Технология сублимационной сушки

Физические представления о процессе сублимации

Успешное практическое использование технологий консервирования «живых систем» методом сублимационного обезвоживания невозможно без понимания основных физических процессов, происходящих в объектах сушки на стадии их предварительного замораживания, последующей сушки, упаковки и хранения.

Сублимация (возгонка) представляет собой переход вещества из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую фазу. Сублимация, как одна из разновидностей парообразования, возможна во всем диапазоне температур и давлений, при которых существуют твердая и газообразная фазы. В процессе возгонки давление пара вблизи твердой поверхности всегда ниже равновесного. В противном случае имеет место обратный процесс — конденсация вещества из газообразного состояния непосредственно в твердое, называемая десублимацией. В условиях, когда давление пара вблизи поверхности соответствует равновесному состоянию, количество молекул пара, покидающих твердую поверхность, равно количеству молекул, поглощаемых этой поверхностью, т. е. имеет место динамическое равновесие. При этом давление паров и температура твердого вещества находятся между собой в однозначном соответствии, определяемом по диаграмме состояния.

На рис. 10 представлена такая зависимость давления насыщенного пара воды (Р) от температуры (Т).

Кривые фазового равновесия между всеми тремя фазами на плоскости «температура—давление» делят диаграмму на 3 смежные области: область твердого, жидкого и газообразного состояния, пересекаясь в общей точке, называемой тройной точкой. Все 3 фазы могут существовать, находясь в равновесии друг с другом, лишь при единственных значениях температуры и давлении тройной точки. Кривая равновесия «жидкость—газ» оканчивается в точке С, называемой критической точкой. В этой точке разность объемов V данного количества жидкости и газа становится равной нулю.

Рис. 10. Диаграмма состояния воды в координатах Р—Т.

На рис. 10 видно, что если подводить теплоту к веществу в твердом состоянии при постоянном давлении, ниже давления тройной точки (вдоль прямой А—В), то произойдет испарение твердого тела, называемое возгонкой, или сублимацией. Кривая равновесия «твердая фаза — пар» позволяет определить параметры, при которых возможны процессы сублимации и десублимации. Часто эта зависимость представляется в табличном виде, например табл. 4 для льда.

Давление насыщенного водяного пара.

Для того чтобы сублимация стала физически возможной, парциальное давление в сублимационной камере должно быть ниже давления паров воды над продуктом, которое в свою очередь должно быть ниже давления тройной точки воды. Процесс сублимации может осуществляться как в условиях атмосферного давления (сухой холодный воздух, парциальное давление водяных паров в котором ниже 610 Па), так и при понижении общего давления, обычно ниже 70 Па (вакуумная сублимационная сушка). Необходимая для сублимации энергия называется теплотой сублимации, которая равна сумме теплоты плавления и испарения. Термодинамические закономерности сублимации и испарения из жидкой фазы идентичны.

Фазовые переходы — сублимация и десублимация, лежат в основе многих технологических процессов в пищевой, медицинской, химической и других отраслях народного хозяйства. Одним из наиболее распространенных процессов является сублимационная сушка. Сублимационной сушкой называют удаление влаги из замороженных материалов (пищевых продуктов, лекарственных препаратов и т. д.) путем возгонки (сублимации) льда, т. е. в результате непосредственного перехода льда в пар, минуя жидкую фазу.

В условиях промышленного производства процесс сушки проводят в вакууме при давлении парогазовой среды ниже давления, соответствующего тройной точке воды. В этих условиях при подводе энергии, необходимой для сублимации, не происходит плавление льда и его температура близка к равновесной. Если количество подводимого тепла недостаточно, происходит снижение скорости сушки, так как теплота фазового превращения для данной температуры постоянна (табл. 5). Подведение избыточного тепла нарушает заданный температурный режим сушки, что может привести к преждевременному размораживанию продукта.

Таблица 5

Теплота сублимации для температур от 10 до 30 °C.

В процессе сублимационной сушки подвод тепла в зону сублимации при ее углублении в толщу продукта затруднен. Это связано с тем, что слой подсохшего материала (теплопроводность которого примерно в 50 раз меньше замороженного) оказывает сопротивление как переходу пара из зоны сублимации с поверхности образца, так и передаче тепла от греющих элементов в зону сублимации. Тепловая энергия в зону сублимации передается через непрерывно увеличивающийся слой «тепловой изоляции».

Учитывая то, что сушке подвергаются материалы, различные по своим физико-химическим свойствам и структуре, однозначную оценку влиянию процессов внутреннего теплои массопереноса дать достаточно сложно. Разработанные в настоящее время высокоинтенсивные методы энергоподвода (например СВЧ-нагрев) указывают на то, что их применение для сушки некоторых видов материалов не оказывает существенного влияния на ускорение процесса или ускоряет его лишь до определенного предела.

Многочисленные эксперименты показывают, что в ходе сушки пищевых продуктов, лекарственных препаратов и т. д. сопротивление осушенного слоя движению паров из зоны сублимации в объем камеры не является лимитирующим фактором интенсификации процесса сушки. Давление паров в зоне сублимации (при толщине слоя высушиваемого материала на противнях порядка 10−20 мм) остается практически неизменным в течение всего периода сублимации. Это положение справедливо для сублимационных установок с кондуктивным либо кондуктивно-радиационным энергоподводом к объекту сушки.

Значительного сокращения процесса сушки термолабильных материалов в вакууме можно добиться, применив предложенный Ю. С. Коломийцевым способ периодического облучения сырья низкочастотными электромагнитными полями. При этом затраты электроэнергии снижаются в 1,5−2 раза.

Исследования ряда авторов, направленные на интенсификацию процесса сублимационной сушки, указывают на то, что немаловажное значение имеют условия внешнего теплои массопереноса, а также взаимосвязь таких важных параметров, как температура и давление. Влияние последних на продолжительность обезвоживания будет рассмотрено в следующем разделе.