8 Составление отчета

Отчет выполняется в тетради. Он должен содержать в себе: тему и цель работы, принципиальную схему установки, ведомость испытаний, расчетные формулы и примеры расчетов одного режима. Оформленный отчет предоставляется преподавателю.

9 Контрольные вопросы и задания

1. Укажите разновидности существующих сушильных аппаратов.

2. Перечислите известные способы обезвоживания материалов.

3. Дайте определение понятию «теоретическая сушилка».

4. Объясните устройство и принцип действия лабораторной установки.

5. Перечислите возможные пути увеличения КПД конвективной сушилки.

6. Каким образом с помощью Н-d диаграммы влажного воздуха определяются затраты энергии на испарение влаги из материала?

7. Каким образом определяется необходимый удельный расход воздуха для высушивания материала до требуемой влажности?

8. Приведите уравнения материального и теплового балансов конвективной сушилки.

Лабораторная работа №2 тема: «кинетика сушки»

1 Цель работы

Изучить особенности протекания массообменных процессов при конвективной сушке различных материалов.

2 Общие сведения

Под высушиванием понимается процесс удаления влаги из твердых и жидких материалов. Конечным продуктом сушки является твердое или сыпучее вещество. Целью сушки, широко применяемой в производствах химического, лесного комплекса, агропроизводстве, пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства, является улучшение качества веществ и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является последней технологической операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми механическими способами, а окончательно-тепловыми.

Аппарат, в котором происходит процесс сушки, называется сушилкой, а совокупность сушильного аппарата со всеми приданными ему вспомогательными аппаратами - сушильной установкой. В зависимости от агрегатного состояния высушиваемых веществ различают сушильные аппараты для твердых веществ и для жидкостей.

кинетика сушки отражает изменения во времени средних по объему высушиваемого материала его влагосодержания и температуры. Знание кинетики сушки позволяет рассчитать время сушки материала от начального до конечного влагосодержаний.

Формы связи влаги с материалом в значительной степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с материалом нарушается.

Различают следующие формы связи (в порядке убывания ее энергии):

-химическую;

-физико-химическую;

-механическую.

Химически связанная влага (гидратная, влага комплексных соединений) соединена с материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не удаляется.

Физико-химическая связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (в коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде монослоя или нескольких слоев. Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке.

Механическая, или капиллярно связанная влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10^-7 мм) и микрокапилляров (менее 10^-7 мм). Влага макрокапилляров наименее прочно связана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически.

Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности жидкости. Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности воды. Механизм сушки капилляропористых тел определяется закономерностями массопереноса внутри тел и на границе раздела между твердой и газообразной фазами.

Внутри капилляропористых тел в ходе их сушки могут наблюдаться следующие виды переноса влаги:

1) диффузия жидкости;

2) диффузия пара;

3) молекулярный и конвективный перенос жидкости и пара;

4) проталкивание жидкости благодаря расширению защемленного воздуха при повышении температуры;

5) эффузия (молекулярное течение) пара в микрокапиллярах;

6) тепловое скольжение пара в макрокапиллярах.

Удаление влаги происходит за счет испарения ее с поверхности (внешняя диффузия). Вместо испарившейся влаги под действием капиллярных сил к поверхности устремляется влага из внутренних слоев материала (внутренняя диффузия).

Вначале испаряющаяся с поверхности влага легко восполняется притоком ее изнутри. В этот период высушиваемое вещество покрыто влажной пленкой и процесс поверхностного испарения можно сравнить с испарением без кипения со свободного зеркала жидкости.

По мере уменьшения влаги в материале его поверхность будет постепенно освобождаться от жидкой пленки, обнажаясь при этом. В данный период с (поверхности будет испаряться лишь та влага, которая силами внутренней диффузии доставляется из глубинных слоев по-капиллярам. По мере продолжающегося испарения влага все с большим трудом поступает к поверхности. В это время на скорость диффузии, что равнозначно скорости сушки, начинают оказывать влияние природные свойства материала и его способность задерживать влагу. В дальнейшем начинает прогреваться верхний слой высушиваемого материала. Вследствие этого часть влаги испаряется уже в капиллярах не успев достигнуть поверхности. В этот момент свойство материала задерживать влагу проявляется особенно сильно. Продолжающееся падение скорости сушки продолжается до стадии равновесного содержания влаги в материале.

Под эффузией понимается направленное, а не хаотическое (как при диффузии) движение молекул пара, причем ее особенность - перенос веществ от менее нагретых мест микрокапилляров к более нагретым. Эффузия возникает именно в микрокапиллярах, то есть когда длина свободного пробега молекул пара соизмерима с радиусом капилляров;

Тепловое скольжение пара в макрокапиллярах, возникающее при наличии перепада температуры по длине стенок капилляра и состоящее в том, что у поверхности стенок капилляра влажный воздух движется не против потока тепла, а по оси капилляра - в направлении потока тепла.

Проявление перечисленных видов переноса влаги в процессе сушки зависит от режима процесса и свойств высушиваемого материала.

На границе раздела фаз и вблизи от поверхности твердого тела в мягких условиях сушки (t<100°C) механизм массопереноса остается в основном молекулярным. По мере удаления от поверхности тела возрастает доля конвективного переноса массы, и в центре потока этот механизм становится преобладающим.

Процесс сушки, как и массообменные процессы, выражается уравнением массопередачи, объединяющим молекулярную и конвективную диффузии:

()

где W - количество испарившейся влаги, кг;

К - коэффициент массопередачи, кг/с∙м²;

F - поверхность раздела фаз, м;

Р_м - давление паров влаги у поверхности материала, Па;

Р_n- парциальное давление паров в воздухе, Па.

Движущая сила процесса сушки определяется разностью давления паров влаги у поверхности материала Р_м и парциального давления паров в воздухе Р_n. Чем больше эта разница, тем интенсивнее идет процесс испарения влаги. При Р_м-Р_п=0 наступает равновесие в процессе обмена влагой между материалом и средой. Этому состоянию соответствует устойчивая влажность материала, называемая равновесной влажностью, при которой процесс сушки прекращается.

Процесс сушки может быть изображен в виде кривой зависимости относительного влагосодержания материала (отношение массы влаги к массе сухого материала) от продолжительности сушки (рисунок 1). Продолжительность процесса сушки материала от заданной влажности до конечной определяет производительность сушильной установки.

Общее время процесса сушки условно делится на четыре периода:

-период разогрева материала (τ₁);

-период постоянной скорости сушки(τ₂);

-период равномерного спада скорости сушки(τ₃);

-период неравномерного спада скорости сушки(τ₄).

В силу малости периода разогрева материала τ₁ определение времени сушки сводится к нахождению времени постоянной скорости сушки τ₂ и общего периода спада скорости сушки τ₃+τ₄.

Рисунок 1. Зависимость относительного влагосодержания материала от времени сушки

Из диаграммы видно, что кривая сушки имеет несколько отрезков. Отрезок «ОА» соответствует периоду прогрева материала, является кратковременным и характеризуется неустановившимся состоянием процесса. Скорость сушки возрастает и к концу периода прогрева достигает максимальной величины. Отрезок «АВ» представляет собой прямую линию, которая соответствует периоду постоянной скорости сушки (период внешней диффузии). В этот начальный период сушки внутренняя диффузия настолько интенсивна, что обеспечивает поступление к поверхности более чем достаточного количества влаги. Поэтому при неизменном состоянии окружающего воздуха и постоянной температуре сушки количество ларов, удаляемых с постояной поверхности испарения, в этом случае будет одним и тем же. Точка «В» - начальная точка периода падающей скорости сушки, иначе говоря, критическая точка процесса сушки. В этот период скорость сушки полностью зависит от скорости диффузии влаги изнутри. Вначале скорость внутренней диффузии падает более или менее равномерно, поэтому и скорость сушки в данный отрезок времени снижается равномерно (равномерно падающая скорость сушки). Поэтому кривая отрезка «ВD» вначале имеет вид прямой линии(отрезок «ВС») и только потом переходит в кривую (отрезок «СD»), характеризующую неравномерно падающую скорость сушки, которая, как отмечалось, выше, соответствует процессу углубления поверхности испарения, когда влага начинает испаряться уже в капиллярах.

Равновесное влагосодержание (окончание процесса сушки) на рисунке 1 кривой обозначен точкой «D».

В качестве показателя интенсивности процесса сушки принят «скорость сушки С», кг/(м²∙с), который показывает массу удаляемой влаги с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени (рисунок 2). При этом скорость сушки существенно зависит не только от внутренней структуры материала, его теплофизических свойств, размеров, формы и состояния внешней поверхности, но и от параметров сушильного агента(его температуры, относительной влажности, скорости движения относительно материала).

Рисунок 2. Зависимость скорости сушки от продолжительности процесса

Влажность материала w, соответствующая точке перехода от прямой линии АВ к кривой ВD на границе между периодом постоянной скорости и периодов падающей скорости сушки называется критической w_кр. Чаще принимают за «скорость сушки» изменение влажности материала в единицу времени - dw/dτ, кг/с (рисунок 3). Скорость сушки определяется из кривой сушки путем ее графического дифференцирования, для чего к произвольной точке кривой, характеризующей влажности материала в данный момент времени, необходимо провести касательную прямую до пересечения с осью времени τ. Тангенс угла наклона касательной к оси времени определяет скорость сушки в данный момент времени. Исходя из правил тригонометрии и согласно рисунку 3: tgα = H/L.

Рисунок 3. Определение скорости сушки в определенный момент времени

Определяя тангенсы углов наклона касательных к оси времени α для всех точек графика скорости сушки можно построить график скорости сушки (рисунок 4) в координатах «w – dw/dτ» (зависимость скорости убыли влаги из материала в зависимости от его влажности).

Согласно рисункам 3 и 4 линии скорости сушки оканчиваются в точке, соответствующей равновесной влажности материала, для которой dw/dτ=0 (точка D). При этом влажность материала достигает предельного равновесного значения w_р.

Рисунок 4. Определение коэффициента сушки во втором периоде

Используя график скорости сушки в координатах «w – dw/dτ» можно графически определить коэффициент сушки К (зависит от режима сушки и свойств материала), необходимый для определения общей продолжительности третьего и четвертого периодов сушки. Коэффициент К определяется как тангенс угла наклона «упрощенной» линии сушки CD (пунктирная линия) к оси влажности материала (К= tg β).

В общем случае кривая сушки состоит из неск. участков, соответствующих разл. периодам процесса: кривая АВ-периоду прогрева материала, кривая ВС- периоду постоянной скорости (I период продолжительностью т_I), кривая CD-периоду падающей скорости (II период продолжительностью т_II). В период прогрева теплота, подводимая к материалу, расходуется на его нагрев от нач. т-ры _н до т-ры мокрого термометра  , а также на испарение влаги; в этот период скорость сушки обычно возрастает от куля до постоянной ее скорости N в I период; продолжительность периода прогрева, как правило, незначительна по сравнению с др. периодами.

При  = _м.т. I период описывается ур-нием (знак минус указывает на уменьшение u) или после дифференцирования:

где -начальное значение u при т = 0 ( -конечное значение в период прогрева; если он мал, то ). Выражению (9) соответствует время сушки в I период;

где u_кр -критич. влагосодержание в конце этого периода. Скорость сушки в данный период определяется скоростью подвода теплоты к материалу:

где -коэф. теплоотдачи от сушильного агента к материалу; f_уд = F/G_с.м.; F-межфазная пов-сть; G_с.м.-масса сухого материала.

Физически I период заканчивается при удалении из материала своб. влаги (и = и_кр); во II периоде начинается удаление связанной влаги. Для расчета u_кр используют ряд корреляций, однако на практике его определяют экспериментально.

Скорость сушки во II периоде часто аппроксимируют ур-нием, учитывающим приближение к и_р:

где К_с-коэффициент сушки, зависящий от ее режима и св-в материала. Этот параметр часто представляют в виде: К_c = xN, где x-относит. коэффициент сушки, определяемый гл. обр. св-вами материала. Ур-нию (12) соответствует выражение для времени сушки материала во II периоде при изменении влагосодержания от u_р до u_к:

Процесс сушки (особенно во II периоде) удобно изображать в координатах {[du/dт], u} (рис. 2,б). В них зависимость (12) изображается прямой линией. Для ряда материалов кинетика сушки в этих координатах имеет более сложный вид.

При пренебрежении продолжительностью периода про-грева влажного материала необходимое время его сушки определится равенством:

В последнее время разработан новый метод расчета сушки. Было экспериментально установлено, что для одного и того же материала при разных режимах сушки и одинаковом u_н величина т определяется лишь текущим влагосодержанием . Поэтому в координатах кривая сушки не зависит от ее режима. Т. обр., если опытным путем построить такую кривую, наз. обобщенной кривой сушки, для одного режима, можно, зная N [из ур-ния (11)], построить соответствующие кривые для др. режимов. Выведено единое кинетическое уравнение для описания сразу всех периодов сушки:

где М-масса материала, приходящаяся на единицу его пов-сти; К_об, А, В -параметры кривой, причем А = и_рА + _A и В = и_pB + _В; и _А и и_рВ-начальная (соответствует  = 1 при неизменных условиях сушки) и конечная равновесные влажности материала; _А и _В-поправки, определяемые кинетикой сушки. Параметр К_об по аналогии с аппроксимацией (12) можно представить в виде: К_об = x'N', где коэф. x' зависит только от св-в материала, а N'-модуль скорости сушки в точке перегиба кривой сушки, т.е. макс. скорость процесса, к-рая определяется в осн. его режимом. Предполагая, что в момент макс. скорости сушки вся теплота, подводимая к материалу, расходуется на испарение влаги, по аналогии с выражением (11) находят ур-ние: N' = [f_уд(_с - _м)]/Q_исп. Согласно равенству (15), необходимое время сушки определяется выражением:

Выбор сушилок зависит от ряда факторов. К ним относятся: время сушки, агрегатное состояние, допускаемая т-ра нагрева, взрыво- и пожароопасность, токсичность, усадка, загрязнение и др. св-ва высушиваемого материала; требования к равномерности сушки; требования к системе пылеулавливания и т. д. При выборе следует отдавать предпочтение сушилкам непрерывного действия; сушка топочными газами экономичнее воздушной сушки, однако не всегда возможна из-за загрязнения материала. Если при взаимод. высушиваемого материала с влагой не образуется кислая или щелочная среда, сушилки, чаще крупногабаритные, следует выполнять из обыкновенной стали, в противном случае-из нержавеющей стали, иногда из титана.

Совершенствование техники сушки в хим. произ-вах обусловлено ужесточением требований к охране окружающей среды, необходимостью экономии энергоресурсов и улучшения обслуживания сушильных установок. Реализуются след. направления: 1) применение технологий, при к-рых на сушку поступают наиб. подготовленные к ней материалы (напр., тонкодисперсные, с широкими порами и т. п.); 2) разработка типовых сушилок, пригодных для сушки больших групп материалов; 3) создание оптим. гидродинамики в сушильных аппаратах; 4) рациональное совмещение подготовит. стадий мех. обезвоживания (см. выше), выпаривания (для сгущения жидкой фазы), предварит. перегрева р-ров (при распылит. высушивании) и собственно сушки; 5) развитие нетрадиционных способов сушки-ИК и УФ излучением, высокочастотной, СВЧ и акустической, со сбросом давления (в материале происходят самовскипание и частичный мех. вынос влаги), перегретым паром (его теплоемкость больше теплоемкости воздуха, поэтому к материалу подводится большее кол-во теплоты), с использованием ПАВ (они ослабляют связь влаги с материалом); 6) применение комбинир. сушилок-с конвективным и контактным подводом теплоты, а также сочетающих сушку с др. процессами (измельчением, гранулированием, хим. р-циями и т. д.); 7) использование экологически рациональных сушилок - безуносных (сушка происходит одновременно с улавливанием готового продукта, напр. в сушилках со встречными закрученными потоками), с организацией процесса т. обр., чтобы на пылеочистку поступало меньшее кол-во крупнодисперсного материала, а также с макс. утилизацией теплоты отработанного сушильного агента.