Кинетика процесса сушки

Для того чтобы определить концентрацию паров влаги в сушилке, не­обходимо знать скорость сушки. Скорость сушки зависит от многих фак­торов (природы и формы высушиваемого материала, его начального и ко­нечного влагосодержания, влажности, температуры и скорости сушильно­го агента, природы сушильного агента, конструкции сушилки, организации процесса сушки и других факторов) и определяется из выражения

(6.71)

Скорость сушки является переменной величиной и может быть най­дена для каждого момента времени процесса сушки как тангенс угла на­клона кривой сушки. На основании экспериментальных данных строятся кривая сушки (рис. 6.43) и кривая скорости сушки (рис. 6.44). Исследуя графики изменения влагосодержания и скорости сушки материала во вре­мени, можно выявить основные периоды сушки материала:

- τ₀ - период прогрева материала;

- τ₁ - период постоянной скорости сушки;

- τ ₂ - период падающей скорости сушки;

- τ₃ - период достижения динамического равновесия.

На рис. 6.43-6.44 обозна­чено: - начальное влагосодержание материала; ( - ко­нечное влагосодержание мате­риала; ( - равновесное влаго­содержание материала; θ_н - на­чальная температура; θ - среднеобъемная температура; t_м -температура мокрого термомет­ра, т.е. температура термометра, шарик которого покрыт влаж­ной тканью, с которой происхо­дит испарение влаги (это темпе­ратура, принимаемая испаряю­щейся жидкостью при достиже­нии теплового равновесия).

Период прогрева (кривая АВ на рис. 6.43) является крат­ковременным и характеризует неустановившееся состояние процесса. За это время темпера­тура материала повышается до t_м, а его влажность снижается незначительно. Скорость сушки к концу периода прогрева дос­тигает максимального значения (точка В' на рис. 6.44).

В период постоянной ско­рости сушки (прямолинейный отрезок ВС) скорость сушки является мак­симальной и сохраняется постоянной в течение времени τ₁.

В период падающей скорости сушки (кривая CD) температура мате­риала повышается и в конце периода (точка D) становится равной t_с - тем­пературе среды, окружающей материал. Одновременно влажность мате­риала по всей его толщине сначала равномерно, а затем неравномерно (точка Е) снижается до равновесной. Скорость сушки быстро падает и в конце периода становится равной нулю (точка D' на рис. 6.44). При даль­нейшем пребывании в сушилке материала его температура и влажность ос­таются постоянными.

При сушке разных видов материалов отдельные периоды сушки могут отличаться по времени или даже отсутствовать вовсе. Так, при сушке ок­рашенных изделий процесс заканчивается этапом равномерно падающей скорости сушки (линия АВСЕ).

Таким образом в реальных условиях общая продолжительность сушки материала равна:

(6.72)

Фактическую длительность сушки материала достаточно точно можно установить только опытным путем.

При известной средней скорости сушки общая ее продолжитель­ность выражается равенством.

(6.73)

где К- поправочный коэффициент; К = 1,5-2.

Этим выражением можно пользоваться со следующими оговорками: скорость сушки считают постоянной, периодом прогрева материала пре­небрегают вследствие его кратковременности, а период падающей скоро­сти не принимают во внимание вследствие того обстоятельства, что в про­цессе сушки влажные материалы отдают около 90 % своей влаги в течение периода постоянной скорости сушки, а остальные 10 % - в течение других периодов.

Максимальную интенсивность испарения влаги из материала J можно определить по формуле

кг/(м²с) (6.74)

где N_mах - максимальная скорость сушки; F - свободная поверхность вы­сушиваемого материала.

Количество необходимого для сушки материала сушильного агента, влажность которого изменяется от начальной ω_н до конечной влажности ω_к, определяют из уравнения материального баланса при установившемся процессе сушки.

Поступление влаги в сушилку (кг):

- с высушиваемым материалом G_н ω_н /100

- с сушильным агентом L_c х_н

Всего: G_н ω_н /100 +L_cx_н

Здесь: L_c - количество абсолютно сухого агента; x_y - начальное вла-госодержание сушильного агента (в кг влаги на кг сушильного агента).

Удаление влаги из сушилки (кг):

- с высушиваемым материалом G_к ω_к /100

- с сушильным агентом L_c х_к

Всего: G_к ω_к /100 +L_cx_к

Здесь x_к - конечное влагосодержание сушильного агента (в кг влаги на кг сушильного агента).

При отсутствии потерь влаги можно записать:

. (6.75)

Количество удаляемой влаги из материала:

. (6.76)

Решая совместно уравнения 6.75 и 6.76, получаем

. (6.77)

Откуда общее количество сушильного агента составит

,кг (6.78)

а его объем

,м³ (6.79)

где р_t - плотность сушильного агента при рабочей температуре.

Удельный расход сушильного агента на 1 кг удаляемой из материала влаги определяют из выражения

, кг /кг влаги. (6.80)