1.2 Кінетика сушки

Кінетика сушки визначається зміною в часі середньої вогкості матеріалу, яку будують звичайно за дослідними даними для кожного конкретного матеріалу (рис. 1.2).

Як випливає з рис. 1.2, крива сушки складається з двох ділянок, відповідних різним її періодам, які добре видно на графічній залежності швидкості сушки від вологості матеріалу (рис. 1.3).

Рис 1.2 - Крива вологості матеріалу, що висушується:

AB – період постійної швидкості сушки;

BE – період падаючої швидкості сушки

Рис. 1.3 – Крива швидкості сушки:

АВ- період постійної швидкості сушки;

ВЕ- період падаючої швидкості сушки;

Перший період (лінія АВ) - період постійної швидкості сушки або зовнішньої дифузії (поверхневого випаровування).

У цей період поверхня матеріалу покрита вологою, що забезпечується високою вогкістю матеріалу на початку сушки і відшкодуванням вологи, що випаровується, унаслідок дифузії її з внутрішніх шарів. Швидкість дифузії вологи рівна швидкості випаровування води з поверхні висушуваного матеріалу. Це означає, що підведення води до поверхні твердого тіла повністю компенсує її видалення з цієї поверхні. Швидкість сумарного процесу в цей період обмежується швидкістю поверхневого випаровування, тобто швидкістю відведення молекул пари від поверхні.

Кінетичні рівняння для першого періоду сушки можуть бути записані у вигляді

(1.2)

або

, (1.3)

де W - кількість випаруваної рідини;

F - поверхня фазового контакту;

- вологовмістом насиченого повітря в умовах сушки;

- дійсний (робочій) вологовмістом повітря; - парціальний тиск вологи в умовах насичення;

- дійсний парціальний тиск пари вологи в повітрі;

, - коефіцієнти масовіддачі;

- тривалість першого періоду сушки.

Чинниками, що визначають швидкість сушки в перший період, є:

• вологість газу (чим сухіше газ, тим більше рушійна сила процесу, а значить, більше швидкість сушки);

• температура газу (чим вище температура газу, тим вище температура поверхні матеріалу, а отже, більше пружність насиченої пари і вища швидкість сушки);

• швидкість газу (величина коефіцієнта масовіддачі залежить від швидкості газового потоку, а збільшення швидкості спричиняє за собою зростання турбулентності потоку, здування, тобто зменшення товщини прикордонного ламінарного шару газу і, отже, прискорення перенесення в ньому речовини - дифузії пари);

• поверхня випаровування (швидкість випаровування збільшується прямо пропорційно поверхні випаровування, тобто швидкість сушки зростає при подрібненні матеріалу, оскільки при цьому збільшується питома поверхня).

Перший період сушки відповідає зміні вогкості матеріалу в межах с_п - с_кр (початкова вологість - критична вологість).

Другий період (лінія BE) - період падаючої швидкості сушки або внутрішньої дифузії.

У цей період підвід вологи до зовнішньої поверхні висушуваного матеріалу виявляється недостатньо швидким для компенсації вологи, що випаровується з неї, через збільшення глибини її витягання.

Зміна швидкості сушки в цей період залежить від того, наскільки швидко в порівнянні з швидкістю випаровування підходитиме волога з внутрішніх шарів до зовнішніх. Ця зміна залежить від форми зв'язку вологи з матеріалом, структури твердої речовини, товщина шматка і т.д. Експериментально встановлено, що найчастіше на ділянці BE швидкість сушки змінюється за лінійним законом (див. рис. 1.3).

Кінетичне рівняння для другого періоду сушки може бути записане у вигляді

(1.4)

де - коефіцієнт швидкості сушки; - вогкість матеріалу в даний момент; - рівноважна вогкість матеріалу; - тривалість другого періоду сушки.

Слід зазначити, що цей кінетичний закон описує явище лише приблизно. Дійсна зміна швидкості сушки в межах зміни вогкості (критична вогкість - кінцева вогкість) може і не слідувати лінійному закону (пунктирні лінії на рис. 1.3).

Коли в ході сушки поверхня висушуваного матеріалу покривається кіркою, швидкість процесу зменшується і виражається на графіку кривої, розташованої нижче прямої лінії. У інших випадках, коли в результаті сушки відбувається розтріскування висушуваного матеріалу, а в результаті цього - збільшення поверхні контакту фаз, швидкість сушки збільшується і виражається на графіку кривої, розташованої вище за пряму .

Інтенсифікація другого періоду процесу сушки може бути досягнута шляхом перемішування висушуваного матеріалу, сприяючого механічному перенесенню вологи з внутрішніх шарів до поверхні контакту з сушильним агентом.

Таким чином, для періодичних процесів загальна тривалість сушки складається з тривалості сушки в першому і в другому періодах:

Значення , визначають при цьому з рівнянь (1.2) і (1.3)

або

.

У цих рівняннях і - середня рушійна сила процесу, яка визначається по формулах

;

(1.5)

,

де - початкова різниця між парціальним тиском насиченої водяної пари в умовах сушки і робочим парціальним тиском; - кінцева різниця між парціальним тиском насиченої водяної пари в умовах сушки і робочим парціальним тиском; - початкова різниця між вологовмістом насиченого повітря в умовах сушки і робочим вологовмістом; - кінцева різниця між вологовмістом насиченого повітря в умовах сушки і робочим вологовмістом.

Для визначення тривалості другого періоду сушки користуються рівнянням (1.4):

, (1.6)

де G - кількість висушуваного матеріалу, кг сухої речовини.

З рівняння (1.1.6) виходить:

. (1.7)

Інтегруючи рівняння (1.1.7) в межах і , одержимо

або . (1.8)

Значення і визначаються експериментально.[1]