Сушка способы удаления влаги

Аппараты для сушки материалов

Сушка — это процесс удаления влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению. Различают сушку конвективную (в потоке нагретого газа или пара), контактную или кондуктивную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), высокочастотную (диэлектрическим нагревом), радиационную (инфракрасным излучением), сублимационную (под вакуумом). По своей физической сущности сушка является сложным тепло-массообменным процессом. Удаление влаги при сушке сопровождается перемещением тепла и влаги внутри высушиваемого материала и переносу влаги с поверхности материала в окружающую среду, поэтому интенсивность сушки зависит от способа подвода тепла к материалу, скорости перемещения влаги из глубины материала к его поверхности и способа отвода испаряющейся влаги. Большое влияние на скорость процесса оказывает форма связи влаги с материалом и его теплофизические свойства.

Связь влаги с материалом может быть механической, физико-химической и химической. Механически связанная влага заполняет макро- и микрокапилляры в объеме материала и удаляется наиболее легко. Самой прочной является механическая связь влаги с гигроскопичными материалами, для которых характерна развитая структура микрокапилляров. Физико-химическая связь может быть обусловлена адсорбцией воды материалом, а также осмотическими силами, которые удерживают влагу внутри структурного скелета материала. Химически связанная влага — это вода, вошедшая в состав материала в результате реакции гидратации, т.е. вода гидроокисей и соединений типа кристаллогидратов. Эта влага не удаляется при сушке (иногда удаляется прокаливанием).

Виды сушки, применяемые в химической промышленности, классифицируют по способу подвода тепла к высушиваемому материалу. Наиболее распространена конвективная сушка, когда тепло к поверхности материала передается непосредственно от сушильного агента (воздух, инертный газ, дымовые газы, реже — перегретый водяной пар). При кондуктивной сушке тепло материалу передается через контактную поверхность, обогреваемую теплоносителем (водяной пар, ВОТ, расплавы солей и металлов, электронагрев). Гораздо реже конвективной и контактной применяется радиационная сушка (инфракрасными лучами) и сушка в поле токов высокой частоты. Сушка сублимацией со сбросом давления практически не находит применения в химической промышленности.

В процессе конвективной сушки влага перемещается из глубины материала к поверхности за счет градиента влажности, а градиент температуры несколько тормозит процесс, т.к. температура на поверхности материала больше, чем в глубине (потоки влаги и тепла направлены в противоположные стороны). При кондуктивной сушке градиенты влажности и температуры направлены одинаково, поэтому удаление из материала капиллярно связанной влаги идет более интенсивно, чем при конвективной сушке.

Механизм радиационной сушки аналогичен конвективной. Вначале температура поверхности много больше температуры внутренних слоев материала и под действием градиента температуры влага перемещается внутрь материала, возникает значительный градиент влагосодержания. К концу периода облучения материал прогревается, градиент температуры уменьшается, влага движется к поверхности и интенсивно испаряется.

При сушке в поле токов высокой частоты ионы и электроны в материале изменяют направление движения синхронно с изменением знака зарядов электродов, между которыми помещается материал (обычно штучный), дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные поляризуются. Эти процессы сопровождаются трением и выделением тепла, которое нагревает материал, способствуя продвижению влаги к периферийным слоям и ее испарению с поверхности материала. Как и при контактной сушке, в этом случае внутри материала температура выше, чем на поверхности, т.е. градиенты влажности и температуры направлены в одну сторону. Этот способ сушки связан с относительно высокими затратами энергии, поэтому он применяется лишь для материалов, особенно чувствительных к перегреву и растрескиванию.

Сублимационная сушка влажного материала включает испарение льда, в который превращается механически связанная влага при давлении парогазовой смеси над материалом меньше 4.58 мм рт. ст., а затем, уже при температуре выше 0 о С, — испарение переохлажденной адсорбционно связанной жидкости внутри материала.

Температурный режим сушки, скорости относительного перемещения материала и сушильного агента необходимо подбирать так, чтобы процессы диффузии влаги к поверхности материала и ее удаления с поверхности находились в строгом соответствии, иначе возможно коробление поверхности материала и ухудшение его качества.

3.2.1 Основы кинетики сушки

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса:

а) сушка (десорбция влаги из материала) — если парциальное давление пара над поверхностью материала Р_п м превышает его парциальное давление в окружающей среде Р_п с ( Р_п м > Р_п с );

б) увлажнение (сорбция влаги материалом) — если Р_п м Р_п с .

В процессе сушки величина Р_п м уменьшается и приближается к пределу Р_п м = Р_п с . При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельное влагосодержание материала U_р, называемое равновесным.

Равновесное влагосодержание зависит от свойств материала и параметров окружающей среды, а также от характера связи влаги с материалом. Влажному материалу присущи все формы связи с влагой, и очень трудно разграничить периоды сушки, соответствующие различным видам этой связи. Поэтому на основе данных экспериментов строят изотермы сорбции материалов, которые дают возможность установить связь между влагосодержанием материала и относительной влажностью воздуха, а также определить равновесное влагосодержание при сушке.

Скорость сушки характеризуется изменением влагосодержания высушиваемого материала в единицу времени: , где U — влагосодержание материала (кг влаги/кг сухого), t — продолжительность сушки. Средняя скорость сушки за весь ее период , где m_в — масса испаренной влаги, m_c — масса абсолютно сухого материала.

Различают два периода сушки:

1. Период постоянной скорости, когда влага испаряется со всей поверхности материала так же, как с зеркала испарения некоторого объема жидкости. В этом периоде скорость сушки определяется только интенсивностью массоотдачи (влагоотдачи) с поверхности материала в окружающую среду.

2. Период падающей скорости, когда она определяется интенсивностью перемещения влаги изнутри материала к его поверхности. С началом этого периода поверхность испарения влаги постепенно уменьшается (на поверхности подсохшего материала возникают сухие участки), что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии. В конце второго периода испарение влаги с поверхности материала может прекратиться совсем и переместиться в его внутренние слои. В таких случаях второй период разделяют на две стадии: равномерно и неравномерно падающей скорости сушки.

В первом периоде сушки и на первой стадии второго из материала удаляется механически связанная влага, на второй стадии второго периода — адсорбционно и осмотически связанная. Двум основным периодам предшествует относительно короткий период прогрева материала до температуры сушки (АВ на рис. 3.1, 3.2).

Кинетика сушки обычно изучается экспериментально — путем взвешивания образца высушиваемого материала через определенные промежутки времени и расчета его

влагосодержания. По результатам эксперимента строят т.н. кривую сушки (рис. 3.1), которая позволяет выделить периоды процесса и определить их продолжительности.

Первый период (ВК₁)- это изменение влагосодержания материала от начального U_нач до критического U_кр. Температура материала q в течение всего первого периода соответствует температуре мокрого термометра t_м сушильного агента. Во втором периоде (К₁С)

температура материала повышается до конечной температуры сушильного агента t₂, а влагосодержание падает до равновесного U_р и далее не меняется (CD). Если второй период состоит из двух стадий, то выделяется участок равномерно падающей скорости сушки (К₁К₂) и отмечается второе критическое влагосодержание U’_кр. Путем графического дифференцирования кривой сушки, т.е. проведения касательной к ней и определения тангенса угла ее наклона к оси t (угол a на рис 3.1), можно вычислить мгновенную

скорость сушки и на основе результатов дифференцирования построить кривую скоро сти сушки (рис. 3.2). С помощью этой зависимости устанавливается целесообразное конечное влагосодержание высушиваемого материала.

Скорость сушки в первом периоде можно определить из уравнения массоотдачи , где b — коэффициент массоотдачи от влажной поверхности к потоку сушильного агента (кг/м 2 /с), F — поверхность испарения высушиваемого материала,

— (3.1)

средняя движущая сила процесса сушки в пределах первого периода, х₁, х₂, х_нас — влагосодержания сушильного агента на входе в аппарат, на выходе из него и в непосредственной близости от влажной поверхности (при температуре t_м). Следовательно

, (3.2)

где f — удельная поверхность абсолютно сухого материала (м 2 /кг).

Коэффициент массоотдачи b можно определить из критериального уравнения

. (3.3)

В этом уравнении Nu’ = b × l / D — массообменный критерий Нуссельта, Re = w × l / n — критерий Рейнольдса, Pr’ = n / D — диффузионный критерий Прандтля, Gu = ( T₁ — T_м)/ T₁ — критерий Гухмана. Значения коэффициентов B и n зависят от значения критерия Рейнольдса, например при Re > 6000 B = 0.35, n = 0.65. В выражения для вычисления критериев входят следующие величины: l — определяющий размер (длина поверхности испарения в направлении движения сушильного агента), D — коэффициент диффузии паров воды в среде сушильного агента (м 2 /с), w — скорость движения сушильного агента, n — его кинематическая вязкость, Т₁, Т_м — абсолютные температуры сушильного агента на входе в сушилку и мокрого термометра.

По известному значению N может быть приблизительно найдена продолжительность сушки t = t ₁ + t ₂ , где длительность первого периода

, (3.4)

а длительность второго

. (3.5)

Формула (3.5) получена в результате решения дифференциального уравнения, характеризующего процесс изменения влагосодержания внутри частицы материала при следующих допущениях:

— частицы материала имеют форму шара;

— поры в частице и влага в них распределены равномерно;

— все сопротивление массопереносу сосредоточено внутри частицы, т.е. подводимая к ее поверхности влага отводится моментально.

Заметим, что значения критического U_кр и равновесного U_р влагосодержания материала определяются экспериментально, с помощью кривой сушки и изотерм сорбции, а его конечное влагосодержание U_к определяется требованиями стандартов или технических условий на продукт. Обычно U_кр U_к U_р, причем соответствующая U_к скорость сушки не должна быть слишком низкой (проверяется по кривой скорости сушки).

Источник

Статика и кинетика сушки

Способы удаления влаги и виды сушки

Влага может быть удалена различными способами:

1. Механическими – путём прессования, отстаивания, фильтрования и центрифугирования. Такими способами удается удалить влагу, не имеющую прочной связи с материалом.

2. Физико-химическими – путём поглощения гигроскопическими материалами: хлористым кальцием, серной кислотой и др. Удаление влаги таким способом дорогое и сложное. Его применяют главным образом для обезвоживания газов.

3. Тепловыми – путём испарения, выпаривания и конденсации. Эти способы широко применяются, когда требуется достаточно полное удаление влаги.

Процесс удаления влаги из материала с использованием тепловой энергии для испарения влаги и с отводом образующихся паров называется сушкой.

Различают естественную и искусственную сушку. Чаще всего естественную сушку применяют на небольших сезонных кирпичных заводах для сушки кирпича-сырца.

Основным видом сушки при производстве строительных материалов и конструкций является искусственная сушка.

Процессы сушки и применяемые для них установки классифицируют по различным признакам. К наиболее существенным из них следует отнести: способ подвода тепла, давление в рабочем пространстве, характер работы установки, направление движения материала и сушильного агента, конструктивные признаки.

1. По способу подвода тепла различают сушку конвективную, когда тепло к материалу от теплоносителя передается конвекцией при их непосредственном соприкосновении; контактную, когда тепло к материалу подводится теплопроводностью через стенку, разделяющую материал и теплоноситель; радиационную, когда нагрев материала происходит путём теплового излучения; диэлектрическую, когда материал нагревается под действием электрического поля высокой частоты; сублимационную, когда при низких температурах и глубоком вакууме влага, находящаяся в твёрдой фазе, испаряется без перехода в жидкое состояние.

2. По давлению в рабочем пространстве различают атмосферные сушилки, где давление не отличается существенно от атмосферного, и вакуумные, работающие под давлением, которое значительно ниже атмосферного.

3. По характеру работы сушилки бывают периодического и непрерывного действия.

4. По направлению движения материала и сушильного агента различают прямоточные и противоточные сушилки.

5. По конструктивным особенностям сушилки бывают камерные, туннельные, шахтные, конвейерные и др.

Процесс перехода влаги, находящейся в твёрдом материале, из жидкой среды в газообразную может протекать лишь в том случае, если давление пара над поверхностью материала больше парциального давления его в окружающей газообразной среде. Как и в других процессах, различают две стороны сушки – статику и кинетику.

Статика сушки устанавливает связь между начальными и конечными параметрами участвующих в сушке веществ (материала и сушильного агента) на основе уравнений материального и теплового балансов; из статики сушки определяется состав материала, расход сушильного агента и расход тепла.

Кинетика сушки устанавливает связь между изменением влажности материала во времени и параметрами процесса (свойства и структура материала, его размеры, гидродинамические условия обтекания материала сушильным агентом и др.).

Уравнения кинетики сушки характеризуют процесс удаления влаги из материала во времени и используются для определения продолжительности и режима сушки.

Для расчёта процесса сушки и создания рациональных конструкций сушилок необходимо совместное рассмотрение статики и кинетики сушильного процесса.

Источник