Тема 3.7. Сушка 12ч., в т.Ч. Лаб. Раб. И практ. Занят 4ч.

Студент должен:

знать:

• теоретические основы процесса сушки, условия проведения;

• принцип действия и устройства аппаратов процесса сушки;

• принципы составления материального и теплового балансов;

• принципы выбора сушилок;

уметь:

• рассчитывать материальный и тепловой балансы процесса сушки;

• выполнять построение процесса сушки на диаграмме y-x, определять параметры воздуха;

• выбирать конструкцию сушилки с помощью каталогов.

Назначение сушки. Классификация способов сушки. Равновесие между фазами в процессе сушки. Направление и движущая сила сушки. Кинетика сушки. Определение скорости и времени сушки.

Интенсификация массопередачи при сушке. Конвективная сушка.

Свойства влажного газа (воздуха). Y-x диаграмма влажного воздуха. Материальный и тепловой баланс сушки. Процессы конвективной сушки. Контактная сушка. Сушка инфракрасными лучами, токами высокой частоты, сублимацией. Конструкции сушилок.

СУШКА

Сушка – процесс удаления влаги из твердого материала путем ее испарения и отвода образовавшихся паров.

Обезвоживание материалов осуществляется обычно с целью повышения качества целевого продукта, предупреждения слеживаемости, удешевления транспортировки, уменьшения коррозии аппаратуры и трубопроводов, повышения теплотворной способности (для топлив).

Вследствие больших величин теплом парообразования жидкостей сушка, как и выпаривание, является сравнительно дорогим технологическим процессом. С этой целью перед сушкой часть влаги удаляется более дешевым механическим путем – фильтрованием, прессованием, центрифугированием.

Высушиваемые материалы в зависимости от способа сушки условно можно разделить на следующие группы:

• жидкотекучие материалы – истинные и коллоидные растворы, эмульсии и суспензии;

• пастообразные материалы;

• твердые дисперсные материалы, обладающие сыпучестью во влажном состоянии (пылевидные, зернистые и кусковые);

• тонкие гибкие материалы (ткани, пленки, бумага, картон);

• штучные, массивные, крупногабаритные материалы и изделия: керамика, элементы строительных конструкций, изделия из древесины;

• изделия, подвергающиеся сушке после грунтования, окраски, склеивания и других работ на поверхности.

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают:

• конвективную сушку (теплота для осуществления процесса передается материалу при его непосредственном контакте с сушильным агентом, например нагретым воздухом, топочными и другими газами);

• контактную (кондуктивную) сушку (теплота передается материалу через разделяющую их стенку);

• радиационную сушку (теплота передается инфракрасными лучами);

• диэлектрическую сушку (теплота выделяется в материале в результате воздействия на него токов высокой частоты);

• сублимационную сушку (высушивание материала осуществляется в замороженном состоянии при глубоком вакууме).

В технике наиболее часто применяют конвективную и кондуктивную сушки. Последние три способа относятся к специальным видам, их применяют несколько реже.

Равновесие в процессе сушки

Процессу сушки, как любому массообменному процессу, соответствует обратный процесс – поглощение твердым материалом влаги из окружающей среды, содержащей либо пары влаги, либо смесь паров влаги с другими газами. Обозначим давление паров влаги, когда только она является окружающей средой, через р_пар, а ее парциальное давление в смеси с газами окружающей) среды – через р_D.

В то же время, влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное равновесное давление водяного пара над влажным высушиваемым материалом р_мат.

Условием сушки в этом случае являются неравенства

Влажность материала, отвечающая условию р_мат =р_пар*(р_мат =р_D), соответствует условию равновесия.

Обратному процессу (сорбции паров влаги из окружающей среды твердым материалом) соответствуют неравенства р_пар > р_мат и p_D > р_мат.

Давление пара над высушиваемым материалом рмат зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом. С ростом температуры и влажности материала значение р_мат возрастает (рис. 14.1). Кроме того, чем сильнее связь влаги с материалом, тем меньше при прочих равных условиях давление паров влаги над этим материалом.

Различают несколько форм связи влаги с материалом (если под влагой понимать воду, то в порядке убывания энергии связи).

Химически связанная влага – гидратная или кристаллизационная, входящая в состав самого химического соединения, в процессе сушки не удаляется. Для ее удаления необходимо либо высокотемпературное воздействие (прокалка), либо химическая обработка.

Физико-химически связанная влага (адсорбционная и осмотическая) – влага, находящаяся в микропорах и связанная с материалом на молекулярном уровне адсорбционными и осмотическими силами.

Механически (капиллярно) связанная влага, заполняющая макро- и микрокапилляры, может быть удалена не только при сушке, но и при механических воздействиях.

Значения концентраций влаги в материале используются для описания кинетики процесса сушки, а также расчета аппаратов, в которых он осуществляется.

Значения концентраций влаги определяются:

• влажностью с – отношением массы влаги, содержащейся в материале, к массе влажного материала, кг/кг;

• влагосодержанием х – отношёнием массы влаги, содержащейся в материале, к массе сухого материала, кг/кг;

• относительной влажностью φ – отношением количества паров в газе к максимально возможному, отвечающему насыщенному состоянию при тех же температуре и давлении, %.

Кинетика сушки

Кинетика сушки определяется изменением во времени средней влажности материала, которую строят обычно по опытным данным для каждого конкретного материала (рис. 14.2).

Как следует из рис. 14.2, кривая сушки состоит из двух участков, соответствующих различным ее периодам, которые хорошо видны на графической зависимости скорости сушки от влажности материала (рис. 14.3).

Первый период (линия АВ) - период постоянной скорости сушки или внешней диффузии (поверхностного испарения).

В этот период поверхность материала покрыта влагой, что обеспечивается высокой влажностью материала в начале сушки и возмещением испаряющейся влаги вследствие диффузии ее из внутренних слоев. Скорость диффузии влаги равна скорости испарения воды с поверхности высушиваемого материала. Это означает, что подвод воды к поверхности твердого тела полностью компенсирует ее удаление с этой поверхности. Скорость суммарного процесса в этот период ограничивается скоростью поверхностного испарения, т. е. скоростью отвода молекул пара от поверхности.

Кинетические уравнения для первого периода сушки могут быть записаны в виде

где W – количество испаренной жидкости; F – поверхность фазового контакта; х_нас – влагосодержание насыщенного воздуха в условиях сушки; х – действительное (рабочее) влагосодержание воздуха; р_нас – парциальное давление влаги в условиях насыщения; р – действительное парциальное давление паров влаги в воздухе; β_х, β_р – коэффициенты массоотдачи; τ₁ — продолжительность первого периода сушки.

Факторами, определяющими скорость сушки в первый период, являются:

• влажность газа (чем суше газ, тем больше движущая сила процесса, а значит, больше скорость сушки);

• температура газа (чем выше температура газа, тем выше температура поверхности материала, а следовательно, больше упругость насыщенного пара и выше скорость сушки);

• скорость газа (величина коэффициента массоотдачи зависит от скорости газового потока, а увеличение скорости влечет за собой рост турбулентности потока, сдувание, т. е. уменьшение толщины пограничного ламинарного слоя газа и, следовательно, ускорение переноса в нем вещества – диффузии пара);

• поверхность испарения (скорость испарения увеличивается прямопропорционально поверхности испарения, т. е. скорость сушки, растет при измельчении материала, так как при этом увеличивается удельная поверхность).

Первый период сушки соответствует изменению влажности, материала в пределах с_н – с_кр (начальная влажность – критическая влажность).

Второй период (линия ВЕ) – период падающей скорости сушки или внутренней диффузии.

В этот период подвод влаги к внешней поверхности высушиваемого материала оказывается недостаточно быстрым для компенсации испаряющейся с нее влаги из-за увеличения глубины её извлечения.

Изменение скорости сушки в этот период зависит от того, насколько быстро по сравнению со скоростью испарения будет подходить влага из внутренних слоев к наружным. Это изменение зависит от формы связи влаги с материалом, структуры твердого вещества, толщины куска и т. д. Экспериментально установлено, что чаще всего на участке ВЕ скорость сушки изменяется по ли­нейному закону (см. рис. 14.3).

Кинетическое уравнение для второго периода сушки может быть записано в виде

где К – коэффициент скорости сушки; с – влажность материала в данный момент; с_равн - равновесная влажность материала; τ₂ – продолжительность второго периода сушки.

Следует отметить, что этот кинетический закон описывает явление лишь приближенно. Действительное изменение скорости сушки в пределах изменения влажности с_кр – с_к (критическая влажность – конечная влажность) может и не следовать линейному закону (пунктирные линии на рис. 14.3).

Когда в ходе сушки поверхность высушиваемого материала покрывается коркой, скорость процесса уменьшается и выражается на графике кривой, расположенной ниже прямой линии. В других случаях, когда в результате сушки происходит растрескивание высушиваемого материала, а в результате этого – увеличение поверхности контакта фаз, скорость сушки увеличивается и выражается на графике кривой, расположенной выше прямой с_кр – с_к.

Интенсификация второго периода процесса сушки может быть достигнута путем перемешивания высушиваемого материала, способствующего механическому переносу влаги из внутренних слоев к поверхности контакта с сушильным агентом.

Таким образом, для периодических процессов общая продолжительность сушки складывается из продолжительности сушки в первом τ₁ и во втором τ₂ периодах:

τ = τ₁ + τ₂.

Значение τ₁ определяют при этом из уравнений (14.2) и (14.3)

В этих уравнениях Δр_ср и Δх_ср – средняя движущая сила процесса, которая определяется по формулам

где Δр_н = (р_нас - р)_н – начальная разность между парциальным давлением насыщенного водяного пара в условиях сушки и рабочим парциальным давлением; Δр_к = (р_нас - р)_к – конечная разность между парциальным давлением насыщенного водяного пара в условиях сушки и рабочим парциальным давлением; Δх_н = (х_нас - х)_н – начальная разность между влагосодержанием насыщенного воздуха в условиях сушки и рабочим влагосодержанием; Δх_к = (х_нас - х)_к – конечная разность между влагосодержанием насыщенного воздуха в условиях сушки и рабочим влагосодержанием.

Для определения продолжительности второго периода сушки пользуются уравнением (14.4):

где G – количество высушиваемого материала, кг сухого вещества. Из уравнения (14.6) следует:

Интегрируя уравнение (14.7) в пределах с_к – с_кр и 0 – τ, получим

Значения с_кр и с_к определяются экспериментально.

Конвективная сушка

Конвективная сушка – сушка влажного материала в потоке горячего воздуха или топочных газов, которые при этом являются тепло- и влагоносителями. Так как в качестве сушильного агента при конвективной сушке наиболее часто используют воздух, ее называют воздушной сушкой.

Материальный баланс конвективной сушки составим при условии, что масса влажного материала, поступающего на конвективную сушку, G_н с влажностью с_н, выраженной в процентах (массовых долях), а после сушки получим массу высушенного материала G_к с влажностью с_к и количеством испаренной влаги W. В этом случае материальный баланс для этих потоков может быть записан

а для сухого твердого вещества представлен в виде

где с_н и с_к – влажности, %.

Из уравнений (14.8) и (14.9) может быть получено либо количество высушенного материала , либо количество испаренной влаги

В процессе конвективной сушки участвует также воздух, абсолютно сухое количество которого обозначим L. При подаче на сушку его влагосодержание составляет х₁, а после сушки и поглощения испаренной влаги в количестве W оно становится равным х₂.

Баланс конвективной сушки по влаге в сушильном агенте может быть в этом случае записан

откуда расход воздуха

Важной характеристикой процесса конвективной сушки является удельный расход воздуха (на 1 кг испаренной влаги)

зависящий от разности влагосодержания отработавшего и свежего воздуха.

Тепловой баланс конвективной сушки составим для конвективной сушилки, схема которой представлена на рис. 14.4. Допустим, что на высушивание поступает влажный материал в количестве G_н = G_с.в + W, где G_с.в и W – количество в нем абсолютно сухого вещества и влаги соответственно. Подача и перемещение влажного материала в сушильную камеру может осуществляться транспортными средствами (ленточным транспортером, вагонетками и вес которых составляет G_тв. Кроме того, в сушилку вводится L абсолютно сухого воздуха. Для подогрева воздуха к калориферу

подводится теплота Q_к.

Обозначим: с_{с. в}, с_тр – теплоемкости сухого вещества и транспортных средств; θ, θ_к – температуры материала, поступающего на сушку и после сушки; t_{тр. н}, t_тр.к – температуры транспортных средств на входе в сушильную камеру и на выходе из нее; i₀, i₁, i₂ – удельные энтальпии воздуха на входе в сушильную камеру, после нагревания в калорифере, на выходе из сушильной камеры; Q_п – потери теплоты в окружающую среду.

Баланс теплоты может быть выражен следующим образом:

Таким образом, тепловой баланс процесса конвективной сушки можно представить равенством

Удельный расход теплоты, приходящийся на 1 кг испаряемой при сушке влаги, можно получить, разделив каждый член выражения (14.11) на W. Обозначив удельные расходы теплоты как

перепишем уравнение (14.11) в виде

При принятых обозначениях удельный расход теплоты в калорифере можно также представить в виде

Подставив это выражение в уравнение (14.12), получим

где Δ – изменение энтальпии сушильного агента.

Уравнение (14.13) является основной формой теплового баланса конвективных сушилок. При Δ > 0 энтальпия сушильного агента увеличивается, при Δ < 0 – уменьшается, при Δ = 0 величины i₁ = i₂ = const, что соответствует теоретической сушилке.

Подставив в уравнение (14.13) удельный расход воздуха из (14.10) и заменив i₂ и х₂ на их промежуточные значения i и х, получим выражение

являющееся уравнением рабочей линии процесса сушки, представляющей прямую линию в координатах i – х диаграммы состояния влажного воздуха.

Диаграмма состояния влажного атмосферного воздуха (i – х) впервые была построена в 1918 г. Л. К. Рамзиным и выражает зависимость между его энтальпией и влагосодержанием (рис. 14.5). Диаграмма построена для 1 кг сухой массы воздуха и давления, равного 745 мм рт. ст., которое можно считать среднегодовым для центральных районов России. И хотя угол между координатными осями составляет 135°, для удобства расчетов на диаграмме нане­сена вспомогательная ось х, проведенная под углом 90°.

На диаграмме (см. рис. 14.5) построены:

• линии постоянного влагосодержания (х = const), представляющие собой вертикальные прямые, параллельные оси ординат;

• линии постоянной энтальпии (i = const) – прямые, параллельные оси абсцисс, идущие под углом 135°;

• линии постоянных температур, или изотермы (t = const);

линия парциальных давлений водяного пара р_пар во влажном воздухе;

• линии постоянной относительной влажности (= const), представляющие расходящийся пучок кривых. При t = 99,4°С – температуре кипения воды при давлении 745 мм рт. ст. – кривые φ имеют перелом и идут вертикально вверх. Это объясняется тем, что при t ≥ 99,4°С парциальное давление насыщенных паров водяного пара, находящегося в воздухе, будет равно общему давлению, а влагосодержание воздуха при данной относительной влажности остается постоянным.

Кривая φ = 100%, соответствующая насыщенному состоянию воздуха паром при данной температуре, делит диаграмму на две части. Выше линии насыщения находится область ненасыщенного состоянии влажного воздуха. Здесь любое состояние влажного воздуха находится по двум любым параметрам (например, пересечением изотермы и линии влагосодержания). По найденной точке могут быть определены энтальпии и относительная влажность воздуха.

Ниже линии насыщения находится область пересыщенных состояний (в технике сушки это нереально).

Процессы изменения параметров воздуха на диаграмме i – х

Нагревание и охлаждение – процессы, при осуществлении которых влагосодержание влажного воздуха остается постоянным (х = const). Таким образом, эти процессы изображаются на диаграмме i – х вертикальными прямыми, параллельными оси i (рис. 14.6, а).

Смешение двух объемов воздуха (1 кг воздуха с параметрами i₁ и х₁ смешивается с n кг воздуха с параметрами i₂ и х₂) изображено на i – х-диаграмме (рис. 14.6, б).

Для рассматриваемого процесса могут быть записаны уравнения теплового баланса

которые могут затем быть преобразованы к виду

Приравняв уравнения (14.15) и (14.16), получим

Уравнение (14.17) показывает, что точка, характеризующая состояние полученной смеси, лежит на отрезке прямой, соединяющей точки, характеризующие состояния смешиваемых объемов. Эта точка делит этот отрезок на части в отношении 1÷n.

Конденсация. Температурой точки росы называют температуру, охлаждаясь до которой при постоянном влагосодержании, воздух приобретает относительную влажность, равную 100 %. Легко видеть, что точку росы В (рис. 14.6, в) для воздуха с начальными параметрами, соответствующими точке А, можно найти как изотерму t_pос точки пересечения вертикальной прямой, проходящей через А, с линией φ = 100%.

Сушка. Рабочая линия сушки. Если при расчете сушильного аппарата известно начальное состояние воздуха (точка В на рис. 14.6, г), а также один из параметров, характеризующий его на выходе из

сушилки (например, относительная влажность), то в соответствии с уравнением (14.14) в зависимости от значения Δ рабочие линии процесса сушки могут располагаться на диаграмме i – х в виде линий ВС (Δ > 0); ВС' (Δ = 0) и ВС" (Δ < 0) (см. рис. 14.6, г).

Движущая сила процесса сушки. Для определения средней движущей силы процесса сушки в соответствии с уравнениями (14.5) удобно пользоваться i – х-диаграммой. Последовательность графических построений для этой цели приведена на рис. 14.7, а, б.

Принципиальные схемы конвективной сушки

Кроме простой однократной воздушной сушки, когда воздух нагревается и один проходит через сушильную камеру (см. рис. 14.6, г) существует ряд других вариантов.

Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха (рис. 14.8). Для осуществления процесса обычно принимают максимальные и минимальные значения температур воздуха t_max и t_min. Воздух предварительно нагревается калориферами 1 до t_max и после этого взаимодействует с влажным материалом в сушилке 2, охлаждаясь до температуры t_min. Затем воздух вновь нагревают до температуры t_max и направляют для взаимодействия с влажным материалом, температура воздуха понижается до t_min и т. д. Конечные параметры воздуха в этом случае определяются точкой В.

Рассмотренный вариант сушки характеризуется тем, что требуемое количество теплоты подводится к высушиваемому материалу при пониженной температуре воздуха. Пунктирные линии показывают, что для сушки без промежуточного подогрева воздуха потребовалось бы предварительное нагревание его до температуры t₁ (точка С), более высокой, чем t_max.

Сушка с частичным возвратом отработавшего воздуха (рис. 14.9). Исходный воздух смешивается с частью отработавшего воздуха,

который возвращается на вход в сушилку вентилятором 3 (линии АС и ВС), далее нагревается калорифером 1 до требуемой температуры t_D и после этого взаимодействует с высушиваемым материалом в сушилке 2. Особенностями этого варианта сушки по сравнению с сушкой при однократном проходе воздуха являются пониженная температура воздуха при контактировании его с влажным материалом, повышенное начальное влагосодержание воздуха, его больший объемный расход и линейная скорость воздуха в сушильной камере, приводящая к увеличению коэффициентов массоотдачи.

Сушка с замкнутой циркуляцией высушивающего газа (рис. 14.10, а). Применяется в тех случаях, когда в качестве высушивающего газа используют чистые и дорогостоящие газы, либо осуществляется сушка вредных, токсичных продуктов. В этих условиях отработав‑

ший газ не может отводиться в атмосферу, и появляется необходимость замкнутой его циркуляции с последующей утилизацией.

Процесс осуществляется следующим образом. Полностью насыщенный водяными парами газ нагревается калорифером 1 (это соответствует линии АВ на рис. 14.10, б), в результате чего резко снижается его относительная влажность и одновременно возрастает высушивающая способность. После этого газ взаимодействует с влажным материалом в сушилке 2 (этот процесс отражается линией ВС), насыщаясь влагой. Увлажненный газ охлаждается до точки росы в конденсаторе 3 (этому соответствует линия CD),

часть находящейся в нем влаги конденсируется в результате дополнительного охлаждения воздуха и собирается в сборнике 4 (кривая DA). Затем газ вновь направляется на нагревание и сушку, а сконденсированная жидкость отводится в сборник 5.

Следует подчеркнуть, что, используя тот или иной рабочий вариант сушки, можно лишь ускорить или замедлить процесс массопередачи, сделать более мягкими или более жесткими условия его проведения, но нельзя существенно повлиять на расход теплоты, поскольку она, как было показано, определяется только начальными и конечными параметрами высушивающего газа.

Контактная сушка

Контактная сушка, или сушка на греющих поверхностях, осуществляется при атмосферном давлении и под вакуумом, понижающим температуру сушки и увеличивающим ее скорость.

Материальный баланс контактной сушки можно описать уравнениями (14.8) и (14.9).

Тепловой баланс контактной сушки отражает два периода осуществления процесса: нагревание материала до начальной темпе­ратуры сушки и собственно сушка.

Соответственно расход теплоты на нагрев материала (первый период процесса контактной сушки) составит

где Q_с.в – количество сухого вещества, содержащегося в подаваемом на сушку влажном материале; с_с..в – теплоемкость сухого вещества; t_{c. н}, t_н – начальные температуры сушки и влажного материала; W — количество влаги, содержащееся в исходном материале и испаряющееся в процессе сушки; с_в – теплоемкость влаги; Q_{п. н} – потери в окружающую среду при нагревании материала.

Расход теплоты собственно на сушку (второй период) составляет

где t_{с. к} – конечная температура сушки; i – энтальпия водяных паров, образующихся при сушке; Q_{п. с} – потери теплоты в окружающую среду при сушке.

Радиационная сушка осуществляется подводом к материалу тепловой энергии потоком инфракрасных лучей. Поскольку удельные тепловые потоки к материалу в десятки раз превышают соответствующие величины при контактной и конвективной сушке, происходит интенсивный нагрев и испарение влаги из высушиваемых тел.

В качестве нагревающих устройств при радиационной сушке применяют либо специальные электролампы с увеличенными нитями накаливания, либо экраны или панели, нагреваемые газом или электрическим током. В современных установках эффективно используются излучающие насадки с беспламенными горелками. Радиационные сушилки компактны и эффективны для сушки тонколистовых материалов и окрашенных поверхностей.

Диэлектрическая сушка (сушка токами высокой частоты) предназначена для высушивания толстослойных материалов, когда необходимо регулировать скорость сушки, температуру и влажность не только на поверхности, но и в глубине материала.

Физические основы диэлектрической сушки заключаются в том, что под действием электрического поля ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением заряда электродов, полярные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются в результате смещения их зарядов. Эти процессы приводят к выделению теплоты , которая равномерно нагревает материал, способствуя перемещению влаги к периферийным слоями испарению ее с поверхности тела.

Таким образом можно сушить материалы, обладающие диэлектрическими свойствами. Однако диэлектрическая сушка требует расходов энергии, в несколько раз превышающих соответствующие расходы на контактную или конвективную сушку, а также более сложного и дорогого оборудования.

Сублимационная сушка – удаление влаги, находящейся в материале в виде льда, переводом в пар, минуя жидкое состояние. Теплота, расходуемая на испарение влаги, подводится к материалу излучением от обогреваемых теплоносителем (горячей водой) полых плит. Остаточное давление в сублимационных сушилках составляет 13 ... 133 Па (0,1... 1,0 мм рт. ст.), температура порядка -50°С.

Сушку производят при мягком обогреве замороженного материала, так как количество передаваемой теплоты не должно превышать ее расход на сублимацию льда без его плавления.

Способ сублимационной сушки дорогостоящ и целесообразен только в тех случаях, когда к высушенному продукту предъявляются высокие требования по сохранению свойств при длительном хранении (в частности, биологических).

Сублимационную сушку применяют для высушивания плазмы крови, лекарственных препаратов, высококачественных продуктов питания и т. д.

Конструкции сушилок

Современная техника сушки чрезвычайно разнообразна. Стремление к интенсификации процессов сушки и производительности единичного агрегата привело к созданию разнообразных конструкций сушильного оборудования.

Сушилки классифицируют:

• по принципу действия (периодические и непрерывные);

• по виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые);

• по величине давления (атмосферные, вакуумные);

• по направлению движения материала и сушильного агента для конвективных сушилок (противоточные, прямоточные, с перекрестным током);

• по состоянию высушиваемого слоя (неподвижный, движущийся, взвешенный и фонтанирующий);

• по способу подвода теплоты к высушиваемому материалу (контактные (кондуктивные), конвективные (воздушные и газовые), специальные).

Сушилки для контактной сушки используют в тех случаях, когда непосредственный контакт высушиваемого материала и сушильного агента недопустимы.

Сушильный шкаф – сушилка периодического действия (рис. 14.11), представляющая собой горизонтальный цилиндрический корпус 1 с греющими плитами 2, на которых располагается высушиваемый материал. Шкафы могут работать как при атмосферном давлении, так и под вакуумом. Образовавшиеся пары отводятся через патрубок 3.

К недостаткам сушильных шкафов относятся невозможность проведения непрерывных процессов, наличие ручных операций, малая производительность. Сушильные шкафы применяют в малотоннажных и штучных производствах, для сушки разнородных материалов.

Гребковые сушилки являются более сложными аппаратами (рис. 14.12). Обычно они имеют горизонтальный цилиндрический корпус 1, внутри которого находится гребковая мешалка 6. Аппарат снабжен загрузочным 4 и разгрузочным 3 люками, паровой рубашкой 2. Патрубок 5 служит для отвода паров, образующихся при сушке, либо в атмосферу, либо в вакуум-конденсационную систему. Высушиваемый материал заполняет обычно 0,2 ... 0,3 общего объема аппарата. Гребки мешалки расположены под углом к оси аппарата и могут вращаться в различных направлениях. Благодаря этому материал перемещается слева направо либо справа налево. В процессе сушки, а также выгрузки высушенного материала из аппарата направление вращения мешалки периодически изменяют.

Вальцовые сушилки применяются для сушки пастообразных и липких материалов. Сушка в них осуществляется на наружных поверхностях пустотелых вращающихся барабанов, в которые подается теплоноситель (насыщенный водяной пар). Образовавшийся ' в результате сушки за один оборот барабана тонкий слой материала снимается ножом.

Вальцовые сушилки могут быть как одно-, так и двухвальцовыми.

Все приведенные конструкции могут работать под вакуумом, что имеет ряд существенных преимуществ перед сушкой при атмосферном давлении: независимость процесса от атмосферных условий; создание стерильности среды; сушка при низких температурах, что особенно важно для обработки веществ, не выдерживающих высокотемпературного нагрева; быстрота сушки; меньший расход теплоты; меньшие габаритные размеры установки; возможность более полного улавливания ценных или вредных паров, выделяющихся при сушке; пожаробезопасность.

К недостаткам вакуум-сушки следует отнести более высокую стоимость сушильного агрегата (который включает кроме сушилки с нагревательными элементами конденсатор для конденсации отгоняющихся паров и вакуум-насос для создания разрежения в системе).

Конвективные (воздушные) сушилки как правило состоят из трех основных элементов: камеры, в которой происходит контакт высушиваемого материала с сушильным агентом, узлов подогрева и транспорта сушильного агента.

Камерные сушилки являются простейшими сушилками периодического действия. Высушиваемый материал располагается в камерной сушилке (рис. 14.13) на полках 2, смонтированных внутри камеры 1. Сушильный агент (горячий воздух) перемещается между полками над слоем высушиваемого материала. Свежий воздух засасывается вентилятором 4 через окно 5 и подогревается в калориферах 3. Отработавший воздух отводится в атмосферу через окно 7 либо возвращается в калорифер через окно 6.

Камерные сушилки применяют главным образом при высушивании материалов, требующих длительной сушки или сложного индивидуального режима, а также для высушивания небольших партий материалов.

Туннельные сушилки (рис. 14.14) представляют собой длинные камеры, внутри которых по рельсам перемещаются вагонетки 1 с высушиваемым материалом. Нагретый в калориферах 3 воздух, подаваемый вентиляторами 2, обтекает лотки или противни (размещенные на вагонетках) прямо- или противотоком (или перекрестным током). По сравнению с камерными сушилками, туннельные более удобны, так как в них сушка идет непрерывно, но затрачивается много ручного труда при их обслуживании (разгрузка, выгрузка и т.д.). Туннельные сушилки используются при сушке штучных изделий (кирпича, керамики), окрашенных и лакированных металлических поверхностей, пищевых продуктов и т. п.

Л

енточные сушилки (рис. 14.15), предназначенные для сушки сыпучих материалов, представляют собой камеру 2, в которой расположены одна или несколько движущихся бесконечных лент 3. Пересыпание материала с ленты на ленту способствует его перемешиванию, что ускоряет процесс сушки. Загрузка матери‑

ала в сушилку осуществляется через бункер 1, выгрузка – через бункер 6. По отношению к материалу воздух, подаваемый вентилятором 4 и нагреваемый калорифером 5, может двигаться в этих сушилках прямотоком, противотоком, поперек движения ленты, а также направляться сквозь слой материала, лежащего на перфорированной ленте. Отвод отработавшего воздуха осуществляется через газоход 7.

Барабанные сушилки (рис. 14.16) применяют для сушки различных сыпучих материалов. Основным узлом этих сушилок является полый барабан 1, установленный под небольшим углом а к горизонту. Барабан снабжен бандажами 2, каждый из которых катится по двум опорным роликам 7 и фиксируется упорными роликами 6. Барабан приводится во вращение с помощью зубчатого колеса 10, насаженного на барабан. Влажный материал вводится в барабан через питатель 9. При вращении барабана высушиваемый материал пересыпается и движется к приемному бункеру 5. За время пребывания материала в барабане происходит его высушивание при взаимодействии с газообразным теплоносителем. Обычно теплоносителем являются топочные газы, которые поступают в барабан из топки 8.

Д

ля равномерного распределения материала по поперечному сечению барабана и улучшения его взаимодействия с газом в барабане устанавливают распределительные насадки. Теплоноситель может двигаться по отношению к высушиваемому материалу как прямотоком, таки противотоком.

Отработавшие газы отсасываются через циклон 4 вентилятором 3.

Распылительные сушилки (рис. 14.17) применяют для сушки жидких пищевых продуктов, ферментов и растворов минеральных солей, красителей и т. д. Сушилки представляют собой камеру 5 (полую башню с диаметром до 5 м и высотой до 8 м), в верхней части которой распыливается высушиваемый материал через форсунки 1 или с помощью центробежных распылителей. Высушенный продукт в виде порошка шнеком 4 отводится из сушилки. Скорость сушки велика, время сушки снижается до сотых долей секунды.

П

оскольку скорость сушильного агента составляет порядка 0,4 м/с, для улавливания унесенного им высушенного материала его пропускают через систему пылеуловителей: циклонный аппарат 2 и рукавный фильтр 3. Уловленный материал собирается шнеком 4. Поверхность контакта капель с воздухом достигает 300 м² на 1 дм³ высушиваемого материала. С помощью распылительных сушилок получают продукт однородного монодисперсного состава.

Сушилки со взвешенным (псевдоожиженным) слоем (рис. 14.18) применяют для сушки сыпучих материалов (зерна, минеральных солей, угля и т. п.), а также паст и растворов. Сырой материал с шнека питателя 3 поступает в корпус 2, через отверстия в решетке 1 поступает снизу газ, сухое вещество удаляется через разгрузочное устройство 4. В промышленности применяют аппараты круглого и прямоугольного сечения, одно- и многокамерные, аэрофонтанные, с кипящим, виброожиженным или с фонтанирующим слоем. В последнее время эти сушилки получают все большее применение.

Пневматические сушилки (рис. 14.19) применяют для интенсивного удаления свободной (поверхностной) влаги. Линейная скорость воздуха в сушильной трубе должна быть больше скорости уноса высушиваемых частиц. Практически принимают, что 1 кг воздуха перемещает по пневматической трубе от 8 до 20 кг высушиваемого материала.

Высушиваемый материал подается из бункера 4 дозатором 3 в вертикальную трубу 5, по которой движется воздух, подаваемый

вентилятором 1 и нагреваемый калорифером 2. Отделение высушенного в трубе 5 материала от сушильного агента осуществляется в циклоне 7 и фильтре 6, разгрузка – через устройство 8.

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются назначение и основные принципы процесса сушки?

2. Какие виды сушки различают по способу подвода теплоты к влажному материалу?

3. Какими параметрами определяется равновесие в процессе сушки?

4. Каким образом выражается концентрация влаги в различных материалах?

5. Какими периодами определяется кинетика процесса конвективной сушки?

6. Каково назначение диаграммы состояния влажного атмосферного воздуха (i – х)?

7. Какие существуют принципиальные схемы конвективной сушки и как они изображаются на диаграмме i - x?

8. Какие основные типы контактных и конвективных сушилок существуют?