5.3.Кинетика сушки

Кинетика сушки характеризуется изменением параметров влажного материала во времени. К таким функциональным зависимостям относят:

• изменение абсолютной влажности материала ^а=f(), графическое отображение такой зависимости носит название кривой сушки;

• изменение температуры материала во времени t=f() – температурная кривая;

• изменение скорости сушки во времени =f() - кривая скорости сушки.

Характер изменения перечисленных кинетических параметров определяется следующим:

• формой связи влаги с материалом;

• параметрами сушильного агента, его температурой и скоростью движения;

• размерами материала и используемым методом сушки.

Необходимо отметить, что влага, находящаяся в материале, определенным образом в нем удерживается и чем прочнее связь влаги с сухим материалом, тем труднее протекает процесс сушки. В зависимости от величины энергии соединения влаги с материалом различают следующие ее формы связи:

• химическая связь (ионная и молекулярная). Под химически связанной влагой понимают влагу, которая входит в состав химического соединения (CaSO₄5Н₂О). Такую влагу труднее всего удалить из материала и она удаляется его прокаливанием или в результате проведения химической реакции;

• физико-химическая связь (адсорбционная и осмотическая). Под адсорбционной влагой понимают влагу, которая удерживается в микропорах материала за счет действия сил адсорбции, осмотической – влагу, проникающую внутрь клеток материала вследствие диффузии. Такую влагу удалять значительно труднее, и она может быть удалена различными методами сушки;

• физико-механическая связь. Под физико - механически связанной влагой понимают влагу, которая удерживается на поверхности материала и в его макропорах за счет сил взаимодействия между молекулами жидкости. Такую влагу проще всего удалить из материала путем его отжатия или прессования.

Независимо от характера связи всю влагу, удаляемую из материала делят на свободную и связанную. Под свободной влагой понимают влагу, скорость испарения которой равна скорости ее испарения с поверхности материала. Под связанной влагой понимают влагу, скорость испарения которой меньше скорости ее испарения с поверхности материала.

Кинетика сушки влажного материала исследуется экспериментально. При этом фиксируется изменение значений вышеперечисленных кинетических параметров во времени. Соответствующие кинетические зависимости п редставлены на рис. 42.

Рис.42. Графические зависимости: ^а=f(),t=f(),=f(), характеризующие кинетику сушки влажных материалов

В зависимостях, приведенных на рис.42, отражено наличие трех этапов протекания процесса сушки. Участки кривых А₁В₁, А₂В₂, А₃В₃ – соответствуют периоду прогрева материала от начальной температуры до температуры мокрого термометра, при которой испаряется свободная влага. Этот этап характеризуется незначительным изменения влажности материала и постепенным возрастанием скорости процесса. Участки В₁С₁, В₂С₂, В₃С₃ – характеризуют I период сушки, участки С₁D₁, C₂D₂, C₃D₃ – II период. Основными параметрами, характеризующими процесс удаления влаги в этих периодах являются скорость () и интенсивность (J) сушки. Под скоростью сушки понимают изменение абсолютной влажности материала за бесконечно малый промежуток времени, что соответствует тангенсу угла наклона касательной проведенной к кривой сушки:

, (331)

Под интенсивностью – количество влаги, удаляемой с 1м² поверхности материала в единицу времени

, (332)

где М – количество влаги, кг; F – площадь поверхности материала, м²;  - время процесса, с. Характер изменения этих параметров существенно отличается и объясняется различными механизмами удаления влаги в I и II периодах сушки.

В I периоде сушки влага за счет влагопроводности, обусловленной г радиентом влаги в материале, поступает по капилярам из глубинных слоев к поверхности. При этом в пограничном слое воздуха у поверхности материала устанавливается парциальное давление пара Р_м равное давлению насыщенного пара при данной температуре Р_н (Р_м= Р_н). Поскольку давление паров влаги в сушильном агенте Р_п меньше давления Р_м (Р_м Р_п), происходит испарения свободной влаги с поверхности материала вследствие диффузии пара через пограничный слой (внешняя диффузия). При фиксированных параметрах сушильного агента (его скорости и температуре) скорость испарения в этом периоде остается постоянной =const, а интенсивность испарения рассчитывается по уравнению:

, (333)

г де  - коэффициент массоотдачи по газовой фазе. Кроме того, при некоторых методах сушки (контактной, радиационной) в материале возникает температурный градиент, вызывающий дополнительный поток перемещаемой влаги. Это явление называется термовлагопроводностью. Температура же испарения влаги в этом периоде также остается величиной постоянной, равной температуре мокрого термометра t=t_м.т.. По такому механизму происходит удаление 90 % всей влаги в материале. Концу I периода сушки соответствует гигроскопическая точка С₁ и, соответствующая ей, первая критическая влажность . При этой влажности на поверхности материала образуются высушенные участки и зона испарения влаги начинает перемещаться с поверхности материала в его глубинные слои. Наступает II период сушки – период падающей скорости.

В этом периоде зона испарения влаги постепенно перемещается в глубь материала и наиболее прочно связанная адсорбционная влага перемещается уже в порах вещества только в виде пара (внутренняя диффузия). Высушиваемый материал находится в гигроскопическом состоянии, при котором пары влаги над его поверхностью не насыщены (Р_мР_н). За счет уменьшения поверхности испарения скорость сушки во II периоде постепенно падает и становится равной нулю. Форма кривой скорости в этом периоде на участке С₃D₃ зависит от структуры высушиваемого материала, а его влажность на участке С₁D₁ приближается к равновесной . Поверхность материала, свободная от поверхностной влаги, постепенно нагревается и в конце II периода ее температура становится равной температуре сушильного агента (участок С₂D₂).

Поскольку сушка является массообменным процессом, то для нее справедливо уравнение массопередачи, вид которого определяется способом выражения движущей силы процесса:

, (334)

где - интенсивность процесса (скорость массопередачи), кг/м²с; =Р_н-Р_п – движущая сила, выраженная через парциальные давления паров влаги; =С_р-С - движущая сила, выраженная через концентрацию паров влаги в сушильном агенте (С_р – равновесная концентрация, С – рабочая концентрация); = - разность рабочей и равновесной влажности материала; = - разность влагосодержаний насыщенного и ненасыщенного влагой сушильного агента; =(t-t_м.т.) – потенциал сушки; К_р; К_с; К_; К_х; К_t – соответствующие коэффициенты массопередачи.

Необходимо отметить, что для различных материалов отдельные периоды сушки могут быть различными по времени или отсутствовать вовсе. Длительность же имеющихся периодов сушки можно точно установить только опытным путем. Приблизительно общую продолжительность процесса определяют расчетом как сумму длительности I и II периодов, принимая, что падение скорости сушки во втором периоде происходит прямолинейно. Кроме того, при приближенном определении необходимого объема сушильных камер (для конвективных сушилок) или величины греющей поверхности (для контактных сушилок) проводят статический расчет по величине напряжения сушилки по влаге, под которой понимают количество влаги, испаряемой единицей объема или поверхности сушилки:

, (335)

где V и F – объем и поверхность сушилки, м³; м².