Вакуумная сублимационная (лиофильная) сушка
Сублимация — это процесс перехода вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Этот процесс положен в основу сублимационной вакуумной сушки — современного технологического решения, позволяющего почти полностью удалять влагу и жидкие растворители из самых разных объектов, не нарушая их структуры. С помощью технологии сублимационной вакуумной сушки производят продукты питания (сушка фруктов, овощей, мяса и рыбы, изготовление растворимого кофе и др.), медицинские и косметические препараты (БАДы, витамины, сорбенты и т.п.), продукцию деревообрабатывающей отрасли (вакуумная сушка древесины) и других отраслей. А на космических кораблях технологию вакуумной сушки используют для регенерации дефицитной воды из влагосодержащих материалов.
Вакуумная сушка позволяет производить продукцию очень высокого качества и с длительным сроком хранения. При этом основные свойства продукта полностью сохраняются.
Вакуумную сублимационную сушку иногда называют лиофильной сушкой. Этот термин применяется чаще в медицинской и фармацевтической промышленности, где для высушивания медицинских препаратов могут использоваться дополнительные защитные среды.
Сублимационная сушка: как это работает?
Сначала продукт замораживают, и содержащаяся в продукте влага превращается в лед. Затем замороженный продукт помещают в вакуумную камеру (или, возможно, замораживают прямо в камере). В камере проходят трубы с теплоносителем, например, водным раствором этилен- или пропиленгликоля, охлажденным до отрицательных температур, что предотвращает размораживание продукта. (Растворы этих веществ в зависимости от из концентрации могут иметь температуру замерзания до -70оС.)
Затем камеру вакуумируют. При этом лед активно сублимируется, и давление в камере примерно соответствует давлению насыщенного пара надо льдом при выбранной температуре. Отметим, что лед испаряется тем быстрее, чем выше температура. Однако, при слишком быстром испарении структура продукта может быть нарушена. Поэтому для каждого конкретного процесса подбирают оптимальную скорость испарения (т.е. температуру в камере), обеспечивающую оптимальный баланс между задачами сохранения структуры, свойств и внешнего вида продукта и повышения производительности процесса.
После завершения собственно сублимационной сушки, в трубы подается теплый теплоноситель, чтобы довести продукт до температуры, немного превышающей температуру воздуха в рабочем помещении. Это необходимо для предотвращения конденсации влаги на продукте после извлечения его из вакуумной камеры.
Как устроена и работает сушильная камера?
Вакуумная сушильная установка (рис. 1) состоит из камеры с герметично закрывающейся дверью для загрузки и выгрузки продукции со смотровым окном. Камера откачивается вакуумным насосом. Для удаления из продукции воды высокий вакуум обыкновенно не требуется, поэтому используются форвакуумные насосы, такие как одноступенчатые пластинчато-роторные модельного ряда SV или SRP, винтовые насосы серии LG, или когтевые — ZB**PHC.
Рисунок 1. Вакуумная сушильная установка.
В конструкцию системы обязательно входит конденсатор, предназначенный для осаждения откачиваемых паров, чтобы избыточное их количество не повредило насос. Могут применяться фильтры твердых частиц, особенно при сушке порошкообразных материалов. Вакуумная система оснащается датчиком давления, необходимыми клапанами и управляющими устройствами. Холодильный агрегат обеспечивает подачу охлажденного хладагента для поддержания отрицательной температуры изделий.
Для удаления из медицинских препаратов и некоторых технологических материалов специфических растворителей может потребоваться более глубокий вакуум. В таких случаях используют откачные системы с высоковакуумными насосами.
Вакуумная сушка древесины:
Для сушки древесины используют как простое вакуумирование, так и вакуумирование с замораживанием, т.е сублимационный метод. Пиломатериалы помещают в вакуумную камеру послойно, а между слоями укладывают трубы, по которым может циркулировать теплоноситель, или электрические нагреватели.
При простой вакуумной сушке древесину сначала вакуумируют и выдерживают некоторое время в вакууме при комнатной температуре, а затем прогревают, подавая теплоноситель в трубы или ток в панели электрического подогрева, доводя древесину до требуемого уровня влажности. Простая вакуумная сушка позволяет существенно сократить время высушивания древесины и снизить энергозатраты. Дополнительным преимуществом вакуумной сушки становится полное уничтожение плесени, грибков и микроорганизмов — эти биологические объекты просто не выживают в вакууме в отсутствие кислорода.
Однако, традиционный метод вакуумной сушки не свободен от недостатков, присущих обыкновенным камерным методам: влага удаляется из массива дерева неравномерно, сначала с поверхности, а затем из глубины. Высыхание поверхностного слоя дерева вызывает его усадку, тогда как внутренние слои остаются еще влажными и не усаживаются. Это вызывает растрескивание и коробление дерева.
Лиофильная сушка дерева (вакуумная сушка с замораживанием) свободна от этого недостатка. Пиломатериал замораживают приблизительно до -30 оС путем подачи хладагента в трубы, расположенные между его слоями. Затем камеру вакуумируют. Влага удаляется путем сублимации, а уже осушенные слои дерева не усаживаются. По достижении определенного безопасного уровня влажности охлаждение прекращают и подают в трубы теплый теплоноситель, чтобы дополнительно снизить влажность.
Часто вакуумную сушку проводят поэтапно, т.н. импульсным методом. После цикла вакуумирования древесину извлекают, помещают в герметичную полиэтиленовую оболочку и выдерживают некоторое время, чтобы влага, оставшаяся в массиве дерева, переместилась к поверхности пиломатериала. Потом цикл вакуумирования повторяют.
Рисунок 2. Установка для вакуумной сушки пиломатериалов.
Древесина лиофильной сушки практически не имеет трещин и короблений. Более того, коробления, возникшие ранее, частично устраняются. Однако, этот способ сушки дороже, поэтому так сушат древесину, требования к качеству которой особенно высоки, например, для изготовления мебели и других столярных изделий.
Для вакуумной сушки используют камеры большого объема, до нескольких десятков кубических метров. Давление при сушке может составлять несколько десятков миллибар, что обеспечивается одноступенчатыми пластинчато-роторными насосами (модельного ряда SV компании EVP, или SRP от BWVAC), работающими в паре с насосами Рутса (EVP ZJ и JP или BWVAC RPF соответственно). Установка обязательно оснащается конденсатором, улавливающим пары воды во избежание их попадания в насос, фильтрами твердых частиц, а также холодильным агрегатом (для лиофильной сушки).
