Характеристика задач при организации процесса сушки.

В ходе пр-сса сушки наблюдается 4 основных явления:

1. подвод тепла к поверхности высушиваемого материала, процесс наз-ся теплоотдачей

2. распространение тепла внутри материала , этот процесс наз-ся процессом теплопроводности

3.перемещение влаги внутри материала – процесс наз-ся массопроводностью

4. отвод паров влаги от поверхности материала в поток сушильного агента

В зависимости от того, какой из процессов явл-ся доминирующем все задачи сушки разделены на 3 группы:

1. внешняя задача характеризуется тем, что основное сопротивление к переносу влаги сосредоточено в пограничном слое у поверхности материала. Количественной мерой характеризующей данную задачу явл-ся величина критерия Био (тепловой)

α – коэф. теплоотдачи

d – характерный размер частиц материала

λ – коэф. теплопроводности материала

Био массообменный

β – коэф. массотодачи

к – коэф. массопроводности материала

Внешняя задача характерна для мелких крупнопористых материалов. Для решения внешней задачи обычно составляются уравнения теплового и матер. баланса и находятся кинетические зависимости процесса, т.е. по своей сути решения, это простая инженерная задача.

2. внутренняя задача характеризуется тем, что основное сопротивление влагопереноса сосредоточено внутри материала. Величина критерия Био

Bi>50; Bi_m>50

При решении данной задачи необходимо рассчитывать зависимость влагосодержания и темп-ры материала от координаты и времени. Для нахождения зависимости влагосодерж. и темп-ры внутри материала решают след. систему дифференциальных уравнений

(1)

C, θ – текущие влагосодержание и температура материала

D₂ – коэф. диффузии влаги в материале

δ – коэф. термодиффузии влаги

ε – (коэф.) критерий фазового превращения

а – коэф. температуропроводности

r – удельная теплоемкость сухого материала

Решение данных уравнений в общем виде пока не найдено. Для частных случаев для тел канонической формы (стержень, пластина, шар) и определенно граничных условиях данная система решена и приведена в книгах А.В.Лыкова

В случае, когда не учитывается фильтрационный перенос и термоперенос влаги задача упрощается и уравнение имеет след. вид:

(2)

b=0 - пластина

b=1 - цилиндр

b=2 – шар

Решение данного уравнения должно определяться начальными и граничными условиями, начальное условие обычно однозначно.

Граничные условия

1) 1 рода. Выражаются законом массоотдачи:

i – интенсивность массоотдачи

β – коэф. массоотдачи

С_п, С_пот – концентрация влаги на поверхности влажного тела и в потоке суш. агента

В процессе массобмена влага на поверхности не накапливается и подводимая к поверхности влага постоянно отводится в поток суш. агента за счет диффузии.

2) 2 рода. Задает закон изменения концентрации у поверхности твердого материала

С(x,τ)=f(τ)

C_п=С₀

Кроме того, граничные условия 2 рода могут задаваться изменением в потоке влаги у поверхности тела со временем i_n(τ)=f(τ). Предполагая, что вся влага движется к поверхности за счет массопроводности, то поток влаги у поверхности:

D_n- диффузия

ρ_т – плотность

В период постоянной сушки: i_n=const

3) 3 рода. Предполагают равенство потоков влаги у поверхности и внутри материала

4) 4 рода. Применяют в тех случаях, когда перенос влаги происходит за счет разности массопроводностей 2-х материалов:

При решении диффузионных уравнений массопроводности при граничн. условиях 3 рода методом разделения переменных получают след. уравнения для расчета влагосодержания частицы канонической формы

(1)

для пластины:

для цилиндра:

I₀, I₁ – функции Бесселя 1 рода нулевого и первого порядка от аргумента μ_п

для шара:

- число Фурье

Физ. смысл Fo_m. Характеризует изменение скорости поля влагосодержания, физ. характеристик и размера тела, т.е. оно явл-ся безразмерным временем процесса.

Корни характеристич. уравнений:

μ_n для пластины:

для цилиндра:

для шара:

Bi_m- критерий Био массообменный

Если проинтегрировать ур-е (1) при соответствующих граничных условиях, то можно получить расчетные зависимости для необходим. времени сушки для тел канонической формы:

Для пластин:

μ₁- первый корень характеристического уравнения

Для цилиндра:

Для шара:

Для учета гидродинамики аппарата уравнение переноса массы решается совместно с уравнениями движения суш. агента в аппарате.

Общая схема расчета сушилки.

1. На основе уравнения матер. баланса определяется кол-во удаляемой влаги в процессе сушки:

G_H=G_K+W

G_H·(100-w_н)=G_K·(100-w_к)

G_H, G_K – расход влажного и сухого материала

W- расход испарившейся влаги

w_н, w_к – влажность нач. и кон. материала

2. На основе условия равновесия определяют конечное влагосодержание суш. агента и равновесную относительную влажность суш. агента

x_к=f(φ_p, t_p)

φ_p=(w_p, t_p^м)

3. На основе расхода испарившейся влаги и разности влагосодержания суш. агента определяется расход абсолютно сухого суш. агента на процесс сушки:

4. На основе теплового баланса опр-ся общий расход тепла в калорифере сушилки:

I₀, I₁, I₂ – энтальпия суш. агента перед калорифером, после калорифера и в конце процесса сушки.

С_К, С_ТР, С_ВЛ – удельная теплоемкость сух. материала, транспортных средств сушилки и удаляемой влаги

θ_Н, θ_К – нач. и кон. темп-ра материала

t_трн, t_трк – нач. и кон. температура транспортных устройств

Q_пот – внешние потери тепла в сушилке

5. На основе общего расхода тепла опр-ся необходимый расход топлива:

Q_р^н – низшая теплота сгорания топлива

η_Т – коэф. полезного действия топки

6. На основе знания скорости движения суш. агента и материала опр-ся относит. скорость движения фаз для каждого аэродинамически различного участка сушилки:

V_гⁱ, V_твⁱ – скорость суш. агента и материала на участке сушилки.

7. На основе найденного коэф. массоотдачи и условия равновесия определяется средний коэф. массопередачи в процессе сушки для каждого участка сушилки:

8. На основе знания движущей силы в начале и в конце процесса сушки опр-ся средняя движущая сила процесса:

9. На основе заданного или найденного эквивалентного диаметра частиц опр-ся удельная поверхность материала:

d_эквi – средний эквив. диаметр частиц на i-ом участке сушилки.

10. На основе знаний расхода и плотности твердой фазы определяется объемный расход тв. фазы в сушилке:

11. На основе найденного расхода влаги и кинетических характеристик процесса определяется время сушки материала:

Т.о. рассчитывают время сушки при решении внешн. задачи массопередачи. для определения времени сушки массивных тел решают внутр. задачу массопереноса

12. Из условия аэродинамики аппарата или движения материала в сушилке опр-ют фактическое время пребывания материала в сушке:

13. Зная τ_сушки материала и τ_приб. его в сушке проверяют основн. условие сушки:

14. На основе объемного расхода суш. агента и предельной скорости его движения опр-ся сечение сушильного аппарата:

15. На основе скорости движения материала и времени пребывания опред-ся необходимая длина аппарата:

16. На основе знания скорости суш. агента и геометр. размеров аппарата опред-ся гидравлическое сопротивление сушилки:

ξ_i – коэф. сопротивления i-го участка аппарата

17. На основе расхода суш. агента и гидравлич. сопротивления сушилки рассчитывается необходимая мощность вентилятора:

η_пр, η_дв – КПД привода и двигателя

Основное сушильное оборудование химических производств

Сушильные аппараты удобнее всего классифицировать по сост. слоя высушиваемого материала. По этому признаку все сушилки подразделяются на след. группы:

1. Сушилки с неподвижным слоем материала

2. Сушилки с плотным движущим слоем

3. Сушилки с механич. разрыхленным слоем

4. Сушилки с псевдоожижен. слоем

5. Сушилки, работающие в режиме пневмотранспорта

6. Распылительные сушилки

Характерной особенностью аппаратов 1 гр. явл-ся то, что материал неподвижен относительно раб. органов сушилки. К этим ап-там относятся:

- палочные (камерные)

- туннельные

- ленточные

- вальцевые

- вальцо-ленточные

Применяются данные сушилки для сушки кустовых, пастообразных и зернистых мат-лов.

Ко 2 гр. относятся аппараты, в к-ых слой материала движется плотной гетерогенной системой относительно рабочих органов аппарата. К таким сушилкам относятся:

- шахтные

- каскадные

- карусельные

- тарельчатые

Применяются для сушки зернистых, порошкообразных и гранулированных мат-лов, имеющих хорошую сыпучесть.

К 3 гр. относятся аппараты, характерной особенностью к-ых явл-ся то, что материал приводится во взвешенное состояние мех. устройствами сушилок. К этим сушилкам относятся:

- барабанные

- трубчатые

- вакуум-гребковые

- шнековые

Применяются для сушки кусковых, пастообразных, порошковых и зернистых материалов.

К 4 гр. относятся аппараты, характерной особенностью к-ых явл-ся то, что высушиваемый материал нах-ся в состоянии псевдоожижен. или кипящего слоя. К ним относятся:

- сушилки кипящего слоя

- аэрофонтанные сушилки

- вибро-аэросушилки

- вибросушилки

Используют для сушки зернистых, порошкообразных, пастообразных и гранулированных материалов, а также суспензий и растворов с подачей их на слой псевдоожижен. материала.

К 5 гр. относятся ап-ты, характерной особенностью к-ых явл-ся то, что сушка материала происходит в ходе движения по вневмоканалам. К ним относятся:

- трубосушилки

- циклонные сушилки

- спиральные сушилки

- вихревые сушилки

- спирально-вихревые сушилки

- сушилки со встречными закрученными потоками

Применяются для сушки зернистых, порошкообр. и гранулированных материалов с невысоким содержанием сильно связанной влаги

6 гр. хар-ся тем, что сушка материала осущ-ся в режиме аэрозоля распыленного в рабочей камере сушилки. Аппараты подразделяются на 2 гр.: с форсуночным распиливанием материала; с дисковым распылением материала. В данных аппаратах сушат растворы, суспензии и пастообразные материалы