Основные теоретические сведения. Сушка – это процесс удаления влаги из твердых или пастообразных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров

Сушка – это процесс удаления влаги из твердых или пастообразных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Процесс сушки является, с одной стороны, диффузионным процессом, так как переход влаги из материала в окружающую среду совершается посредством поверхностного испарения влаги и диффузии ее из внутренних слоев к поверхности материала, а с другой стороны – тепловым процессом, поскольку процесс массообмена (влагообмена) происходит при подводе тепла к этому материалу. Следовательно, по своей физической сущности сушка является сложным процессом тепло– и массообмена.

Методы сушки влажных материалов, используемые в промышленности, различаются главным образом способом подвода теплоты и обусловлены физико-химическими свойствами этих материалов, а также формой их связи с влагой.

Наиболее широко распространены в химической технологии конвективный и контактный методы сушки.

Конвективный метод характеризуется непосредственным контактом высушиваемого материала с потоком нагретого газа (воздуха, топочных газов). Процесс протекает преимущественно при атмосферном давлении.

При контактной сушке тепло высушиваемому материалу передается от теплоносителя (обычно водяного пара) через разделяющую их стенку.

Значительно реже применяют радиационную сушку (инфракрасными лучами) для высушивания тонколистовых материалов и сублимационную сушку (сушку в замороженном состоянии при глубоком вакууме) для сушки очень термочувствительных материалов (плазма крови, некоторые медицинские препараты). В этом случае влага из предварительно замороженного материала переходит в парообразное состояние, минуя жидкое (сублимирует).

Физическая сущность процесса конвективной сушки сводится к удалению влаги из материала (процесс десорбции) за счет разности парциальных давлений паров над поверхностью материала и в окружающей среде (в воздухе или газе) . Сушка происходит при условии, что > , увлажнение (сорбция) при < .

В процессе сушки величина уменьшается и приближается к пределу . При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью .

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом. Форма этой связи определяется затратой энергии на отрыв 1 моля влаги от абсолютно сухого вещества при определенном его влагосодержании.

По классификации П.А. Ребиндера различают химическую, физико-химическую и физико-механическую связь влаги с материалом.

Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом и не может быть удалена при сушке.

В процессе сушки удаляется влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко удаляется механически связанная влага, которая подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов.

Реальные материалы, подвергаемые сушке, имеют, как правило, неоднородную пористую структуру, поэтому они редко укладываются в строгую классификацию по форме связи влаги. Поэтому применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют в более широком смысле на свободную, испаряющуюся с поверхности влажного материала с той же скоростью, что и с поверхности воды и связанную, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения воды со свободной поверхности.

Процесс сушки протекает со скоростью, зависящей от формы связи влаги с материалом и механизма перемещения в нем влаги. Кинетика сушки характеризуется изменением во времени средней влажности материала, отнесенной к количеству абсолютно сухого материала, которое не меняется в процессе сушки.

Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала, обозначается через , кг влаги/кг абс. сух. и равна

(3.17)

где – количество влаги, содержащейся в материале, кг; – количество абсолютно сухого материала, кг.

Влажность материала может выражаться также в %.

Зависимость между влажностью материала и временем τ изображается кривой сушки (рис. 3.13), которая строится по данным эксперимента. Кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным периодам сушки. Участок АВ – период подогрева материала. Он кратковременный. Влажность материала в этот период снижается незначительно. Температура повышается от начальной () до температуры «мокрого» термометра (). Температурой «мокрого» термометра называется температура, при которой воздух, охлаждаясь при постоянном теплосодержании, становится насыщенным. Участок ВС – период постоянной скорости сушки или периодом внешней диффузии (I период). В этот период происходит интенсивное поверхностное испарение свободной влаги по прямолинейному закону до достижения первой критической влажности (точка С). Температура высушиваемого материала не изменяется и равна температуре «мокрого» термометра. При этой температуре тепло, переходящее от воздуха к смоченной поверхности, полностью затрачивается на испарение жидкости.

Рисунок а) – Кривая сушки

Рисунок 3.13

Движущей силой процесса сушки в I периоде является разность температур воздуха () и поверхности материала. Температура материала принимается равной температуре «мокрого» термометра. Разность между температурой воздуха () и температурой «мокрого» термометра () характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала и называется потенциалом сушки (ε):

. (3.18)

Начиная с точки С, соответствующей критической влажности (), протекает период падающей скорости сушки – участок СЕ (II период сушки). В этот период происходит испарение связанной влаги, течение процесса сушки обуславливается диффузией влаги к поверхности испарения, т.е. внутренней молекулярной диффузией, скорость которой определяется структурой материала и его температурой, но мало зависит от внешних условий. Температура материала повышается и к концу II периода достигает температуры воздуха – . Кривая СЕ состоит из двух участков различной кривизны – СД и ДЕ. Точка перегиба Д характеризует достижение равновесной влажности на поверхности материала (внутри материала влажность превышает равновесную) и соответствует второй критической влажности . Начиная с этого момента и вплоть до установления равновесной влажности по всей толщине материала, скорость сушки определяется скоростью диффузии внутренней влаги из глубины материала к его поверхности. В конце II периода сушки влажность материала ассимптотически приближается к равновесной. Достижение равновесной влажности означает полное прекращение дальнейшего испарения влаги из материала. Кривая АВСДЕК называется кривой сушки.

Скорость сушки определяется уменьшением влажности материала за некоторый бесконечно малый промежуток времени , т.е. выражается отношением:

(3.19)

Влажность материала выражается в кг/кг (кг влаги на кг сухого материала). Поэтому скорость сушки выражается в с^–1 или ч^–1, в зависимости от того, в каких единицах измеряется время сушки.

Перенос тепла в экспериментальной установке к высушиваемому образцу осуществляется тепловым излучением от внутренних стенок сушильного шкафа и естественной конвекцией от нагретого воздуха. Тепло, передаваемое образцу излучением (Вт), определяется уравнением:

, (3.20)

где – коэффициент лучеиспускания образца, Вт/(м²∙К⁴), ; – степень черноты поверхности образца (для кирпича = 0,93); – коэффициент излучения абсолютно черного тела, =5,7 Вт/(м²∙К⁴); – геометрическая поверхность образца, м²; j – угловой коэффициент, j = 1; – температура внутренней стенки сушильного шкафа, К; Т _м – температура поверхности материала (мокрого термометра); t _ш принимается равной t _в+5 °С.

°С.

Теплоотдача при естественной конвекции для случая 10³<Gr×Pr<10⁹ выражается уравнением:

. (3.21)

Определяющая температура – температура воздуха , определяющий размер – эквивалентный диаметр.

, м (3.22)

где – объем образца, м³.

Критерии Грасгофа (Gr) и Прандля (Pr) рассчитываются по уравнениям:

, (3.23)

, (3.24)

где r, , m, l – плотность, теплоемкость, вязкость и теплопроводность воздуха при определяющей температуре () в системе СИ; b – коэффициент объемного расширения воздуха, (К^–1).

.

Величину (bΔt) находим по уравнению:

, (3.25)

где – плотность влажного воздуха при температуре «мокрого» термометра (), кг/м³; – плотность влажного воздуха при температуре воздуха (), кг/м³.

; (3.26)

, (3.27)

где П – общее давление паровоздушной смеси, Па (П=9,8∙10⁴ Па); – парциальное давление водяных паров при температуре «мокрого» термометра (), Па; – парциальное давление водяных паров при температуре воздуха (), Па; – газовая постоянная для воздуха, = 287 Дж/(кг∙К); , – температуры «мокрого» термометра и воздуха, К.

Тепло, передаваемое образцу конвекцией определяется по уравнению теплоотдачи, Вт:

, (3.28)

, (3.29)

где α – коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности образца, Вт/(м²∙К); – геометрическая поверхность образца, м²; – температура воздуха, °С; – температура «мокрого» термометра, °С; λ – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м×К).

Сделаем допущение, что все тепло, передаваемое образцу в I периоде сушки, затрачивается на испарение влаги. Тогда уравнение теплового баланса имеет вид:

, (3.30)

где – тепло, передаваемое образцу излучением, Вт; – тепло передаваемое образцу конвекцией, Вт; – количество испаренной влаги за счет подведенного тепла , кг/c; – теплота парообразования воды, Дж/кг (находится по температуре «мокрого» термометра (рис. П8).

Тогда масса испарившейся в I периоде сушки влаги, кг/с:

. (3.31)

Теоретическая скорость сушки в I период на основе теплоотдачи, с^–1:

, (3.32)

где – масса высушенного материала (из эксперимента), кг.

Процесс испарения влаги с поверхности материала и диффузия образующегося пара через пограничный слой воздуха в окружающую среду, обусловлен движущей силой, равной разности влагосодержаний насыщенного воздуха (в поверхностном слое) и ненасыщенного (в ядре воздушного потока). Поэтому количество испаренной влаги можно найти также из уравнения массоотдачи:

, (3.33)

где – масса испаренной влаги вследствие массообмена, кг/с; b – коэффициент массоотдачи в газовой фазе, кг/((м²×с×кг)/кг); F – площадь поверхности испарения, м²; – влагосодержание насыщенного воздуха, кг/кг; – влагосодержание ненасыщенного воздуха, кг/кг.

Поскольку испарение влаги в сушильном шкафу осуществляется в большой объем воздуха, то можно считать, что влагосодержание воздуха при сушке не меняется, т.е. .

Коэффициент массоотдачи можно определить, используя отношение коэффициентов теплоотдачи a и массоотдачи b, выражающее аналогию между теплоотдачей и массоотдачей:

, (3.34)

где – диффузионный критерий Прандтля; , r, m – теплоемкость, плотность и вязкость воздуха определяются при температуре «мокрого» термометра; – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при , м²/с; D ₀ – коэффициент диффузии водяного пара в воздухе при 0°С и 760 мм.рт.ст. D ₀=21,9∙10^–6 м²/с; – тепловой критерий Прандтля.

Значение коэффициента массоотдачи пересчитываем в требуемую для расчета размерность, кг/(м²·с), по уравнению:

. (3.35)

Теоретическая скорость сушки, с^–1, на основе массоотдачи:

. (3.36)

Экспериментальное значение скорости сушки определяется графически из функциональной зависимости сушки от влажности материала .

Данные о скорости сушки, полученные с помощью кривых сушки, изображаются в виде кривых скорости сушки, которые строят в координатах скорость cушки–влажность материала. На рис. 3.13, б показана кривая скорости сушки, соответсвующая кривой сушки на рис.3,13, а. Отрезок АВ – подогрев высушиваемого материала от начальной температуры до температуры «мокрого» термометра, горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду постоянной скорости (І период), а отрезок СЕ – периоду падающей скорости (ІІ период). Вид кривых скорости сушки во втором периоде весьма разнообразен, он зависит от структуры материала. Точка перегиба Д, соответствующая , может быть выражена нечетко или отсутствовать совсем.