CÁC QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ CƠ BẢN TRONG SẢN XUẤT DƢỢC PHẨM
8.4. Động học của quá trình sấy
8.4.1. Khái niệm chung về diễn tiến quá trình sấy
Động học nhằm nghiên cứu sự biến đổi hàm ẩm (độ ẩm) và nhiệt độ trung bình của vật liệu theo thời gian sấy, tức là tìm hai hàm này được xác định bởi tính chất hoá lý của vật liệu. Trường hàm ẩm và trường nhiệt độ được xác định bởi các quy luật của truyền vận ẩm và nhiệt bên trong vật liệu, cũng như sự trao đổi nhiệt ẩm với môi trường xung quanh.
Sự biến đổi nhiệt độ và hàm ẩm trung bình của vật liệu theo thời gian, trước hết được xác định bởi các quy luật tác dụng tương hỗ giữa vật liệu với môi trường xung quanh, tức là sự trao đổi nhiệt ẩm với môi trường bên ngoài.
8.4.2. Đường cong sấy
Trước hết, cần nắm được các quy luật căn bản của quá trình sấy vật liệu ẩm. Trong quá trình sấy, vật liệu nhận nhiệt từ bên ngoài và thải ẩm ra môi trường xung quanh.
Sự phụ thuộc (trên đồ thị) giữa hàm ẩm của vật liệu và thời gian sấy được gọi là đường cong sấy (hình 8.4). Để tìm được sự phụ thuộc này, đem vật liệu ẩm sấy đối lưu đơn giản bằng không khí nóng (xem nhiệt độ không khí tk, độ ẩm không khí k và tốc độ vk không đổi) và giả sử hàm
ẩm phân bố đều trong vật liệu (lớp vật liệu mỏng). Phân tích đường cong sấy và nhận thấy diễn biến của quá trình như sau (hình 8.4):
Hình 8.4. Sự biến đổi độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu theo thời gian sấy
● Giai đoạn đốt nóng vật liệu:
Nếu ban đầu nhiệt độ của vật liệu thấp hơn nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt của không khí, thì trong giai đoạn đốt nóng, nhiệt độ của vật liệu tăng lên. Trong giai đoạn này hàm ẩm vật liệu thay đổi rất chậm và thời gian diễn tiến nhanh.
● Giai đoạn sấy đẳng tốc:
Sau giai đoạn đốt nóng, hàm ẩm của vật liệu giảm tuyến tính theo thời gian sấy (đoạn thẳng trên đường cong sấy). Nếu gọi sự giảm hàm ẩm của vật liệu trong một đơn vị thời gian là tốc độ sấy (tức là là tốc độ sấy) thì trong giai đoạn này nên được gọi là giai đoạn đẳng tốc, giai đoạn sấy đẳng tốc kéo dài đến thời điểm mà hàm ẩm của vật liệu đạt đến giá trị wk nào đó (wk – gọi là độ ẩm tới hạn của vật liệu).
● Giai đoạn sấy giảm tốc:
Khi độ ẩm của vật liệu đạt đến một giá trị giới hạn wk thì tốc độ sấy bắt đầu giảm dần, và đường cong sấy chuyển từ đường thẳng sang đường cong tiệm cận dần đến độ ẩm của vật liệu trong điều kiện của quá trình sấy. Khi độ ẩm của vật liệu đạt giá trị độ ẩm cân bằng, hàm ẩm của vật liệu không giảm nữa và tốc độ sấy = 0, quá trình sấy kết thúc.
Như vậy thời gian sấy vật liệu bằng tổng thời gian của ba giai đoạn nói trên.
= 0 + 1 + 2
0 – thời gian đốt nóng vật liệu.
1 – thời gian sấy đẳng tốc.
2 – thời gian sấy giảm tốc.
8.4.3. Sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu trong quá trình sấy
Khi sấy, vật liệu nhận nhiệt lượng từ bên ngoài, trước hết lượng nhiệt được hấp thu trên bề mặt vật liệu, sau đó bằng dẫn nhiệt truyền vào bên trong vật liệu. Vì lẽ đó nhiệt độ bề mặt tăng sớm hơn nhiệt độ ở tâm vật liệu (hình 8.4). Trong giai đoạn đốt nóng, nhiệt độ vật liệu tăng từ nhiệt độ ban đầu 0 cho đến nhiệt độ 1 tương ứng với nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt của không khí môi trường xung quanh. Suốt giai đoạn sấy đẳng tốc, nhiệt độ vật liệu không thay đổi và vẫn giữ giá trị 1. Điều đó có nghĩa là trong giai đoạn sấy đẳng tốc chủ yếu tách ẩm tự do, và áp suất hơi ẩm trong vật liệu bằng áp suất hơi bão hoà trên bề mặt thoáng ( = 1), còn nhiệt độ bề mặt vật liệu bằng nhiệt độ bầu ướt (1 = m = tư). Nhiệt độ ở tâm vật liệu x đạt nhiệt độ bầu ướt chậm hơn một chút. Như vậy trong giai đoạn sấy đẳng tốc, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ ở tâm vật liệu
có giá trị như nhau (m = x = tư), nên gradien nhiệt độ trong vật liệu bằng không:
Ghi chú: Sự bay hơi đoạn nhiệt:
Để nước bay hơi vào môi trường xunh quanh, không khí đóng vai trò là phương tiện vận chuyển. Không khí mang nhiệt cung cấp cho bề mặt bay hơi của nước và nhận lượng hơi nước đem đi. Quá trình trao đổi nhiệt – ẩm xảy ra trong điều kiện đoạn nhiệt mà hàm ẩm của không khí tăng lên, còn nhiệt độ giảm đi.
Khi chuyển sang giai đoạn sấy giảm tốc, nhiệt độ bề mặt vật liệu tăng theo thời gian cuối quá trình sấy (lúc w = w0), nhiệt độ đạt giá trị nhiệt độ môi trường tk. Nhiệt độ ở tâm vật liệu cũng tăng theo thời gian, song chậm hơn, do vậy trong vật liệu xuất hiện gradien nhiệt độ . Gradien nhiệt độ này giảm dần đến lúc độ ẩm vật liệu đạt đến trạng thái cân bằng thì bằng không (lúc đó m = t = tk).
8.4.4. Tốc độ sấy
8.4.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy
Tốc độ sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu là:
– Bản chất vật liệu sấy: Cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính liên kết ẩm v.v…
– Hình dáng vật liệu: Kích thước mẫu sấy, chiều dày lớp vật liệu sấy v.v… Trong trường hợp các điều kiện khác không đổi ta có thể xem như tốc độ sấy tỷ lệ với tỷ số giữa bề mặt của các phần tử vật liệu sấy với thể tích của nó, bề mặt của vật liệu sấy càng lớn thì quá trình sấy tiến hành càng nhanh.
– Độ ẩm ban đầu và ban cuối của vật liệu sấy, đồng thời cả độ ẩm tới hạn của vật liệu.
– Độ ẩm không khí, nhiệt độ và tốc độ của không khí. Nhiệt độ không khí càng cao, tốc độ không khí càng lớn, độ ẩm tương đối của không khí càng nhỏ thì quá trình sấy tiến hành càng nhanh. Nhưng nhiệt độ không khí không thể vượt quá nhiệt độ sấy cho phép của từng loại vật liệu, cụ thể tốc độ của tác nhân sấy (không khí) cũng không thể quá lớn vì còn phụ thuộc vào điều kiện làm việc và chế độ sấy.
– Tác nhân sấy: Có thể sấy bằng không khí hoặc bằng khói lò, nếu bằng khói lò thì nhiệt độ cao, nhưng cũng chỉ sử dụng được với một số vật liệu chịu được nhiệt độ cao.
– Chênh lệch nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối của tác nhân sấy, nhiệt độ cuối giảm ít thì nhiệt độ trong bình của tác nhân sấy càng cao, do đó tốc độ sấy cũng tăng. nhưng không nên chọn nhiệt độ cuối quá cao vì không sử dụng triệt để nhiệt.
– Cấu tạo máng sấy, phương thức sấy và chế độ sấy.
Trên đây nêu lên một số yếu tố cơ bản có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ sấy và thời gian sấy, ta cần biết các yếu tố đó để khi tiến hành sấy một vật liệu cụ thể thì có thể chọn được những điều kiện sấy thích hợp nhất.
8.4.4.2. Đường cong tốc độ sấy
Như trên đã nói, khi sấy lượng ẩm bốc hơi giảm dần theo thời gian và do đó tốc độ sấy cũng biến đổi theo thời gian, tức là biến đổi theo độ ẩm của vật liệu. Vậy khi nghiên cứu về sấy ta nên tìm hiểu quan hệ giữa độ ẩm của vật liệu với thời gian sấy và quan hệ giữa tốc độ sấy với độ ẩm của vật liệu. Đối với từng vật liệu sấy cụ thể, ta có thể lấy những số liệu thực nghiệm và từ đó vẽ được đường biểu diễn các mối quan hệ trên. Đường biểu diễn mối quan hệ giữa độ ẩm W của vật liệu với thời gian sấy gọi là đường cong sấy (hình 8.5). Đường biểu diễn quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm W của vật liệu gọi là đường cong tốc độ sấy (hình 8.6).
Ta nhận xét qua hai biểu đồ:
Hình 8.5. Đường cong sấy Hình 8.6. Đường cong tốc độ sấy – Đoạn AB: giai đoạn đốt nóng vật liệu, nhiệt độ vật liệu tăng lên đến nhiệt độ bầu ướt, tương ứng với trạng thái không khí lúc sấy, độ ẩm vật liệu thay đổi không đáng kể, tốc độ sấy tăng nhanh đến tốc độ cực đại.
– Đoạn BK: Giai đoạn tốc độ sấy không đổi (đẳng tốc) độ ẩm vật liệu giảm nhanh và đều đặn theo một đường thẳng (đoạn BK trên đường cong sấy), nhiệt độ vật liệu không đổi và vẫn bằng nhiệt độ bầu ướt.
– Đoạn KC: Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần nhưng đều (đường chấm là đường lý thuyết), nhiệt độ của vật liệu tăng lên dần, độ ẩm giảm dần đến độ ẩm cân bằng nhưng mức độ giảm chậm hơn giai đoạn trên. Điểm C tương ứng với độ ẩm cân bằng, khi đạt độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của vật liệu bằng nhiệt độ của tác nhân sấy.
Qua các nhận xét trên ta có thể kết luận là quá trình sấy một vật liệu ướt đến độ ẩm cân bằng gồm hai giai đoạn chính:
1. Giai đoạn tốc độ sấy không đổi còn gọi là giai đoạn đẳng tốc: lúc này vật liệu còn nhiều nước, tốc độ khuếch tán của nước bên trong vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt vật liệu, vì thế tốc độ sấy trong giai đoạn này không phụ thuộc vào các yếu tố bên trong của vật liệu (ví dụ chiều dày vật liệu, độ ẩm ban đầu của vật liệu…) mà chỉ phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài (ví dụ: nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm của không khí sấy v.v…) khi các yếu tố bên ngoài không đổi thì tốc độ sấy cũng không đổi.
Vậy muốn tăng tốc độ sấy thì chủ yếu thay đổi các yếu tố bên ngoài. Ta có thể tăng nhiệt độ sấy cao hơn nhiệt độ cho phép của vật liệu vì bề mặt vật liệu còn đang ướt nên nhiệt độ vật liệu xấp xỉ bằng nhiệt độ bầu ướt tư, nhưng cần chú ý là chọn nhiệt độ sấy thế nào để nhiệt độ bầu ướt tư phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép của vật liệu.
2. Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần
Lúc này vật liệu tương đối khô, lượng nước trong vật liệu còn ít nên tốc độ khuếch tán của nước trong vật liệu giảm xuống nhỏ hơn tốc độ bay hơi của nước trên bề mặt vật liệu. Do đó tốc độ sấy trong giai đoạn này chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của nước bên trong vật liệu, lượng ẩm khuếch tán giảm dần nên lượng ẩm bay hơi cũng giảm, do đó tốc độ sấy cũng giảm. Vì vậy, tốc độ sấy không phải phụ thuộc các yếu tố bên ngoai vật liệu mà phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố bên trong của vật liệu, cho nên muốn tăng tốc độ sấy ở giai đoạn giảm tốc ta phải khắc phục trở lực khuếch tán bên trong vật liệu. Như đã nói ở trên, nhiệt độ của vật liệu sấy lúc này bắt đầu tăng dần và cho đến khi đạt được độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của vật liệu bằng nhiệt độ của tác nhân sấy, vì vậy đến giai đoạn này ta phải giữ nhiệt độ cho phép của vật liệu.
Việc xác định hai giai đoạn sấy có ý nghĩa quan trọng vì từ đó ta có thể thiết lập chế độ sấy khác nhau, thích ứng với đặc điểm của từng giai đoạn để có thể vừa đảm bảo chất lượng của sản phẩm, đồng thời tiết kiệm năng lượng rút ngắn được thời gian sấy.