuželový směšovač s vytápěnými stěnami, který je napojený na vývěvu. Otáčení sušiče kolem horizontální osy zajišťuje dobré promíchávání u a jeho pravidelný kontakt s teplosměnnou plochou. Kuželový sušič je vhodný pro volně tekoucí y. Disková sušárna, obr. 12.4.2, sestává z dutých disků vyhřívaných zevnitř, které jsou upevněny na společné hřídeli. Disky se otáčí v uzavřeném vyhřívaném žlabu a posunují Obr. 12.4.2 Disková sušárna umístěným v malém objemu. Obr. 12.4.1 Kuželový sušič sušený směrem k výstupu. Mezi disky jsou umístěna míchadla, která jednak promíchávají sušený a zajišťují tak dobrý styk veškerého u s teplosměnnými plochami a jednak seškrabují eventuálně ulpěný na povrchu disku, který by omezoval přestup tepla. Diskové sušárny se vyznačují velkým teplosměnným povrchem Lopatková sušárna, obr. 12.4.3. Je to nepohyblivý horizontální žlab vyhřívaný pláštěm, ve kterém se pohybuje lopatkové míchadlo, případně zevnitř vyhřívané. Míchadlo zajišťuje účinné promíchávání u a jeho dobrý kontakt s teplosměnnou plochou. Sušárna pracuje šaržovitě Obr. 12.4.3 Lopatková sušárna 6
nebo kontinuálně a je vhodná i pro hrudkovité a obtížně míchatelné y. Žlabová sušárna je uzavřená, pláštěm vyhřívaná, válcová komora opatřená vyhřívaným šnekem. Tato sušárna je v podstatě totožná se šnekovým dopravníkem. Míchadlo se otáčí rychlostí 5 až 50 ot/min, přičemž s rostoucími otáčkami se zlepšuje přestup tepla z teplosměnné plochy do u. Doba zdržení u v sušárně je určena rychlostí otáčení šneku. Žlab se plní na přibližně 60% objemu. Materiál je šnekem převracen, roznášen po stěnách a také drcen. Sušárna může pracovat šaržovitě i kontinuálně. Žlabová sušárna je určena především pro práškovité a těstovité y, které mají sklon ke spékání. Talířová sušárna, obr. 12.4.4, je velká válcová uzavřená skříň, ve které jsou nad sebou umístěny talíře vyhřívané zevnitř parou. V sušárně je obvykle 6 až 8 talířů. Středem sušárny prochází otáčející se osa, na kterou jsou nad každým talířem upevněna ramena se škrabkami, které promíchávají a současně jej posunují po talíři. Po horním talíři je posouván k okraji, přes něj přepadá na níže položený talíř o větším průměru, který má středový otvor. Materiál je po talíři posunován do středu talíře a středovým otvorem propadává na nižší talíř, který přiléhá k ose. Tento pohyb u po talířích se opakuje, až z posledního talíře vypadává ze sušárny. Sušený se v sušárně zdrží značně dlouhou dobu. Talířová sušárna může také obsahovat jen jeden talíř. Obr. 12.4.4 Talířová sušárna Vakuová sušárna, obr. 12.4.5, je uzavřená konická vertikální nádoba vyhřívaná pláštěm podobná kónickému směšovači. V nádobě se těsně u stěny pohybuje spirálové nebo šnekové míchadlo, které může být také vyhříváno. Šnekové míchadlo vykonává kromě otáček kolem vlastní osy také planetární pohyb po obvodu nádoby, stejně jako ve šnekovém směšovači. Tím je zajišťováno promíchávání u, obměna u ve styku s vyhřívanou stěnou a také je usnadňován odchod par kapaliny ze sušeného u. V sušárně je udržován podtlak. Páry odcházející ze sušárny jdou přes filtr, který odstraňuje unášené jemné částice, do kondenzátoru, kde jsou páry zkondenzovány a teprve potom je zařazena vývěva. Kondenzací se výrazně sníží objem odsávaných par, čímž se vytvoří dodatečný sací efekt, který zvyšuje podtlak v sušárně a tím se snižuje požadavek na výkon vývěvy. Vysušený je vypouštěn spodní výpustí. Doba sušení závisí kromě teploty a tlaku také Obr. 12.4.5 Vakuová sušárna na rychlosti otáček míchadla kolem své osy a rychlosti planetárního pohybu míchadla. Tato sušárna je obzvláště vhodná pro termolabilní látky pro nižší teplotu sušení v podtlaku. Vakuová sušárna tohoto typu se plní na asi 80% objemu a pracuje šaržovitě. Válcová sušárna, obr. 12.4.6, je v podstatě jeden, nebo dva zevnitř vyhřívané válce, které se otáčí rychlostí 2 až 8 ot/min. Na povrch válce se z míchaného zásobníku nanáší tenká vrstva, do 1 mm, sušeného u, který může být ve formě řídké nebo kašovité suspenze 7 Obr. 12.4.6 Válcová sušárna
těstovité nebo lepivé husté kapaliny. Ve dvouválcové sušárně se sušený nanáší mezi válce, které se otáčí v opačném smyslu. Během otočky válce se usuší a do zásobníku je seškrabován mechanickou škrabkou. Válcová sušárna je energeticky poměrně málo náročná a hlavně neprodukuje prachové emise. Radiofrekvenční (RF) sušárna. Sušený prochází vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem o frekvenci 15 40 MHz (jednotka frekvence 1 Hz (Hertz) je jeden kmit za sekundu). Toto pole proniká jednotky metrů do hloubky objemu u (frekvence vln užívaná v mikrovlnné troubě je kolem 2000 MHz a tyto vlny pronikají jen několika centimetrů do objemu u). Molekuly vody se orientují podle měnícího se pole a oscilují (převrací se) podle jeho polarity. Při tomto rychlém pohybu se v důsledku třením molekul vody s okolí se velmi rychle zahřejí v celém objemu a vlhkost se odpařuje. Množství generovaného tepla lze řídit frekvencí pole a napětím. Při tepelném sušení teplo je předáváno z povrchu u do jeho objemu vedením, takže je horký na povrchu a chladný uvnitř. Navíc ustavený teplotní gradient působí proti odvodu vlhkosti Tepelné sušení z objemu u. Při RF ohřevu se teplo generuje rovnoměrně v celém objemu u a je RF sušení chladnější na povrchu než v objemu. Vlhkost tak může snadno odcházet ze sušeného u. Sušení pomocí radiofrekvenčního pole je proto rychlejší než tepelné sušení, obr. 12.4.7. Obr. 12.4.7 Rychlost sušení 8