применение комбинированных способов сушки и совмещение различных процессов в одном аппарате;

использование вторичных энергетических и тепловых ресурсов производства (тепло отходящих газов, а также котельных, сушилок и других термических установок).

Вопросы для самоконтроля.

1. В чем состоит сущность конвективной, контактной, радиацион­ной, сублимационной и диэлектрической сушки? В каких случаях целесообразно применять тот или иной вид сушки?

2. В чем состоит различие между абсолютной и относительной влажностью воздуха? Поясните понятие о влагосодержании и энтальпии влажного воздуха.

3. Перечислите и охарактеризуйте виды связи влаги с материалом.

4. Раскройте принципы построения диаграммы Н-х состояния влажного воздуха. Как определяются параметры влажного воз­духа с помощью этой диаграммы?

5. В чем особенности материального баланса конвективной сушки? Как определяют расход воздуха (общий и удельный) на сушку?

6. Дайте схему расчета тепловых балансов конвективной и кон­тактной сушки. На чем основано определение удельного расхода теплоты и расхода греющего пара на конвективную сушку?

7. Как строится процесс теоретической и реальной сушки на диаграмме Н-х?

8. Поясните принципы построения кривых и их использования для расчета скорости и времени сушки.

9. Покажите способы выражения движущей силы процесса сушки. 10. На чем основано определение коэффициентов массоотдачи для

условий внешней и внутренней диффузии? П. Как определяются области, лимитирующие общий процесс мас-сопереноса при сушке?

12. На чем основано определение поверхности тепло- и массообмена для первого и второго периодов сушки?

13. На чем основано определение размеров сушилок с псевдоожижен-ным слоем?

14. В чем особенности расчета сушилок с лимитирующим сопротив­лением процессу внутренней фазы?

15. Перечислите виды классификаций сушилок.

16. Опишите устройство, раскройте принцип действия камерных и туннельных сушилок. Дайте их сравнительную характеристи­ку.

17. Опишите устройство, раскройте принцип действия барабанных сушилок. Перечислите области их применения. Опишите устрой­ство различных внутренних насадок барабанных сушилок.

18. Опишите устройство, раскройте принцип действия ленточных и петлевых сушилок. Дайте их сравнительную характеристику.

19. Опишите устройство, раскройте принцип действия сушилок

Глава 22

Растворение и экстрагирование в системе твердое тело жидкость.

Под растворением понимают переход вещества в раствор с поверх­ности частиц. Обычно этот процесс проводят с целью разделения системы, состоящей из растворимых и инертных частиц. При этом предполагается, что растворимые частицы отделены от инертных, а последние не оказывают существенного влияния ни на кинетику растворения, ни на конечные результаты процесса. При обычном физическом растворении исходное твердое вещество может быть вновь получено кристаллизацией из раствора.

Химическое растворение представляет собой гетерогенную хи­мическую реакцию, продукты которой растворяются в жидком объеме. Возврат к исходному твердому веществу путем кристалли­зации здесь невозможен. В условиях химического растворения могут образовываться твердые или газообразные продукты реак­ции, значительно осложняющие кинетику растворения. Экраниза­ция поверхности растворения твердыми продуктами реакции су­щественно замедляет процесс, а выделение газообразной фазы ускоряет растворение до определенных пределов, за которыми становится заметным экранирующее действие газовой фазы. Про­цессы растворения протекают обычно достаточно быстро. Этому способствует непосредственный контакт движущейся (перемеши­ваемой) жидкости с поверхностью растворяющихся частиц.

Экстрагированием называется процесс извлечения одного или нескольких компонентов из твердого материала путем избиратель­ного растворения в жидкостях (экстрагентах). Извлекаемые компо­ненты содержатся в порах твердого тела в виде растворенного вещества или в виде твердой фазы. В первом случае говорят об экстрагировании растворенного вещества, во втором-об экстраги­ровании твердого вещества.

Процесс экстрагирования растворенного вещества состоит в следующем. Растворенное вещество, содержащееся в пористой структуре твердого тела, диффундирует в основную массу жидко­сти; концентрация целевого компонента в порах неуклонно снижается, а в жидкости (экстрагенте) увеличивается. Организация про­цесса по принципу противотока позволяет достигать высоких сте­пеней извлечения.

Механизм экстрагирования твердого вещества отличается боль­шей сложностью и включает в себя три стадии: 1) проникание экстрагента в пористую структуру твердого тела; 2) растворение целевого компонента в экстрагенте; 3) диффузия растворенного компонента в основную массу жидкости. Конкретные обстоятель­ства приводят к тому, что каждая из этих стадий может определять скорость всего процесса. Однако чаще всего скорость процесса в целом лимитируется третьей стадией, как наиболее медленной.

Экстрагирование твердого вещества кинетически неравноценно его растворению. В условиях растворения вещество непосредствен­но контактирует с движущейся жидкостью, благодаря чему сопро­тивление массопереносу невелико. В условиях экстрагирования твердого вещества область, содержащая целевой компонент, перво­начально занимает весь объем частицы, а с ходом экстрагирования систематически сокращается.

Извлекаемый компонент только в первый момент экстрагиро­вания находится в контакте с движущейся жидкостью, а впослед­ствии теряет контакт с нею. Перенос вещества к границам пористо­го тела происходит с помощью механизма молекулярной диффузии в неподвижной жидкости, заполняющей пористый объем. По этой причине экстрагирование-менее интенсивный процесс по сравне­нию с растворением.

Казалось бы, простым средством интенсификации всех упомя­нутых здесь процессов является уменьшение размеров частиц, поступающих на растворение или экстрагирование. Такой метод, однако, сильно осложняет сопутствующие операции измельчения (перед экстрагированием) и отделения раствора от твердой фазы (после экстрагирования). Действительно, с уменьшением размера частиц возрастает мощность, расходуемая на работу измельчителей или помольных мельниц, возрастают трудности при реализации фильтрования или отстаивания.

РАСТВОРЕНИЕ.

В большинстве случаев растворимость твердых веществ в жидко­стях ограничена. При определенной концентрации раствора, назы­ваемой концентрацией насыщения (растворимостью), между твер­дым телом и раствором устанавливается равновесие. Концентрация насыщения-важнейший физико-химический и технологический па­раметр, с определения которого начинается анализ и расчет любого процесса растворения, поскольку эта величина указывает на емкость растворителя, его способность воспринимать растворяющееся ве­щество. Кроме того, она является фактором, сильно влияющим на скорость растворения.

Из химической термодинамики известно, что равновесие достигается тогда, когда химический потенциал вещества в растворе станет равным химическому потенциалу этого вещества в твердом состоянии. Из этого соотношения может быть определена кон­центрация насыщения. Однако практически концентрации насы­щения, зависящие от температуры, для многих систем определены экспериментально и приведены в справочной литературе.

Перейдем к рассмотрению кинетики растворения. В 1886 г. А. Н. Щукарев сформулировал основной закон кинетики растворе­ния: плотность потока вещества с поверхности растворения про­порциональна концентрационному недонасыщению раствора:

(22.1)

где М-масса растворяющегося вещества к моменту времени т; F—поверхность растворения; Р_с-коэффициент массоотдачи; с*-концентрация насыщения; с-кон­центрация раствора.

Отметим, что уравнение (22.1) является аналогом уравнения массоотдачи (19.1) для общего случая массопереноса в системах с твердой фазой.

При растворении частиц, взвешенных в потоке жидкости, ориен­тация их поверхностей произвольно меняется, при этом частицы, уменьшаясь в размере, обычно не меняют своей формы. Математи­ческим выражением этой закономерности являются соотношения

(22.2)

где и-число частиц; a_v, -коэффициенты пропорциональности, зависящие от формы частиц; р_т-плотность материала частиц; /-текущий размер частицы.

Подстановка в (22.1) приводит к следующему уравнению:

(22 3)

где .

Из уравнения (22.3) следует, что скорость уменьшения размера при растворении твердых частиц пропорциональна движущей силе (с* - с).

При постоянной движущей силе и коэффициенте массоотдачи для конкретного процесса уравнение (22.3) интегрируется непо­средственно:

, (22.4)

Где -размер частицы до растворения.

Время полного растворения т. определяется из (22.4) при / = 0

(22.5)

При периодических или непрерывных процессах растворения концентрация раствора с непрерывно меняется в соответствии с балансовыми соотношениями. Так, для периодического раство­рения в замкнутом аппарате

, (22.6)

где М₀-начальная масса растворяющегося вещества; У-объем растворителя; с_и-на­чальная концентрация растнора.

Для непрерывного прямоточного процесса уравнение (22.6) со­храняет свою силу, только величины М₀, М, Vпредставляют собой массовые и объемные расходы, имеющие размерность кг/с или м³/с. Для противоточного процесса.

М₀-М = У(с_ж-с), (22.7)

где с_ж - конечная концентрация раствора (на выходе из аппарата).

Совместное решение уравнения (22.3) и уравнений (22.6) и (22.7) приводит к окончательным результатам, справедливым для растворения монодисперсных частиц, и позволяет получить функции Ф, и Ф₂ (а затем на их основе определить время полного растворения частиц) для следующих случаев:

Для периодического растворения в замкнутом аппарате прямотока

(22.8)

1/ )- / )=(

Где ; ; /V

/(1-x+ )+( /(2-x)] (22.8 a)

=(1/b)- ( =( / ) , (22.9)

Где b= ;

/(1+x+ )+( /(2+x)] (22.9a)

Ha рис. 22-1 представлены графики функций Ф₁ и Ф₂. Из уравнений (22.8) и (22.9) сравнительно легко определяется время полного растворения, для чего следует положить ф = 0.

Для периодического растворения и прямотока

] /[ /(1-