Utilizzo di un essiccatore a vassoio per studiare il trasferimento di calore convettivo e conduttivo

L'essiccazione in vaschetta è un processo convettivo di trasferimento di calore e massa comunemente utilizzato nell'industria per separare i solidi dai liquidi. Nell'essiccazione in vassoio, un flusso di gas caldo viene fatto passare su un solido umido per vaporizzare il liquido. Il processo non richiede agitazione e consente il controllo della temperatura e di altre proprietà. La flessibilità dell'essiccazione in vaschetta ne consente l'utilizzo nella produzione chimica, farmaceutica e alimentare prima del confezionamento. Sebbene apparentemente semplice, il processo richiede generalmente una sperimentazione approfondita per ottimizzare le condizioni di essiccazione senza danneggiare il solido. Questo video illustra il funzionamento di un essiccatore a vassoi, illustra una procedura tipica per le prove di essiccazione e illustra alcune applicazioni.

Per iniziare, diamo un'occhiata al funzionamento di un essiccatore a vassoi. Il design più semplice impiega una struttura metallica rettangolare composta da una presa d'aria, ventilatori, riscaldatori, un vano vassoi e un'uscita. Il solido umido viene caricato in un vassoio poco profondo, che viene posizionato nello scomparto del vassoio. I ventilatori e i riscaldatori forzano un flusso di gas caldo sul vassoio a una temperatura e una portata attentamente controllate. Il liquido nel vassoio evapora e viene rimosso dal solido. L'essiccazione in vaschetta è un processo a lotti, il che significa che l'aggiunta e la rimozione di solidi dall'essiccatore sono fasi distinte che non possono avvenire contemporaneamente. I suoi vantaggi rispetto ad altri metodi di essiccazione includono semplicità e flessibilità di funzionamento e costi fissi relativamente bassi. I suoi svantaggi includono alti costi di manodopera e un elevato consumo di energia, sebbene quest'ultimo possa essere in qualche modo compensato filtrando e preformando il solido. Ora che abbiamo visto alcune nozioni di base su come funzionano i macchinari per l'essiccazione, diamo un'occhiata a come avviene la separazione.

La separazione del liquido dal solido consiste in due fasi. Nella prima fase, il gas trasferisce calore al liquido per convezione, provocando l'evaporazione del liquido. La velocità di trasferimento del calore, e quindi la velocità di evaporazione, dipende dalla differenza di temperatura tra il gas e il liquido e da una costante di proporzionalità determinata empiricamente chiamata "coefficiente di scambio termico convettivo". Nella seconda fase, il liquido appena vaporizzato viene trasferito lontano dall'interfaccia attraverso il trasferimento di massa convettivo per prevenire la ricondensazione. La velocità di questo processo dipende dalla differenza di concentrazione di vapore tra l'interfaccia e la maggior parte del flusso di gas. La costante di proporzionalità empirica qui è il coefficiente di trasferimento di massa convettivo. Sebbene i coefficienti possano essere stimati, sono unici per il solido da essiccare e la geometria dell'essiccatore a vaschette. Inoltre, i coefficienti sono validi solo finché la superficie solida è satura. Dopo che l'umidità superficiale è stata significativamente abbassata, la velocità di essiccazione diminuirà poiché il movimento interno del liquido all'interno del solido diventa il meccanismo di trasferimento di massa dominante. Ora che conosci i principi, vediamo la procedura di essiccazione del campione.

Questa dimostrazione illustra l'essiccazione di un impasto sabbioso-acquoso a varie temperature e velocità dell'aria. Innanzitutto, controllare l'essiccatore per verificare la presenza di rischi per la sicurezza e assicurarsi che lo psicrometro e gli altri dispositivi di misurazione siano pronti per l'uso. Preparare l'impasto mescolando 500 grammi di sabbia con 150 grammi di acqua. Versare l'impasto nella teglia e assicurarsi che sia distribuito uniformemente. Accendere l'unità, posizionare il vassoio nella camera di essiccazione e registrare il peso. Quindi, accendi il soffiatore e l'asciugatrice. Impostare la velocità e la temperatura dell'aria per la prova. Ogni prova durerà 45 minuti con misurazioni effettuate a intervalli di cinque minuti. Utilizzare un termometro digitale per misurare la temperatura dell'aria in ingresso, la temperatura della sabbia e la temperatura dell'aria in uscita. Utilizzare lo psicrometro per misurare le temperature a bulbo secco e a bulbo umido. Infine, registrare la portata d'aria in uscita e il peso dalla bilancia. Ripeti il processo per ogni set di impostazioni, per un totale di quattro esecuzioni uniche. Al termine della corsa, utilizzare grafici psicrometrici o strumenti simili per trovare l'umidità assoluta.

Il tasso di evaporazione per ogni prova è stato determinato tracciando il peso del liquame in funzione del tempo. L'aumento delle temperature era correlato positivamente con la velocità di trasferimento del calore conduttivo e quindi con la velocità di evaporazione. L'aumento della velocità dell'aria è associato a tassi più elevati di trasferimento di calore convettivo e di trasferimento di massa e aumenta anche i tassi di evaporazione. Esiste una correlazione lineare positiva tra la temperatura dell'aria e la velocità di evaporazione, nonché tra il flusso d'aria e la velocità di evaporazione. Tuttavia, la correlazione sperimentale tra i coefficienti di trasferimento di calore e di massa era più debole del previsto. Ciò può essere dovuto all'umidità relativa all'interfaccia aria-sabbia o all'effetto della velocità dell'aria sul peso del vassoio.

L'essiccazione in vaschetta è comunemente applicata in applicazioni industriali, sia nella produzione di prodotti chimici speciali che nella produzione su larga scala, dove le spese di manodopera non sono eccessive. Gli essiccatori a vaschette sono utilizzati nell'industria alimentare, in genere come ultima fase di produzione prima del confezionamento. Per aumentare i tassi di evaporazione controllando al contempo la qualità degli alimenti, l'essiccatore può essere dotato di meccanismi di essiccazione indiretta, come vassoi riscaldati e riscaldamento a radiofrequenza. Le condizioni di riscaldamento possono essere modificate durante il ciclo di asciugatura per evitare che i materiali solidi si decompongano, si deformino o si screpolino. Gli essiccatori a vaschette sono particolarmente utili in strutture in cui diversi alimenti, preparati in quantità variabili, devono essere essiccati in condizioni uniche di temperatura e umidità. Un design alternativo dell'essiccatore utilizza carrelli multi-vassoio. Nell'industria farmaceutica, i carrelli elevatori vengono utilizzati per ridurre i tempi e la manodopera e aumentare l'uniformità del prodotto. Questo design utilizza ricircolatori e deflettori per controllare il flusso d'aria, evitare zone morte e mantenere temperatura e umidità costanti. Per le sostanze chimiche sensibili, vengono generate atmosfere inerti. Poiché l'essiccazione in vassoio è fisicamente più delicata rispetto ai metodi a letto fluido o a burattatura rotante, è adatta per l'essiccazione di materiali cristallini appiccicosi come polveri e farmaci grezzi.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'essiccatore a vassoi. A questo punto è necessario comprendere i principi dell'essiccazione in vassoio, un processo per condurre esperimenti di essiccazione in vaschetta e alcune applicazioni. Grazie per l'attenzione.