3. Процесс сушки

Сушка представляет собой процесс удаления влаги путем ее испарения из твердых, пастообразных материалов, а так же из суспензий и растворов.

На эффективность сушки влияют разные факторы: свойства материала количество влаги, формы связи ее с материалом, свойства теплоносителя, процессы влагопереноса в материале.

Значение этих факторов рассматривает теория сушки.

Формы связи влаги с материалом существенно влияют на выбор способа и режима сушки. Научно-обоснованная классификация форм связи влаги материалом выдвинута академиком. П.А. Ребиндером, согласно, которой выделяют:

- химическую связь (ионную, молекулярную);

- физико-химическую связь (адсорбционную и осмотическую);

- физико-механическую связь (структурную, смачивание, капиллярную).

Процесс удаления влаги из материала (сушка) сопровождается нарушением связи ее с материалом, на что затрачивается определенная энергия.

Прочность разных форм связи влаги с материалом различна. Наименее прочно связана с материалом влага смачивания, влага, заполняющая крупные капилляры. Более прочно с материалом связана адсорбционная влага, структурная, осмотическая (внутриклеточная) влага в мелких капиллярах. Наиболее прочно связана с материалом химически связанная влага, которая удаляется при разрушейии химической структуры вещества.

3.1. Теоретические основы сушки

Статика сушки рассматривает свойства объектов, участвующих в процессе, высушиваемого материала и теплоносителя (воздуха). Для проведения сушки давление паров влаги у поверхности материала (Рм) должно быть больше парциального давления водяного пара в воздухе (Рп).

Рм>Рп

Величина Рм зависит от влажности материала и формы связи влаги с ним. При сушке влажность материала уменьшается до определенного предела, соответствующему равенству Рм = Рп

Этому состоянию соответствует равновесная влажность, при которой процесс сушки прекращается.

Теплоносителем в процессе сушки является воздух. Воздух как сушильный агент характеризуется температурой, влажностью, влаго- и теплосодержанием.

Кинетика сушки рассматривает процесс сушки как массообменный процесс перехода влаги из материала в окружающую среду и выражается уравнением массообменй.'

W=KF(PM-Pп),где

W - количество испарившейся влаги, кг;

К - коэффициент массопередачи;

Рм - парциальное давление водяного пара у поверхности материала;

Рп - парциальное давление пара в окружающем воздухе;

Разность давлений является движущей силой процесса.

Скорость сушки определяется количеством влаги (W), испаряемой с диницы поверхности (F) высушиваемого материала за единицу времени (t):

W

U = Ft кг/м²с

Удаление влаги происходит за счет испарения ее с поверхности (внешняя диффузия). Вместо испарившейся влаги под давлением капиллярных сил к поверхности устремляется влага из внутренних слоев (внутренняя диффузия). Вначале испаряющаяся влага легко восполняется притоком изнутри, материал постоянно покрыт пленкой влаги.

По мере уменьшения влаги в материале его поверхность будет освобождаться от жидкой пленки, испаряться будет лишь та влага, которая силами внутренней диффузии доставляется из глубинных слоев по капиллярам к поверхности испарения. По мере сушки влага все с большим трудом поступает к поверхности. В дальнейшем начинает прогреваться Материал, вследствие чего влага начинает испаряться из его капилляров, не достигнув поверхности. Процесс сушки может быть изображен графически в координатах: скорость сушки - влагосодержание. Диаграмма процесса сушки (уч. И. А. Муравьева, т. 1, с. 115, рис. 64)

Кривая сушки имеет несколько отрезков соответствующих разным периодам процесса. Отрезок DC соответствует прогреву материала, удаляется небольшое количество влаги поверхностной, скорость сушки быстро возрастает, достигая максимальной величины. На следующей стадии (отрезок СА) сушка протекает с постоянной скоростью (период внешней диффузии). В этот период идет интенсивное снижение влажности материала. Период заканчивается первой критической точкой А, которая начинает период падающей скорости сушки. В этот период скорость сушки полностью зависит от скорости диффузии влаги внутри материала. Сначала скорость падает равномерно (отрезок прямой), а затем - неравномерно (отрезок кривой). В последний период сушки удаляется влага из капилляров и клеток (осмотически связанная). Процесс сушки заканчивается (точка В) при равновесной (остаточной) влажности материала и нулевой скорости сушки.

Интенсификация процесса сушки проводится по четырем направлениям:

1. Перевод высушиваемого сыпучего материала из стационарного состояния в подвижное с помощью продувки сушильного агента;

2. Увеличение поверхности контакта материала с сушильным, агентом;

3. Применение сушильного агента с повышенной температурой;

4. Применение комбинированных способов передачи тепла материалу.