Кептіру үдерісі

1.

№ 14 дәріс
Кептіру үдерісі
Кептіру дегеніміз химиялық технология өнімдері мен әр түрлі материалдардан
ылғалды кетіру процесі. Ылғал мөлшерін буландыру, сублимация, судың айрылуы,
мұз түрінде газ фазасы құрамынан конденсациялау арқылы азайтуға болады.
Сонымен бірге газ фазасынан ылғалды адсорбция және басқа әдістерді қолданып
кетіруге болады.
Техникада көбінесе жылуды беру арқылы буландыру процесі кеңінен таралған.
Практикада ең алдымен ылғалсыздандыру процесінде механикалық әдістерді
қолданады. Ол үшін вакуум жағдайында сүзу немесе центрифугалау әдістерін
жүргізеді. Механикалық әдісті қолданып кептіру процесі жылу беру әдісіне қарағанда
экономикалық жағынан тиімді. Алайда бұл әдісті деформацияға төзімді
материалдарды кептіруде ғана қолдануға болады. Сонымен бірге механикалық әдіс
ылғалдың толық кетуін қамтамасыз ете алмайды. Центрифугалау жағдайында
материалда (өнімде) 5 % дейін, ал вакуум-сүзгілерде сүзуден кейін 10-40 % дейін
қалдық ылғал мөлшері сақталады. Ылғалды кетірудің әр түрлі әдістері кептіретін
материалдың физикалық және химиялық қасиеттерін ескере отырып таңдап алынады.
Ылғалды буландыру арқылы кептіру процесінде кептіретін материалға жылу беру
әдісіне қарай кептірудің келесі түрлері бар:
• Конвективті кептіру. Кептіретін материалға жылу беру тікелей жылу
тасымалдағыштардан (қызған ауа, түтінді газдар, күшті қызған бу, инертті газ)
беріледі.

2.

• Түйісу арқылы кептіру. Кептіретін материалға жылу беру қабырғаның жылу
өткізгіштігі арқылы беріледі.
• Радиациялық кептіру. Инфрақызыл сәулелерімен жылу тарату арқылы кептіру.
• Диэлектрикалық кептіру. Жоғары жиілікті ток өрісінде кептіру.
• Сублимациялық кептіру. Өте терең вакуум жағдайында мұздатылған күйде
кептіру әдісі.
Ылғалды ауаның қасиеттері
Кептірудің кез-келген әдісінде кептіретін материал ылғалды ауамен түйісу
жағдайында болады. Өнеркәсіпте конвективті кептіру әдісінде жылу тасымалдағыш
ретінде көбінесе ауа қолданылады. Ауа әр кезде біршама мөлшерде ылғалды
болады. Құрғақ ауа мен су буының қоспасы ылғалды ауаны құрайды.
Ылғалды ауа мынадай негізгі параметрлерімен сипатталады: абсолютті және
салыстырмалы ылғалдылығымен, ылғал мөлшерімен, энтальпиясымен (жылу
мөлшерімен).
Ауаның абсолютті ылғалдылығы дегеніміз 1 м3 ылғалды ауа құрамындағы су
буының мөлшері. Белгілі бір температурада құрамында максимал мөлшерде су буы
бар ауа қаныққан деп аталады. Бұл жағдайда су буының мөлшері ауа
температурасымен анықталады.
1 м3 ылғалды ауа құрамындағы су буы массасының белгілі бір температура мен
қысымдағы 1 м3 ылғалды қаныққан ауа құрамындағы будың максималды массасына қатынасы ауаның салыстырмалы ылғалдылығы немесе ауаның қанығу
дәрежесі деп аталады.

3.

Менделеев-Клапейрон теңдеуіне сәйкес жазылады:
(1.1)
бұдан
(1.2)
Будың тығыздығы оның парциалды қысымына пропорционал. Сондықтан
келесі өрнекті жазуға болады:
(1.3)
Ылғалды ауа құрамындағы су буы мөлшерінің 1 кг құрғақ ауаға қатынасы ылғал
мөлшері деп аталады
(1.4)
(1.3)-ші теңдеуді және су мен ауа массаларын ескеріп, ауаның ылғал мөлшерінің
оның салыстырмалы ылғалдылығына тәуелділігі алынады
(1.5)
Ылғалды ауаның энтальпиясы 1 кг абсолютті құрғақ ауаға қатысты ұғым және
ол ауаның белгілі бір температурасында абсолютті құрғақ ауа мен су буы
энтальпияларының қосындысы ретінде анықталады
(1.6)

4.

Кептіру статикасы
Процесс статикасы дегеніміз тепе-теңдік жағдайлары жөніндегі мәселелерді
қарастыру. Осының негізінде процестің бағыты мен жүргізу жағдайларының шегі
анықталады.
Ылғалды материал құрамындағы ылғалды буландыру арқылы қоршаған ортаға
береді. Ылғалды материалды қоршайтын орта – ылғалды ауа. Сондықтан кептіру
процесі жүру үшін кептіретін материал бетіндегі ылғал буының қысымы ауадағы
су буының парциалды қысымынан жоғары болуы қажет. Яғни кептіру процесі
жүру үшін мына теңсіздік Рм > Рбу орындалуы қажет. Бұл екі қысым тепе-теңдікке
келген жағдайда кептіру процесі аяқталады. Осы жағдайдағы материал ылғалдылығы тепе-теңдіктегі ылғалдылық деп аталады. Тепе-теңдік ылғалдылығы
кептіретін материалдың қасиеттерімен, материалдың ылғалмен байланыс
түрімен, қоршаған ортаның параметрлерімен айқындалады.
Академик П.А. Ребиндер теориясы бойынша материалдың ылғалмен
байланысының үш түрі болады: 1) химиялық, 2) физика-химиялық, 3) физикамеханикалық.
Химиялық байланысқан су гидраттанған немесе кристалданған су деп аталады.
Кептіру арқылы ондай су жойылмайды.
Физика-химиялық байланысқан су материалмен белгілі бір қатынаста
байланыспаған. Алайда бұлай байланысқан су кептіру процесінде физикамеханикалық байланысқан ылғалдылыққа қарағанда қиынырақ кетеді.

5.

Физика-механикалық байланысқан су материалмен ретсіз қатынаста байланысады.
Мұндай байланыстың түріне құрылымдық байланыс, капиллярлы байланыс және
материал бетіне судың жұғуы жатады. Физика-механикалық байланысқан суды
кептіру арқылы материалдан оңай кетіруге болады.
Кептірудің материалдық және жылулық баланстары
Кептіру процесінің материалдық баланс теңдеуін заттардың барлық мөлшері үшін
(1.1)
немесе абсолютті құрғақ зат үшін жазуға болады:
(1.2)
мұндағы
Бұл екі теңдеулерден кептірілген материал мөлшері мен буланған ылғал мөлшері
анықталады.
Жылулық баланс үшін кептіруге қажетті ауа мөлшерін білу қажет. Оны ылғалдың
мөлшері бойынша анықтайды. Кептіру процесіне L мөлшердегі (кг) абсолютті құрғақ
ауа жұмсалсын. Кептіргіш аппаратқа кірердегі ылғалды ауадағы ылғал мөлшері x0, ал
кептіргіштен шығардағы құрғақ ауадағы ылғал мөлшері x2 болсын. Осы жағдайда
кептіруге қажетті ылғал балансын былай өрнектеуге болады
(1.3)
бұдан ауаның жұмсалуы анықталады
(1.4)

6.

Ауаның меншікті жұмсалуы (1 кг ылғалдың булануына қажетті) өрнектеледі
(1.4)
Кептіру кинетикасы
Уақытқа тәуелді кептіретін зат массасының кемуіне қарай ылғал мөлшерінің
өзгеруін анықтауға болады. Ол үшін уақыт пен кептіретін материалдың абсолютті
ылғалдылығы аралығында тәуелділік графигін тұрғызады. Бұл тәуелділік кептіру
қисығы деп аталады (1-сурет).
1-сурет. Материалды кептіру қисығы мен кептіру процесінде оның
температурасының өзгерісі:
V–материал бетінің температурасы; V1–материалдың бастапқы температурасы;
tм–сулы термометр температурасы; tа–ауа температурасы; Uбас–материалдың
бастапқы ылғалдылығы; Uау–материалдың ауыспалы кезеңдегі ылғалдылығы; Uт–
материалдың тепе-теңдіктегі ылғалдылығы

7.

Кептірудің алғашқы сатысында АВ бөлігінде материалдағы ылғал мөлшері
біртіндеп азайып, ауамен берілетін жылу материалды бастапқы температурадан
сулы термометр температурасына дейін қыздыруға жұмсалады. Бұл кезең
материалды қыздыру кезеңі деп аталады. Кептірудің ВС бөлігінде материалдағы
ылғал мөлшері түзу сызықты төмендеп, материал бетінің температурасы
өзгермейтін кептірудің тұрақты жылдамдығымен сипатталады. С нүктесінен
бастап кептіру процесі СЕ қисығы бойынша біртіндеп тепе-теңдіктегі ылғал
мөлшеріне жақындайды. Бұл сатыда материал бетінің температурасы біртіндеп
артып, тепе-теңдіктегі ылғалдылыққа жеткенде, температура қыздыратын ауа
температурасына теңеледі.
Сонымен кептіру процесі кептірудің тұрақты жылдамдығы және кептіру
жылдамдығының төмендеу кезеңдерінен құралады. С нүктесіндегі материалдағы
ылғал мөлшері ауыспалы кезең мезетіндегі ылғал мөлшері деп аталады.
Кептіру жылдамдығы материалдағы ылғал мөлшеріне тәуелсіз, материал
бетінен қоршаған ортаға ылғал буының диффузиясымен, яғни температурамен,
ылғалдылықпен, қыздыратын агенттің жылжу жылдамдығымен анықталады.
Кептірудің тұрақты жылдамдығы кезеңінде ылғалды материал бетінен ылғалдың
булану жылдамдығы қаныққан ауа қабыршағы арқылы ылғалдың диффузиялану
жылдамдығына тең болады. Булану жылдамдығының негізгі теңдеуін былай
өрнектеуге болады:
(1.2)

8.

Булану жылдамдығы қоршаған ауадағы және булану бетіндегі бу концентрацияларының айырымына, булану бетіне, булану коэффициентіне тура пропорционалды байланыста болады. Булану коэффициенті буланудың аэродинамикалық
жағдайларымен және сұйықтықтың физикалық қасиеттерімен сипатталады. Оны
Нуссельттің диффузиялық ұқсастық санының шамасы бойынша анықтауға болады.
Булану процесі үшін Нуссельт ұқсастық саны өрнектеледі:
(1.2)
Вакуумдық кептіру
Жоғары температураға тұрақсыз материалдарды кептіру үшін вакуум қолданып,
кептіруді төменгі температурада жүргізеді. Атмосфералық қысым жағдайында
кептіруден вакуум қолданып кептірудің біршама артықшылықтары бар. Вакуумдық
кептіру жылдамырақ жүреді. Себебі қысым төмендеген сайын материал бетіндегі
және қоршаған ортадағы су буы қысымдарының айырымы артып, процестің
қозғаушы күші жоғарылайды. Вакуумдық кептіру арқылы материалдан ылғалды
толығымен буландыруға болады, ал атмосфералық қысымда материал ауаның
салыстырмалы ылғалдылығы және температурамен анықталатын тепе-теңдік күйге
дейін ғана кептіріледі. Сонымен бірге вакуумдық кептіру жағдайында қоршаған
ортаға улы газдардың таралуына жол берілмейді.
Вакуум қолданып кептіруді жүргізу үшін кептіретін материалды берік жабылатын
камераға орналастырады. Камерадан насос көмегімен ауа ылғал буымен бірге
сорылып алынады.

9.

Вакуумдық кептіру процесі – термодиффузиялық процесс. Вакуум қолданып
кептіру процесінде бір мезгілде күрделі процестер: қайнау, булану, ылғалды
материалдың саңылаулары мен капиллярларында конденсация процесінің жүруі,
сонымен бірге орнықпаған жылу берілу процесі жүретіндіктен бұл процесті
математикалық өрнектеу қиын.
Газдарды кептіру
Жанғыш газдарды құбыр бойымен тасымалдағанда, көп компонентті газдарды
терең салқындатып фракцияларға бөлу үшін, газдардан су буын кетіру қажет. Газдарды тасымалдауда қалыпты температура жағдайында газ сумен комплексті
қосылыстар түзеді, ал парафинді көмірсутектердің комплексті қосылыстары тұнбаға
түсіп, құбырды бітеп тастайды. Сондықтан газдарды тасымалдау алдында оларды
кептіру қажет. Газдарды құрғату физика-химиялық (абсорбциялық пен адсорбциялық) және физикалық әдістермен жүргізіледі.
Абсорбциялық әдісте су буы төмен қысымды ерітінділерді қолданып, газ құрамындағы ылғалды сору арқылы газдарды кептіреді. Сұйық абсорберлер ретінде глицерин, диэтиленгликоль, кальций хлориді ерітінділері қолданылады.
Адсорбциялық әдісте қатты адсорбенттерді қолданып газдарды құрғатады. Қатты
адсорбенттер ретінде CaCl2, NaOH, KOH, бокситтер, алюмогель, силикагель,
цеолиттер қолданылады.
Физикалық әдіс беттік салқындатқыш аппараттарында кептіретін газды сумен
немесе салқындатқыш агент көмегімен салқындатуға негізделген. Салқындатылып
сығылған газдың ұлғаюында газдан су конденсат түрінде бөлінеді.