Кинетика сушки

Сушка

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых материалов с использованием тепловой энергии. Вследствие большой величины удельной теплоты парообразования воды высушивание является дорогим процессом. Поэтому перед сушкой из материала вначале удаляют влагу фильтрованием или центрифугированием.

Методы сушки, используемые в промышленности, различаются способами подвода тепла к материалу и различают следующие методы:

1. конвективная сушка – сушка при непосредственном контакте с нагретыми газами.

2. контактная сушка – сушка в вакууме с передачей тепла от теплоносителя через стенку.

3. терморадиационная сушка – сушка тонколистовых материалов с использование инфракрасного излучения.

4. высокочастотная сушка – сушка толстолистовых материалов ТВЧ (для диэлектриков).

5. сублимационная сушка – для плазмы крови и подобных препаратов. Испарение влаги из замороженных материалов в вакууме.

А теперь рассмотрим основные теоретические положения сушки материалов.

Влагосодержащие материалы χ (хи) – масса влаги (а), содержащаяся в материале и отнесённая к массе сухого материала

Влагосодержание воздуха χ (хи) – масса пара в 1 м³ влажного воздуха (С_п) отнесённая к массе сухого воздуха в 1 м³ влажного воздуха (С_в)

с другой стороны:

где у – мольная концентрация пара в воздухе, а М_п и М_в – мольные массы пара и воздуха.

или

где P_п – парциальное давление пара в воздухе, P – общее давление

В насыщенном паром воздухе

π – упругость насыщенного пара.

Рассматриваем сушилку непрерывного действия.

Количество влаги испарившейся из материала равно

W₁ = G_м(χ_н– χ_к)

Эта влага перейдёт в воздух, и его влагосоединение повысится и составит:

W₂ = G_в(χ_к– χ_н)

Тогда материальный баланс (W₁ = W₂) можно записать следующим образом

G_м(χ_н– χ_к) = G_в(χ_к– χ_н)

Количество тепла, которое потребуется на испарение W кг влаги будет равно.

Q₁ = Wr_t = G_м(χ_н– χ_к)r_t

где r_t – теплота парообразования при t°С. Это тепло берется от теплого воздуха

Q ₂ = G_вС_{p вл}(t _н – t _к)

где С_{p вл} – теплоемкость влажного воздуха. Тогда при Q₁ = Q₂

G_м(χ_н– χ_к) = G_вС_{p вл}(t _н – t _к)

Из этого уравнения определяют количество газа (воздуха) необходимого для осушки G кг материала.

Когда материал соприкасается с горячим газом, в котором парциальное давление пара Р_n меньше, чем упругость насыщенного пара π над поверхностью материала, то за счет разности π–Р_n происходит диффузия пара с поверхности в объем воздуха. При этом влагосодержание материала понижается.

I период – период внешней диффузии

II период – период внутренней диффузии

Точка 1, отделяющая I период от II называется критической точкой, ей соответствует χ_кр

Предел высушивания не означает полного удаления влаги из материала (χ≠0). Когда устанавливается равновесие Р_n = π, то движущая сила процесса равна 0 и скорость равна 0. В материале остается при этом равновесное количество влаги χ_равн. Оно обусловлено наличием большого количества мелких капилляров, в которых π_кап<π, удержанием влаги осмотическими силами (для веществ растительного и животного происхождения, естественной гигроскопичностью материала и т.д.)

I период

В этот период вся поверхность покрыта влагой. Скорость диффузии влаги равна скорости испарения воды с поверхности высушиваемого материала

Скорость сушки.

где π – давление насыщенного пара над влажной поверхностью, Р_π – парциальное давление пара в газе, β – коэффициент массопередачи, F – поверхность материала.

Факторы, определяющие этот период сушки следующий:

1. Влажность газа (Р_п). Чем суше газ, тем больше движущая сила процесса, а значит и больше скорость сушки.

2. Температура газа. Чем выше t° газа, тем выше при t° поверхности материала, и, следовательно, выше π.

3. Скорость движения газа. Увеличение скорости потока влечет за собой уменьшение ламинарного слоя на материале и ускорения процесса сушки.

4. Поверхность испарения.

II период

В этот период влага диффундирует из внутренних слоев тела в наружные. В этот период диффузия не является хаотическим процессом, а имеет определенный механизм. Вода перемещается к поверхности пористого материала под действием капиллярных сил. Изменение скорости сушки зависит от того, как скоро, в сравнении со скоростью испарения, влага будет диффундировать из внутренних слоев в наружные. Скорость сушки определяется уравнением

χ, χ_р – действительное и равновесное влагосодержание.

И процесс сушки зависит от

1. Структуры высушиваемого материала (кварц – 1 период, кирпич – 2 периода)

2. Размера кусков материала.

3. Скорости подачи газа, его влагосодержания, t° и т.д.

Самые распространенные для многотоннажного производства сушилки конвективного типа.

Барабанная сушилка представляет собой цилиндрический наклонный барабан 4 с двумя бандажами 3, которые при вращении барабана катятся по опорным роликам 6. Материал поступает с приподнятого конца барабана через питатель 2, захватывается винтовыми лопастями, на которых он подсушивается, после чего перемещается вдоль барабана, имеющего угол наклона к горизонту до 6°. Осевое смещение барабана предотвращается упорными роликами 8. Материал перемещается в сушилки при помощи внутренней насадки 10, равномерно распределяющий его по сечению барабана. Газы поступают из топки 1, примыкающей к барабану со стороны входа материала и снабжённой смесительной камерой для охлаждения газов до нужной температуры наружным воздухом. Высушенный материал проход через подпорное устройство в виде сменного кольца или поворотных лопаток, посредством которого регулируется степень заполнения барабана, обычно не превышающая 20-25% его объёма. Готовый продукт проходит через шлюзовый затвор 9, препятствующий засосу наружного воздуха в барабан и удаляется транспортёром (на рисунке не показан). Газы просасываются через барабан с помощью дымососа 11, установленного за сушилкой. Для улавливания из газов пыли между барабаном и дымососом включён циклон 7. Барабан приводится во вращение при помощи зубчатого венца 5, который находится в зацеплении с ведущей шестернёй, соединённой через редуктор с электродвигателем. Скорость вращения барабана зависит от угла его наклона и продолжительности сушки. Обычно барабан делает 1-8 об/мин.

Эффективная сушка многих материалов возможна в кипящем слое. Принципиальная схема сушки топочными газами в кипящем (псевдоожиженном) слое показана ни рисунке ниже. В камере смешения 2 топочные газы смешиваются с воздухом, нагнетаемым вентилятором 1, и поступают в нижнюю часть сушилки, представляющей собой цилиндрическую или прямоугольную сушильную камеру 3 с газораспределительной решёткой 4. Высушиваемый материал подаётся питателем 5 в верхнюю часть камеры 3 и образует кипящий слой в восходящем токе газа, проходящего сквозь отверстия решётки 4. Высушенный материал пересыпается через порог 6 в сборник 7. Твёрдые частицы, уносимые потоком сушильного агента, отделяются в циклоне 8. В кипящем слое происходит быстрое выравнивание температур твёрдых частиц и сушильного агента и достигается весьма интенсивный тепло- и массообмен между твёрдой и газовой фазами, в результате чего сушка заканчивается в течение нескольких минут.