Отделение молекулярной сушки пасты нистатина с разработкой процесса самозамораживания продукта, страница 15

Изучение кинетики самозамораживания показало, что этот процесс имеет три стадии: стадия охлаждения и переохлаждения, стадия кристаллизации и стадия понижения температуры до температуры сублимации.

Стадия охлаждения и переохлаждения протекает при непрерывно понижающемся давлении паро – воздушной смеси от атмосферного до давлений, находящихся в области среднего вакуума. Однако, поскольку, вода относится к легко переохлаждающимся жидкостям, в процессе откачки среды температура поверхностного слоя материала падает значительно ниже точки замерзания (первая критическая точка). Следовательно, в процессе самозамораживания имеет место температурный градиент по толщине материала. Причем температура переохлажения материала зависит от средней скорости охлаждения независимо от свойств охладаемого тела и может рассчитана по выражению  /1/:

                                                                                 (81)

При достижении этой температуры (первая критическая точка, характеризующая окончание периода охлаждения влаги) температура материала резко (скачкообразно) возврастает на несколько градусов, а затем уменьшается (вторая критическая точка), что связано с выделением теплоты кристаллизации.

На практике температура поверхностного слоя материала падает ниже точки замерзания воды на (3¸5)⁰С, возрастает на (2¸4)⁰С, затем снова начинает понижаться /1/. Связано это очевидно с тем, что замерзание материала происходит послойно. Значительному переохлаждению подвержен только поверхностный слой материала, последующие слои переохлаждаются всего лишь на (1¸2) ⁰С /1/. Повышение же температуры на только (2¸4)⁰С связано, по – видимому, с тем, что только часть выделяющейся удельной теплоты плавления льда расходуется на нагрев поверхностного слоя, другая же часть начинает расходоваться на  испарение льда (сублимацию). Именно этим можно объяснить типовые температурные кривые самозамораживание различных материалов /1/.

Математическое описание самозамораживания материала при постоянном остаточном давлении в сушильной камере  и конденсации паров в конденсаторе – вымораживателе можно записать в виде следующих уравнений:

Уравнение материального баланса по массе влажного материала:

                            .                                                                  (82)

Уравнение теплового баланса влажного материала:

                             .                  (83)

Уравнение теплового баланса для паровоздушной смеси в камере:

                            .                           (84)

Преобразованные уравнения (82)¸(84) можно представить системой уравнений (85)

                             (85)

с начальными условиями:

                                                                                                  (86)                                         

Результаты расчета приведены на рис.   ÷    и показывают, что время, необходимое для достижения необходимой величины остаточного давления в системе  1,5 мм.рт.ст. составляет 2360с.

Полученные расчетные параметры на этот момент времени являются начальными условиями для моделирования периода замораживания продукта

Начиная с этого момента происходит замерзание влаги в материале (стадия кристаллизации), которое протекает при некоторой постоянной температуре. Значение этой температуры можно определить из уравнения теплового баланса:

                               ;                                    (82

                                    ,                                          (83)

где: w^а – абсалютная влажность материала; М_ас – масса абсолютно сухого материала, кг; q_кр – теплота кристаллизации влаги, Дж/кг; Т_мо – температура переохлажденного материала, К; Т_мкр – температура кристаллизации, К; С_мл – теплоемкость замороженного материала, Дж/(кг×К). Стадия кристаллизации протекает при постоянной температуре поверхностного слоя, а ее длительность может продолжаться от нескольких секунд до 5 и более минут, в зависимости от физико – химических свойств материала /1/. Конец периода кристаллизации и начало стадии охлаждения характеризуется поижением температуры поверхностного слоя матеиала с течением времени до температуры сублимации.