Процесс сублимационной сушки

Принципиальная схема сублимационной сушильной установки, состоящей из сушильной камеры (сублиматора), охлаждаемого конденсатора и вакуум-насоса, соединенных в замкнутую вакуумируемую систему, представлена на рисунке.

После предварительного охлаждения конденсатора до заданной отрицательной температуры влажный продукт загружают в сублиматор, систему герметизируют и приводят в действие вакуум-насос.

Содержание первого периода работы установки – периода вакуумирования системы до заданного низкого давления — зависит от состояния загружаемого продукта, подлежащего сушке (замороженный или с положительной температурой). Если в сублиматор помещен влажный продукт с положительной температурой, при вакуумировании системы происходит интенсивное испарение влаги с его поверхности. При отсутствии теплоподвода к продукту теплота, необходимая дли испарения, отбирается от самого продукта, происходит его охлаждение, а затем замораживание содержащейся в нем свободной влаги и дальнейшее охлаждение замороженного продукта до отрицательной температуры, при которой устанавливается равновесие между давлением пара над поверхностью испарения и давлением в окружающем вакуумированном объеме. Этот процесс принято называть самозамораживанием продукта.

Если в сублиматор помещают предварительно замороженный продукт, начальный период вакуумирования объема может сопровождаться сублимацией льда с открытой поверхности лишь при условии, что давление пара в окружающей среде меньше давления пара, соответствующего температуре продукта, до установления равновесия.

В том и другом случае дальнейший процесс сублимации льда возможен только при нарушении этого равновесия. Поэтому, после того как будет достигнут нужный вакуум в системе и установится соответствующая ему отрицательная, температура продукта, начинают подводить к продукту тепло, за счет которого осуществляется процесс сублимационной сушки. При подведении тепла сначала происходит сублимация льда из зоны, непосредственно прилегающей к открытой поверхности продукта. Интенсивность сублимационной сушки (количество влаги в килограммах, удаляемой с 1 кв.м. высушиваемого продукта в час) определяется количеством тепла, воспринимаемого этой зоной продукта, условиями удаления пара от поверхности продукта и его исходными свойствами.

В дальнейшем зона сублимации постепенно углубляется в толщу продукта, и образующийся пар на пути к открытой поверхности преодолевает сопротивление уже высохшего слоя.

В течение некоторого времени замедляющее действие этого сопротивлении компенсируется увеличением действительной поверхности испарения за счет углубления зоны сублимации, поэтому интенсивность процесса сушки не изменяется. Затем в ходе сушки толщина слоя подсохшего продукта над зоной сублимации увеличивается, сопротивление этого слоя подводу тепла в зону сублимации и удалению пара из нее также увеличивается, процесс парообразования замедляется и интенсивность сушки снижается.

Режим и скорость перемещения пара по капиллярам высохшего слоя зависят от их размеров, формы и расположения, температуры продукта и разрежения в системе. Перемещение пара, вероятно, сопровождается адсорбцией части его высохшим слоем, обладающим высокой гигроскопичностью, с последующим вторичным выделением пара за счет затраты дополнительной теплоты десорбции, подводимой к поверхностным слоям.

Вследствие уменьшения самоохлаждения продукта при снижающейся интенсивности парообразования температура продукта начинает повышаться. Зона сублимации, углубляясь, достигает центрального слоя продукта, и, наконец, возгоняется весь лед, содержавшийся в образце.

Завершение процесса сублимационной сушки происходит, когда температура всего продукта становится положительной. К этому времени в продукте остается главным образом связанная влага, для удаления которой требуется повышенный расход энергии. Однако подвод тепла в толщу подсохшего, ставшего пористым, продукта затруднен. Поэтому последний период процесса – досушивание материала до заданной конечной влажности – происходит при снижении скорости сушки и непрерывном повышении температуры продукта.

Теплоподвод прекращают после того, как материал во всем объеме нагреется до наибольшей, допустимой для него температуры. Опытом установлено, что при повышении температуры продуктов к концу периода удаления остаточной влаги до 30…60°С (в зависимости от свойств продукта) качество их не ухудшается.

Сушку заканчивают по достижении заданной влажности продукта (обычно около 2%). После этого нарушают вакуум в системе, и готовый продукт выгружают для упаковки.