ESSICCAZIONE

ESSICCAZIONE

(XIV, p. 388)

Generalità. - S'intende comunemente per e. l'operazione con cui si separa un liquido da un solido che lo contiene. Nella maggior parte dei casi pratici il liquido è l'acqua, ma non mancano esempi di e. in cui il solido contiene un liquido di altra natura. In ogni caso il liquido viene allontanato per evaporazione e occorre quindi fornire il calore necessario al solido da essiccare. Ciò può essere fatto per conduzione (con piastre riscaldanti su cui è posto il solido da essiccare), per convezione (con una corrente di gas caldo che lambisce o attraversa il solido), per irraggiamento (con piastre radianti, con raggi infrarossi, con microonde, ecc.); è anche possibile usare più mezzi di riscaldamento contemporaneamente. In ogni caso occorre impiegare una corrente gassosa che rimuove il vapore che si libera dal solido: perciò nel caso di riscaldamento per convezione il gas compie la doppia funzione di vettore del calore e di trascinatore del vapore svolto. In circostanze particolari (quando si vuol ridurre la temperatura di evaporazione per non danneggiare il solido) l'e. può essere condotta sotto vuoto; ovviamente in tal caso il calore non può essere ceduto per convezione.

Se tutto il calore, o almeno la massima parte di esso, è fornito dal gas caldo si parla di e. diretta; se il calore è fornito per conduzione o irraggiamento si ha l'e. indiretta.

Quando è possibile, il gas usato è l'aria, ma in taluni casi il suo impiego non è consigliabile. Anzitutto non si può adoperare l'aria se il vapore liberato dal solido può formare miscele infiammabili ed esplosive; l'uso dell'aria sarebbe possibile solo lavorando al di fuori del campo di esplosività che per molti composti è peraltro assai ristretto: però il pericolo che per circostanze non prevedibili si possa formare una miscela esplosiva ne sconsiglia l'impiego. Altro caso da tener presente è la possibilità che si formino miscele esplosive tra polveri organiche molto fini e l'aria. Quando sussistono questi pericoli l'aria è sostituita da un gas inerte (per es. azoto) o da vapore surriscaldato. L'impiego del gas inerte, che dopo l'e. deve ovviamente essere depolverizzato, deumidificato e rimesso in ciclo, comporta notevoli complicazioni d'impianto. Tale impiego può anche essere imposto dalla necessità di non mettere il solido a contatto con l'aria se può essere da essa danneggiato. Inoltre, nell'e. ad alta temperatura, se non sussistono ragioni (igieniche, tecnologiche, economiche) che ne rendano sconsigliabile l'uso, si possono utilizzare come vettore termico i gas di combustione.

Va infine tenuto presente che dal punto di vista pratico le operazioni di e. possono essere condotte in modo continuo o discontinuo: quest'ultimo viene generalmente riservato a operazioni di laboratorio o comunque interessanti una minima quantità oraria di solido, a causa delle spese eccessive di mano d'opera che comporta.

Bilanci di materia e di energia. - Si farà riferimento esplicito al caso di e. continua, anche per la sua più frequente applicazione nel campo industriale. Comunque, anche nel caso di e. discontinua, anche se sono necessari alcuni adattamenti, i bilanci si effettuano con analoghe considerazioni.

Nell'e. continua indiretta l'energia necessaria per il riscaldamento del prodotto umido e per l'evaporazione del liquido viene fornita da piastre riscaldanti per contatto o radianti: è ovvio che la potenza termica di queste piastre deve corrispondere alla richiesta di energia. Se c'è un gas trascinatore (come avviene sempre, salvo il caso di e. sotto vuoto) occorre anche tener conto della quantità di energia che esso assorbe o cede, mentre la sua portata verrà stabilita in base al bilancio dell'umidità, con l'avvertenza che l'umidità finale non sia troppo elevata, come si dirà tra breve.

Nell'e. continua diretta l'energia viene completamente (o almeno in massima parte) fornita dal gas impiegato. Un'ulteriore distinzione può essere fatta secondo che il gas e il solido si muovano in equicorrente o in controcorrente. La circolazione in equicorrente presenta il vantaggio notevole di mettere il gas a temperatura più alta a contatto con il solido più umido: poiché per il solido bagnato la temperatura superficiale all'equilibrio è quella del termometro bagnato, anche se la temperatura del gas è molto alta il prodotto da essiccare può essere preservato da innalzamenti eccessivi di temperatura. La possibilità di lavorare con gas entrante ad alta temperatura consente di ridurne la portata ed è quindi un vantaggio. La circolazione in controcorrente mette l'aria alla massima temperatura a contatto con il prodotto che si trova all'umidità finale, quindi generalmente abbastanza bassa: non sussistono quindi le condizioni perché si stabilisca sulla superficie del solido la temperatura del termometro bagnato e quindi il procedimento non è accettabile per prodotti sensibili a temperature elevate. D'altra parte la circolazione in controcorrente consente di spingere più a fondo l'operazione di essiccazione. È chiaro perciò che si adotterà l'una o l'altra soluzione secondo quanto richiedano le particolari caratteristiche del caso in esame.

Per l'e. diretta, in cui l'energia venga ceduta solo per convezione, i bilanci di materia e di energia si scrivono:

w_S (X_o − X_f) = w_G (Y_f − Y_o) [1]

w_S (H_So − H_Sf) = w_G (H_Gf − H_Go) [2]

in cui w_S, w_G sono le portate del solido e del gas allo stato secco, X, Y i contenuti di umidità per unità di massa di solido secco e di gas secco rispettivamente, H_S, H_G le entalpie riferite al secco; gli indici o ed f si riferiscono alle condizioni d'ingresso e di uscita, rispettivamente.

Di solito sono assegnate o si possono calcolare w_S, X_o, X_f, H_So; poiché le due equazioni sopra scritte contengono dieci variabili, occorre assegnare valori opportuni ad altre quattro delle variabili anzidette. Alcune di queste vanno scelte in base alle condizioni di funzionamento: per es. Y_o è l'umidità dell'aria ambiente (salvo il caso estremamente raro di aria preventivamente deumidificata), o del gas inerte proveniente dall'impianto di deumidificazione, o dei prodotti di combustione. Quanto a T_Go (temperatura del gas all'ingresso dell'impianto di e., che insieme a Y_o determina H_Go), si sceglierà la più alta possibile, in relazione alla sensibilità del prodotto e anche ai metodi previsti per il riscaldamento del gas. Altra grandezza che viene fissata è Y_f: è chiaro che un maggior valore dell'umidità assoluta del gas uscente comporta una sua minor portata ed è quindi vantaggioso. Però è opportuno controllare che Y_f non sia tale da dar luogo a condensazioni di umidità nell'impianto di e., lungo il percorso del gas umido prima dell'espulsione (se è aria) o della deumidificazione (se è gas inerte). Le conseguenze negative di tali condensazioni sono ovvie e quindi si deve fare in modo che l'umidità relativa finale del gas sia sufficientemente bassa. Per quanto riguarda H_Sf, che dipende da X_f e da T_Sf, quest'ultima temperatura si assumerà convenientemente minore di quella corrispondente del gas, per es. di 5÷10°C.

Restano pertanto due incognite, T_Gf e w_G, che possono essere ricavate dalle [1] e [2]. Si osservi che anziché assumere Y_f è preferibile scegliere un valore convenientemente basso dell'umidità relativa Y_Rf, in modo che Y_f dipenda soltanto da T_Gf essendo Y_f = Y_Rf Y_sf, in cui Y_sf è l'umidità a saturazione alla temperatura T_Gf.

Velocità di essiccazione. - I materiali solidi che vengono sottoposti all'e. possono presentare due caratteristiche fondamentalmente diverse: in un caso il materiale ha natura cristallina o granulare e l'acqua viene trattenuta negli interstizi tra i granuli o nei pori, nell'altro il materiale è amorfo o fibroso o comunque apparentemente compatto: in esso il liquido fa parte della struttura solida, o è adsorbito sulla superficie (soprattutto interna) dei pori, o è trattenuto dalle fibre o in sottili pori interni. Nel primo caso il movimento del liquido all'interno del solido è sufficientemente libero ed è provocato da forze gravitazionali o capillari; nel secondo il movimento è molto meno libero e avviene sostanzialmente per diffusione all'interno della struttura solida. Le due caratteristiche possono anche coesistere: oltre a materiali porosi non igroscopici o igroscopici non porosi, possono aversi materiali contemporaneamente porosi e igroscopici.

La diversa natura dei materiali dà luogo ovviamente a un diverso comportamento all'e. e generalmente non è possibile prevedere il tempo richiesto per compiere l'operazione senza un minimo di prove sperimentali. C'è inoltre da considerare che spesso non è sufficiente assicurare un voluto grado di umidità, ma si vuole ottenere un solido essiccato di determinata forma, dimensioni, porosità, densità, struttura, colore o anche (nel caso di prodotti alimentari) sapore e odore: tutto questo può rendere l'operazione molto complessa, e molto particolari i casi che possono presentarsi.

In questa sede la trattazione verrà limitata alla sola eliminazione dell'umidità, e inoltre i fenomeni saranno descritti supponendo che le condizioni esterne siano costanti, per quanto riguarda l'umidità e la temperatura: in pratica ciò non può verificarsi, ma l'ipotesi è comunque utile per la comprensione dei fenomeni stessi.

In linea generale, si può dire che durante l'e. l'umidità diminuisce, in funzione del tempo, con un andamento che può essere qualitativamente rappresentato con un diagramma di X(t) come quello della fig. 1. Più significativa è però la rappresentazione della velocità di e. r_E =−(1/a_m) · dX/dt in funzione dell'umidità del solido riportata in fig. 2; r_E è espressa in kg di acqua evaporata per unità di superficie evaporante e per unità di tempo e a_m è la superficie per unità di massa del solido. Nei due diagrammi precedenti è stato volutamente lasciato indeterminato l'andamento dell'e. per bassi valori dell'umidità, perché il comportamento dipende dalla natura dei materiali e se ne parlerà tra breve. Nella fig. 2 si può osservare che di solito, per alti valori dell'umidità, la velocità di e. (a parte un tratto iniziale AB di aggiustamento delle condizioni) è costante, cioè la vaporizzazione del liquido avviene da una superficie sulla quale la tensione di vapore del liquido è costante. Nell'e. diretta il vapore diffonde dalla superficie anzidetta alla massa gassosa attraverso lo strato limite gassoso; nell'e. sotto vuoto o con vapore surriscaldato il vapore passa nella fase aeriforme senza dover diffondere attraverso un gas stagnante. Com'è noto dallo studio dei fenomeni di umidificazione, nel primo caso la superficie liquida assume la temperatura del termometro bagnato, mentre nel secondo assume la temperatura di ebollizione del liquido. Se però l'energia è fornita al solido non solo dalla corrente gassosa, ma anche per conduzione e irraggiamento, la temperatura superficiale è più alta di quella del termometro bagnato ed è compresa tra le due indicate, spostandosi verso quella di ebollizione tanto più quanto l'energia ceduta per irraggiamento e conduzione è relativamente elevata.

Il velo superficiale di liquido durante l'evaporazione viene prontamente ripristinato dal movimento del liquido dall'interno verso la superficie esterna, e fino a che ciò è possibile la velocità di evaporazione resta costante. Per ogni materiale e per date condizioni di e. esiste un particolare valore dell'umidità (umidità critica), per cui il predetto movimento del liquido non è più in grado di assicurare la continuità del velo superficiale e la velocità di e. comincia a diminuire.

Il meccanismo con cui il liquido si muove all'interno del solido, e per conseguenza la sua velocità, varia notevolmente a seconda della natura del solido (poroso, o fibroso, o amorfo, come si è già detto); poiché il movimento controllato dalla diffusione nel solido è molto più lento, nel caso di materiali fibrosi o amorfi il periodo a velocità costante è molto più breve.

Al punto C comincia quindi il primo periodo a velocità decrescente che continua fino al punto D, in corrispondenza del quale la superficie non è praticamente più bagnata perché il liquido non è più in grado di raggiungerla. Al punto D comincia il secondo periodo a velocità decrescente. Nel tratto tra C e D la velocità di e. ha di frequente un andamento linearmente decrescente con l'umidità.

Si esamina dapprima il comportamento all'e. di un materiale granulare (quindi poroso) non igroscopico: in un materiale di questo tipo il moto del liquido può avvenire unicamente in virtù di forze capillari o gravitazionali. È noto che in un tubo capillare un liquido raggiunge una posizione di equilibrio a una quota Δz rispetto al pelo libero del liquido, data da Δz = 2σ/r_p ϱ g, in cui σ e ϱ sono la tensione superficiale e la densità del liquido, g è l'accelerazione di gravità e r_p è il raggio del poro: la relazione precedente deriva da un semplice bilancio di forze in un punto della base del capillare. Si prenda in considerazione ora un solido in cui l'umidità sia quella corrispondente all'umidità critica: se l'evaporazione del liquido continua, essa non può che interessare il liquido contenuto nei pori del materiale, ma i primi a essere vuotati saranno quelli aventi raggio maggiore. Infatti nei pori più piccoli l'effetto della capillarità è maggiore e saranno quindi in grado di aspirare il liquido dai pori più grandi mantenendosi praticamente pieni e facendo continuare in tal modo l'evaporazione dalla superficie esterna del solido (fig. 3 A). Questo fenomeno dà luogo al primo periodo a velocità decrescente: la velocità di evaporazione riferita alla superficie bagnata si mantiene costante, ma è proprio quest'ultima che va continuamente riducendosi al diminuire del contenuto di umidità.

Questo meccanismo continua fino a che il liquido si allontana da tutti i pori superficiali (fig. 3 B): in queste condizioni il calore deve attraversare gli strati essiccati per giungere sulla superficie di evaporazione (che si trova ora all'interno del solido) e il vapore svolto deve parimenti attraversare gli stessi strati per sfuggire all'esterno: a questa fase corrisponde il secondo periodo a velocità decrescente. Mentre la superficie evaporante conserva la temperatura del termometro bagnato, il materiale già essiccato si trova ovviamente a una temperatura maggiore, che è prossima a quella del mezzo di riscaldamento. Questa situazione viene indicata spesso come stato funicolare del solido. Infine nella fig. 3 C è mostrata la distribuzione del liquido verso la fine del processo di e. (stato pendolare): il liquido si trova in piccole sacche, da cui ovviamente è più difficile sfuggire.

Naturalmente i fenomeni anzidetti possono presentarsi con caratteristiche leggermente diverse nei vari casi, anche in dipendenza delle dimensioni e delle caratteristiche dei pori (e quindi, in sostanza, delle particelle che costituiscono il solido da essiccare). In alcuni casi si può anche aggiungere un fenomeno che comporta un ulteriore rallentamento della velocità di e.: le elevate forze di sollevamento del liquido dovute alla capillarità, contrastate dalla resistenza al moto a causa dell'attrito incontrato dal liquido nei capillari, possono provocare depressioni all'interno del liquido a cui può far seguito lo sviluppo di bolle di vapore: la presenza di queste bolle, interrompendo la continuità del liquido, ostacola l'effetto della capillarità e quindi la risalita del liquido nei pori, con effetto negativo sulla velocità di essiccazione. È interessante notare che nel caso di solidi porosi non igroscopici l'e. può essere spinta fino a un contenuto nullo di umidità e anche alla fine dell'operazione la velocità di e. conserva un valore piccolo ma finito.

Prendiamo ora in esame un materiale igroscopico non poroso, come per es. un solido nel quale il liquido è solubile. Questi solidi sono caratterizzati da un contenuto di umidità residuo in corrispondenza del quale la velocità di e. si annulla, la cosiddetta umidità di equilibrio: essa dipende dalla struttura del solido, dalla temperatura e dall'umidità del gas, e spesso il suo valore è influenzato dal metodo seguito per determinarla, cioè secondo che il solido viene portato al valore dell'umidità di equilibrio partendo da un'umidità maggiore o minore. L'umidità di equilibrio viene di solito rappresentata in funzione dell'umidità relativa del gas (fig. 4) e, come si è detto in precedenza, possono aversi due curve distinte (isteresi).

Se le curve vengono estese fino al 100% di umidità relativa, il valore corrispondente dell'umidità del solido prende il nome di umidità legata, corrispondente al massimo contenuto di umidità in equilibrio con aria umida. Un contenuto al di sopra di questo valore si comporta come liquido allo stato libero e ha in particolare la stessa tensione di vapore: umidità non legata. Al di sotto di questa umidità la tensione di vapore è ovviamente minore, o per la presenza di capillari molto sottili, o per il fatto di contenere solidi disciolti, o di trovarsi in combinazione chimica con il materiale da essiccare. La differenza tra l'umidità del solido e quella di equilibrio è detta umidità libera ed è la massima quantità che può essere asportata in un'operazione di e. per date condizioni del gas. Queste definizioni sono rappresentate nella fig. 5.

In un solido igroscopico il flusso di liquido verso la superficie esterna è determinato dalla diminuzione dell'umidità su detta superficie, in base alle leggi della diffusione. Si può, almeno in linea di principio, applicare al fenomeno la nota relazione di Fick, riferita a uno strato piano indefinito di dato spessore:

in cui X è l'umidità del solido, t il tempo, z la distanza nella direzione della diffusione e D_e il coefficiente di diffusione del liquido nel solido. Della [3] può darsi la forma integrata che è simile a quella ricavata per lo scambio termico; essa è però di scarso interesse perché presuppone la costanza di D_e, e ciò costituisce una semplificazione inaccettabile: infatti il coefficiente di diffusione è una caratteristica del materiale ma non può considerarsi costante perché molto spesso la struttura fisica cambia nel corso dell'e. (si pensi per es. alla frutta).

Per un materiale igroscopico non poroso la velocità di e. ha un andamento qualitativamente simile a quello della fig. 2, anche se non ci sono motivi per avere un intervallo di umidità nel quale la diminuzione della velocità di e. sia lineare.

Può anche accadere che il materiale che deve essere essiccato sia igroscopico e poroso; in tal caso si possono verificare tutti i fenomeni che sono stati precedentemente illustrati; i periodi a velocità decrescente possono essere tre e in ogni caso la velocità di e. si annulla nel momento in cui viene raggiunta l'umidità di equilibrio.

Com'è già stato rilevato, la velocità di e., almeno allo stato attuale delle conoscenze, dev'essere ricavata mediante determinazioni sperimentali; nota questa grandezza, il tempo necessario per l'e. può essere ricavato per integrazione:

in cui r_E(X) ha una delle forme che sono state precedentemente illustrate.

Bibl.: A. S. Foust, L. A. Wenzel, C. W. Clump, L. Mans, L. B. Andersen, Principles of unit operations, New York 1964; J. M. Coulson, J. F. Richardson, Chemical engineering, ii, Londra 1968²; R. B. Keey, Drying, Principles and practice, ivi 1972; s.v. drying, in Kirk-Othmer Encyclopedia of chemical technology, vol. 8, New York 1979³; E. Tsotsas, V. Gnielinski, E.-U. Schlünder, Drying of solid materials, in Ullmann's Encyclopedia of industrial chemistry, vol. B2, Weinheim 1988.