Промышленные сушилки

Варианты конвективной сушки

Статика сушки

Под cтатикой сушки обычно понимают, состояние термодинамического равновесия в системе влажное тело-газ, а также материальный и тепловой балансы сушилок в установившемся режиме работы. Исследования указанного, равновесия важны для определения форм связи влаги с материалом и его внутренней структуры, а также движущей силы сушки.

Формы связи влаги с материалом в значительной степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с материалом нарушается. Различают следующие формы связи (в порядке убывания ее энергии): химическую, физико-химическую, механическую.

Химически связанная влага (гидратная, или кристаллизационная, влага комплексных соединений) соединена с материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не удаляется.

Физико-химическая связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (например, в коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде монослоя или несколько слоев. Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке.

Механическая, или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10^{-7 мм) и микрокапилляров (менее 10-7 мм). Влага макрокапилляров наименее прочно связана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически.}

Применительно к сушке влагу классифицируют в более широком смысле на свободную (легко удаляемую) и связанную (адсорбционную, осмотическую, микрокапилляров). Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности жидкости. Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности воды. Расчет сушилок необходимо проводить с учетом энергии связи влаги с материалом. Суммарный расход теплоты на сушку:

где Q_исп- теплота парообразования, расходуемая на испарение свободной влаги; Q_св- теплота, расходуемая на преодоление связи влаги с материалом.

Изучение изотерм сорбции-десорбция - один из наиболее распространенных методов исследования термодинамического равновесия в системе влажное тело-газ.

При определенном сочетании параметров сушильного агента (t и f) и скорости его движения относительно материала достигается соответствующий режим сушки. Кроме этих факторов на него влияет также давление, если оно значительно отклоняется от атмосферного (вакуум-сушка).

Для обеспечения заданных режимов сушки чаще всего используют след. ее варианты: 1) основной, или нормальный,-сушильный агент однократно нагревается в калорифере до требуемой температуры и поступает в сушилку, из которой выбрасывается в атмосферу;

2) с рециркуляцией отработанного сушильного агента-часть его из сушилки возвращается в калорифер (на его вход или выход), где смешивается со свежим воздухом;

3) с промежуточным подогревом сушильного агента в нескольких калориферах; сначала он нагревается в первом калорифере, затем контактирует с высушиваемым материалом в первой части сушилки, снова нагревается во втором калорифере, соприкасается с материалом во второй части сушилки и т.д.;

4) с ретуром сухого продукта - часть его возвращается в сушилку для досушки, а также для придания влажному материалу на входе в аппарат необходимой сыпучести.

Материальный и тепловой балансы позволяют находить параметры, необходимые для расчета сушилок.

Материальный баланс составляют как по всему количеству материала, так и по одному из компонентов сушки - массе абсолютно сухого вещества или массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале; в результате определяют расход сушильного агента и количество испаренной влаги.

Тепловой баланс. Согласно закону сохранения энергии, приход в какую-либо сушилку теплоты равен ее расходу. В случае конвективной сушки теплота вносится в сушилку с нагретым в калорифере (топке) сушильным агентом, влажным материалом, находящейся в нем жидкостью и транспортными устройствами (вагонетки и др.); удаляется теплота с отработанным теплоносителем, высушенным материалом и транспортными устройствами; часть теплоты безвозвратно теряется в окружающую среду; из этого баланса находят общий расход теплоты на сушку.

Тепло- и массоперенос при сушке Закономерности сушки определяются совместным влиянием одновременно протекающих тепло- и массопереноса. В соответствии с их уравнениями в ходе сушки система влажное тело-газ стремится к фазовому равновесию, при котором наблюдается равенство хим. потенциалов жидкости и ее пара.

По достижении указанного равновесия сушка прекращается. Следовательно, сушка - существенно неравновесный процесс, движущей силой которого является разность химических потенциалов. Последние определяются через градиенты параметров материальных потоков, участвующих в сушке.

Например, при конвективной сушке движущую силу можно выразить разностью: парциальных давлений Dp=p_м—p_п (р_м-давление паров влаги у поверхности материала, р_п- парциальное давление водяных паров в воздухе);

Кинетика сушки отражает изменения во времени средних по объему высушиваемого материала его влагосодержания и температуры. Знание кинетики сушки позволяет рассчитать время т_с сушки материала от начального (u_н) до конечного (u_к) влагосодержаний.

В соответствии с многообразием высушиваемых материалов, их свойств и условий обработки конструкции сушилок также очень разнообразны и отличаются: по способу подвода теплоты (конвективные, контактные, специальные); по виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые); по давлению в сушильной камере (атмосферные, вакуумные); по способу организации процесса (периодич. или непрерывного действия); по взаимному направлению движения высушиваемого материала и сушильного агента (в конвективных аппаратах-прямоток, противоток, перекрестный ток); по состоянию слоя влажного материала в аппарате (с неподвижным, движущимся или взвешенным слоем). Ниже рассмотрены применяемые в химических производствах сушилки, которые объединены по способу подвода теплоты.