 |
Теоретические основы процесса сушки.
|
|
|
|
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Сушка – это процесс удаления влаги из влажных твердых и пастообразных материалов путем испарения и отвода образующихся паров.
Способы сушки:
Конвективный способ – сушка влажного материала путем соприкосновения высушиваемого материала и сушильного агента. В качестве сушильного агента принимают горячий воздух, топочные газы. Самый распространенный способ сушки, т.к. процесс проходит быстрее, меньше материала на изготовление, меньше затраты энергии на нагревание стенки.
Контактный способ – сушка влажного материала путем нагревания сушильным агентом через теплопередающую стенку. Сушильный агент – горячая вода, водяной пар, топочные газы.
Данный способ применяется, когда недопустимо соприкосновение материала и сушильного агента, когда сушатся термочувствительные вещества, когда к высушиваемому материалу предъявляются повышенные требования к чистоте.
Кроме этих двух способов используются специальные:
- сушка токами высокой частоты – теплота выделяется в материале под воздействием токов высокой частоты;
- сушка инфракрасным излучением – теплота передается инфракрасными лучами;
- сушка возгонкой – материал высушивается в замороженном состоянии при глубоком вакууме.
При выборе способа сушки для установления оптимальных условий проведения процесса необходимо учесть:
- основные требования, предъявляемые к продукту;
- физико-химические свойства высушиваемого материала;
- вид высушиваемого материала – твердый (куски, гранулы, частицы), пастообразный, жидкий;
- скорость сушки;
- допустимую температуру стенки;
- начальную и конечную влажность материала;
|
|
|
- заданную производительность установки.
Рассмотрим условия сушки.
Влажный материал может не только отдавать влагу путем ее испарения в окружающую среду, при определенных условиях он может также поглощать влагу из окружающей среды. Для проведения процесса сушки необходимо знать условия, при которых материал способен отдавать влагу.
Среда, окружающая влажный материал, представляет собой влажный воздух (смесь сухого воздуха и водяных паров) или почти чистый водяной пар, содержащий небольшую примесь воздуха, проникшего в сушку через неплотности (при сушке в вакууме).
Обозначим через рп парциальное давление водяного пара в воздухе или давление чистого пара. Для проведения сушки давление паров у поверхности высушиваемого материала рм должно быть больше рп , т.е. должно соблюдаться условие
р п 
рм
Из этого выражения видно, что сушка облегчается с возрастанием давления рм , которое тем больше, чем выше влажность материала и температура сушки; величина рм зависит также от характера связи влаги с материалом.
При сушке в течении определенного времени влажность материала приближается к некоторому пределу, соответствующему равенству
рм = р п
Когда достигается это равенство, наступает равновесие в процессе обмена влагой между материалом и средой. Этому состоянию соответствует некоторая устойчивая влажность материала, называемая равновесной влажностью, при которой процесс сушки прекращается.
Равновесная влажность и, следовательно, протекание процесса сушки зависит от свойств высушиваемого материала, характера связи с ним влаги и параметров окружающей среды.
Различают следующие типы связи влаги с материалом:
- механическая связь (влага смачивания) – таким образом, с материалом связана поверхностная влага, заполняющая крупные поры (макропоры) материала. В процессе сушки она удаляется легко и полностью;
|
|
|
- физико-механическая (адсорбционная и осмотическая влага) – таким образом, с материалом связана адсорбционная влага, т.е. влага, заполняющая мельчайшие капилляры (микропоры) материала, и осмотическая влага, т.е. влага, находящаяся внутри и между клеток материала. Влага обоих этих видов в процессе сушки удаляется труднее и не полностью;
- химическая связь – таким образом, с материалом связана гидратная влага, т.е влага, которая входит в состав химического соединения. В процессе тепловой сушки она не удаляется и в расчетах не учитывается
Независимо от характера связи влагу, прочно связанную с материалом, в отличие от внешней влаги называют гигроскопической. Эта влага не может быть полностью удалена из материала путем сушки. При сушке влажный материал отдает сначала внешнюю влагу, затем часть гигроскопической влаги, которая может быть удалена при данной температуре и влажности воздуха. Вся влага, удаленная из материала в условиях тепловой сушки, называется свободной влагой.
Путем значительного увеличения температуры воздух и снижения его относительной влажности можно удалить еще некоторую часть гигроскопической влаги. Эту часть влаги, которую еще можно удалить сушкой, часто называют связанной влагой.
При прочих рабочих условиях равновесная влажность тем выше, чем больше давление водяного пара в среде, окружающей влажный материал. Значения равновесной влажности 
определяют опытным путем в зависимости от парциального давления 
водяного пара в окружающей среде при постоянной температуре материала, равной температуре среды. По опытным данным строят кривые равновесной влажности. По этим кривым можно судить о том, будет ли происходить высушивание или увлажнение материала и до какой конечной влажности возможно высушивание материала при данных параметрах окружающей среды.
Рисунок 1.1 – Зависимость температуры от влажности
- равновесная влажность; %
- относительная влажность; %
Пользуясь диаграммой равновесной влажности, рассмотрим изменения состояния материала в процессе сушки в зависимости от влажности материала и окружающей среды.
|
|
|
Рисунок 1.2 – Изменение состояния материала
Равновесная влажность, соответствующая полному насыщению среды влагой, называется гигроскопической точкой материала (точка А на графике). Эта точка характеризует предельную влажность материала, при которой парциальное давление пара в воздухе и непосредственно над поверхностью материала равны парциальному давлению насыщенного пара при данной температуре.
Если влажность материала больше влагосодержания, соответствующего гигроскопической точке, материал находится во влажном состоянии, при котором пары влаги над его поверхностью насыщены (
). Поэтому сушка протекает при новых параметрах окружающей среды, вплоть до ее полного насыщения.
Если влажность материала меньше влагосодержания, соответствующего гигроскопической точке, материал находится в гигроскопическом состоянии, при котором пары влаги над его поверхностью не насыщены (
). При таком состоянии материала сушка зависит от давления водяного пара в окружающей среде и возможна только при влажности материала, превышающей
равновесную (область сушки выше кривой 
равновесной влажности(рисунок справа)). В области ниже кривой равновесной влажности материал не будет высушиваться, а, наоборот, будет поглощать влагу из окружающей среды (область сорбции).
Таким образом сушка материала возможна как во влажном, так и в гигроскопическом состоянии при условии, что его влагосодержание больше равновесного.
Во влажном состоянии материал имеет температуру, равную температуре мокрого материала (
), в гигроскопическом состоянии материала температура его больше 
, но ниже температуры окружающей среды (
). Когда достигается равновесная влажность, температура материала становится равной температуре окружающей среды (
).
Процесс сушки зависит как от свойств материала, так и от свойств окружающей среды. Поэтому для изучения процесса сушки необходимо знать свойства влажного газа (воздуха) и характер их изменения в процессе сушки.
Для расчета сушилок необходимо знать скорость сушки, которая определяется количеством влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени. Таким образом, скорость сушки представляет собой отношение
|
|
|
; 
где 
- время сушки; сек
Зная скорость сушки, определяют продолжительность периодического процесса сушки или поверхность высушиваемого материала при сушке непрерывным способом и устанавливают габаритные размеры сушильных аппаратов.
Скорость сушки, как массообменного процесса, следует основному уравнению массопередаче, согласно которому
,
где К – коэффициент массопередачи;
- средняя движущая сила процесса (разность влагосодержаний)
Различают два периода сушки: период постоянной скорости и период падающей скорости процесса.
В течении первого периода влага испаряется со всей поверхности влажного материала так же, как она испаряется с поверхности зеркала испарения некоторого объема жидкости. В этом периоде скорость сушки постоянна и определяется лишь скоростью внешней диффузии, т.е. диффузии паров влаги с поверхности материала в окружающую среду.
Во втором периоде скорость сушки определяется внутренней диффузией- перемещением влаги изнутри материала к его поверхности.
С начала второго периода поверхность подсохнувшего материала начинает покрываться коркой и поверхность испарения влаги постепенно уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии и к непрерывному уменьшению скорости сушки.
В зависимости от толщины и структуры некоторых материалов испарение влаги с их поверхности в конце второго периода прекращается вовсе и происходит в глубине материала. Поэтому, в соответствии с характером удаления влаги, второй период сушки часто складывается из двух стадий: стадии равномерно падающей скорости и стадии неравномерно падающей скорости.
Двум основным периодам предшествует некоторый период прогрева до температуры сушки.
Кинетика сушки определяется обычно путем взвешивания образцов материала в начале сушки и через определенные промежутки времени.
Скорость сушки, характеризуется изменением абсолютной влажности в единицу времени, может быть найдена для каждого момента, как тангенс угла наклона кривой сушки.
Для различных материалов отдельные периоды сушки могут быть различны по времени или отсутствовать вовсе.
Длительность сушки материала достаточно точно можно установить только опытным путем. Общую продолжительность процесса определяют расчетом, как сумму длительности сушки в период постоянной скорости и длительности сушки в период падающей скорости, принимая, что падение скорости сушки во втором периоде происходит прямолинейно.
|
|
|
[2, 4]
|
|
|
