1.1.4. Кинетика сушки.

При конвективной сушке влажных материалов влага перемешается в ма­териале по направлению от центра кусков материала к периферии, где материал омывается сушильным агентом (воздухом). Такое перемещение ьлаги (мигра­ция) - это в основном диффузионный процесс движущей силой которого явля­ется разность между концентрациями влаги в различных точках материала. Од­нако этот процесс усложняется тепловым воздействием на материал.

Количество влаги m_w, прошедшей через поверхность F за время т при градиенте концентрации dc/dx можно найти по формуле:

m_w=-K_wFx^, (1.3)

ах

Ш Н В коэффициент, зависящий от характера связи влаги с материалом и от характера материала.

В материале влага может перемещаться в виде жидкости и в виде пара. При большой влажности сырья преобладает миграция влаги в виде жидкости.

Перемещение влаги внутри продукта происходит также под действием температурного градиента. При этом надо иметь в виду, что перемещение влаги под тепловым воздействием имеет направление теплового потока, при этом проявляется действие термовлагопроводности. Это означает, что если нагрев продукта осуществляется с его поверхности, то влага в силу температурного градиента перемещается от периферии к центру.

Количество влаги, которое перемещается под действием температурного градиента dt/dx, составит

m_t=-K_tFx^, (1.4)

dx

где К, - коэффициент, аналогичный коэффициенту К _w.

Таким образом, суммарное количество перемещаемой влаги при наличии разности её концентраций и температурного градиента будет равно:

m = m_w -m_t, (1.5)

где ш Щ общее количество диффундируемой влаги, кг.

Для того чтобы уменьшить эффект термовл агопро водности, продукт при сушке необходимо по возможности измельчать.

Сушка материала состоит из трех этапов: перемещения влаги внутри вы­сушиваемого материала по направлению к его поверхности; парообразования; перемещения пара от поверхности материала в окружающий воздух. Влага из влажного материала к поверхности раздела фаз перемещается за счет массо-проводностя, а от поверхности раздела фаз в ядро газового потока - за счет конвективной диффузии. Диффузия влаги в материале происходит не только вследствие градиента влагосодержания материала, но и под действием темпе­ратурного градиента. Таким образом, процесс сушки протекает со скоростью, зависящей от формы связи влаги с материалом и механизма диффузии влаги в материале.

Движущей силой диффузии влаги из поверхностной плёнки в окружаю­щую среду является разность парциальных давлений водяного пара

где р_н — парциальное давление насыщенного пара в пограничном паровом слое; р_в - парциальное давление водяного пара в окружающей среде. Количество продиффундировавшего пара:

где В - коэффициент испарения; F — площадь поверхности испарения.

Количество влага, прошедшее через пограничный слой в окружающую среду, должно быть равно количеству влаги, подведённой к этому слою из ма­териала. Скорость сушки может лимитироваться этими обоими процессами и зависит от свойств материала и режима сушки.

Наблюдая за изменением массы материала в процессе сушки, строят кри­вую сушки (рисунок 1.2) в координатах: влажность материала в массовых про­центах (w) — время в минутах или часах (т). В начале сушки в течение неболь­шого промежутка времени линия сушки имеет вид кривой прогрева материала. В период прогрева подводимая к телу теплота расходуется на прогрев материа­ла от начальной температуры до температуры t_M и на испарение части влаги.

Затем начинается I период постоянной скорости сушки. В этот период линия сушки изменяется по линейному закону. Температура материала в этот период принимает значение, равное температуре мокрого термометра t_M. В первый пе­риод сушки происходит удаление свободной влаги (влаги макрс капилляров и смачивания); вся, подводимая к телу, теплота затрачивается на интенсивное по­верхностное испарение влаги. Температура материала в этот период остаётся постоянной, практически равной температуре испарения жидкости со свобод­ной поверхности. Когда свободная влага полностью удалена, наступает второй период - период удаления связанной влаги (период падающей скорости сушки). В точке С, соответствующей определённой влажности материала, характер ли­нии сушки изменяется. Она становится кривой, асимптотически приближаю щейся к значению w£ — равновесной влажности при заданных условиях сушки.

Во втором периоде скорость сушки непрерывно уменьшается. Форма линии сушки зависит от вида связи влаги с материалом, структуры материала, т. е. от условий перемещения (миграции) влаги внутри продукта. При достижении рав­новесной влажности прекращается удаление влаги из материала. Температура материала равна температуре окружающего материал теплоносителя t_r. Одна­ко для достижения равновесной влажности требуется значительное время.

На основании кривых сушки (путём графического дифференцирования) можно построить кривые скорости сушки (рисунок 1.3). Для этого по оси абс­цисс откладывают содержание влаги в материале, по оси ординат — скорость сушки, представляющую собой изменение влаги во времени dw/dx. Скорость сушки для данной влажности материала выражается тангенсом угла наклона касательной, проведённой к точке кривой сушки.

На рисунке отчётливо видны зон прогрева (АВ), период постоянной ско­рости сушки (ВС) и период падающей скорости сушки (СД). Влагосодержание, соответствующее точке перехода от горизонтальной прямой линии к кривой на границе между периодами постоянной и падающей скоростей сушки, называет­ся критическим влагосодержанием (w^). Вид кривых скорости сушки во вто­ром периоде может значительно отличаться. Второй период сушки, в зависимо сти от форм связи влаги -с материалом, может сам складываться из нескольких периодов. Для материалов, имеющих сложную структуру

критическая точка, соответствующая границе

ется механизм перемещения влаги в материале. Прямая линия I характерна для сушки тонких пористых материалов (бумага, тана! шщмяф* Лвяим тага 2 со­ответствуют сушке коллоидных тел, типа 3 капиллярно-пористых материалов. Для этих линий характерно наличие только одной критической точки

\^wKp)* Однако для материалов более сложной структура! I

может появиться ещё одна критическая точка .Наличие дополнительной критической точки связывают с изменением механизма перемещения влаги в материале. Для большинства |материала эта точка соответствует началу удаления адсорбционно связанной влаги.

Обычно кривые сушки и скорости сушки получают опытным путём постоянных параметрах сушильного агента. Однако непосредственное применение этих кривых ограничено тем обстоятельством, что температура и влагосодержание газовой фазы изменяются по длине аппарата. Причём закон изме­нения определяется в общем случае взаимным направлением фаз гидродина­мическими, тепло- и массообменными параметрами процесса. Расчетные мето­ды определения продолжительности сушки основаны на закономерностях теп­ло- и массопереноса в системе твёрдое тело - газ.