83)Определение числа теоретических ступеней

е сли в противоточном колонном аппарате обозначить ступени как показано на рисунке, то для первой ступени состав поступившего на нее газа у₁ и состав удаленного из нее жидкости х₁ изображен точкой М на рабочей линии, для теоретической ступени состав удаленного со ступени газа у₂ и состав стекающей с нее жидкости х₂ равновесной друг другу и поэтому изображается точкой С, лежащей на линии равновесия. Следовательно процессу изменения состава газовой фазы на теоретические ступени соответствует вертикальны отрезок МС. Согласно материальному балансу состав жидкости х₂, стекающей со второй ступени и состав газа у₂, удаляемого с первой ступени, отвечает точке А на рабочей линии, значит горизонтальный отрезок АС характеризует изменение состава жидкой фазы на теоретической ступеньке АСМ изображает изменение состава 2-х фаз, т. е. весь процесс протекающий на теоретической ступени. Строя последовательно подобные ступеньки до пересечения с ординатой, отвечающее составу газа, удаляющегося с последней теоретической ступени находится число теоретических ступеней или теоретических тарелок n_T, а действительное n_д. При этом величина теоретических тарелок может не быть целым числом. Для перехода от числа теоретических к числу действительных ступеней используют КПД колонны, представляющее собой отношение числа необходимых действительных степеней. Следовательно число действительных ступеней определяется соотношением:

.

КПД учитывается реальная кинетика массообмена на действительных ступенях, на которых никогда не достигается равновесие. Значение КПД зависит от ряда факторов, в том числе от скоростей фаз, их перемешивания, взаимного направления движения, а также физических свойств фаз. Значение КПД находится обычно опытным путем. Они колеблются в очень широких пределах. Определение рабочей высоты аппарата с помощью числа теоретических ступеней оправдано лишь в том случае, если отсутствует данные о коэффициенте массопередачи, т. е. об истинной кинетике массопередачи в аппарате данной конструкции или имеется сведения о КПД тарелок данной системы.

Массопереда в твердых фазах

В основе таких распространенных процессов химической технологии как адсорбция, сушка, экстракция из твердых тел пористых материалов лежат общее закономерности массообмена с участием твердой фазы массообмена между твердой фазой и движущейся жидкостью складываются из 2-х процессов: 1. перемещение распределенного вещества внутри пор твердого тела к поверхности раздела фаз или от нее, вследствие внутренней массоотдачи или массопроводности; 2. перенос того же вещества в жидкости путем внешнего.

Перенос вещества в неподвижном слое твердого материала представляет собой неустановившийся процесс, что обусловливает специфичный характер процессов массопередачи в твердых фазах.

Р ассмотрим одномерный поток вещества твердого тела, имеющий плоскую поверхность. В потоке жидкости или газа омывающего эту поверхность. В начальный момент времени τ₀ концентрация распределенного вещества в толщине твердого тела постоянна, т. е. с_Н=const. Однако по мере перехода вещества с пограничного слоя в твердом теле возникает , который изменяется во времени. В момент времени τ₁ и τ₂ и т. д. до τ_Н концентрация в твердой фазе изменяется соответственно от с₁, с₂ и т. д. с_n до с_1ГР, с_2ГР … с_nГР. Далее распределенное вещество диффундирует через пограничный слой жидкой фазы. Здесь наблюдается постепенное затухание турбулентности и значит более резкое изменение концентрации приближенное к линейному непосредственно у твердой поверхности, где молекулярная диффузия становится фактором, определяющим скорость процесса. В ядре омывающим фазы области внешней массоотдачи, происходит обычно путем конвективного переноса. Концентрация снижается, приближаясь к равновесной концентрации с^*. Эпюра изменения концентрации распределенного вещества изображается линией ABCDE.

В пределе при τ=ω концентрация этого вещества в твердой фазе также уменьшится до равновесной. Таким образом концентрация твердой фазы изменяется не только в пространстве, но и во времени, т. е. процесс массопроводностью явл. не установившимся процессом. Процесс массопроводности описывается уравнением, аналогичным 1-му законы Фика для молекулярной диффузии

Согласно этого уравнения масса вещества переносимого путем массопроводности пропорционально градиенту концентрации dC/dn, и площади F перпендикулярной направлению переноса и времени. Коэффициент пропорциональности D_H - называется коэффициентом массопроводности и представляет собой коэффициент внутренней диффузии. Задача о перемещении вещества вследствие массопроводности идентична задаче распространения тепла теплопроводностью внутри твердого тела и таким образом можно получить дифференциальное уравнение теплопроводности, которое имеет вид:

Это уравнение должно быть рассмотрено совместно с уравнением описывающим условия переноса на границе взаимодействия фаз. Указанное значение находится при составлении уравнения определяющую массу вещества подводимую вследствие массопроводности к границе раздела фаз и уравнение массоотдачи.

М=βFτ(C_ГР-С^*)=βFτ∆C (2)/

Уравнение (2) выражает массу вещества отводимого от поверхности раздела фаз, путем массоотдачи. Приравнивая (1) и (2) находим

При подобном преобразовании полученное дифференциальное уравнение путем деления правой части уравнения на левую и отбрасыванием знаков математических операторов находим безразмерный критерий подобия

- носит название критерия Био.

Критерий Био входит отношение величин β и D_H, характеризующие скорости внешней и внутренней диффузии, поэтому данный критерий имеет важное значение для анализов процессов массопередачи с участием твердой фазы. При малых значениях критерия Био скорость массопередачи определяется скоростью внешней диффузии или процесс протекает во внешней диффузионной полости, а при больших значениях критерия Био скорости внутренней диффузии или процесс протекает во внутренней полости. Чтобы найти условия подобия процессов переноса в ядре твердой фазы проводят подобные преобразования дифференциального уравнения массопроводности. Из него обычными приемами теории подобия получают:

- критерий Фурье.

При подобии процессов переноса вещества массопроводностью должно соблюдаться геометрическое подобие, которое для одномерного потока вещества выражается х/δ, где х - координата данной точки в твердом теле, δ – определяет геометрический размер твердого тела. Определяемой величиной явл. безразмерный комплекс концентраций, в качестве которого применяется отношение:

, где С – концентрация данной точки твердой фазы для момента времени τ.

Таким образом, в простейшем случае обобщенное уравнение массопроводности имеет вид:

,

Так же для процессов распространения тепла в твердом теле, эта функциональная зависимость имеет аналитическое решение для тел простейших форм (неограниченная пластина, бесконечный цилиндр и шар). С помощью последней функциональной зависимости находится средняя концентрация твердых частиц в зависимости от времени. Зная эти величины можно получить необходимые сведения о кинетике прочеса, а так же об его эффективности.

______________________________________________________________________________

Сушка

Общие сведения

Сушка – процесс удаления влаги из твердого материала путем ее испарения и отводообразующих паров. Последней операцией на производстве предшествует выпуск готовой продукции. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами. В химической промышленности применяется искусственная сушка материала в специальных сушильных аппаратах, т. к. естественная сушка на открытом воздухе процесс слишком длительный. По своей физической сущности сушка явл. сложным диффиринцированным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушенного материала в окруж. среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и влаги внутри материала и их переноса с поверхности материала в окруж. среду. Таким образом, процесс сушки явл. сочетанием связанных друг с другом процессом тепло и массообмена.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки: 1) Конвективная – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретую воду или топочные газы; 2) Контактная – путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую стенку; 3) Радиационная – путем передачи тепла инфракрасными лучами; 4) диэлектрическая – путем нагревания в поле токов высокой частоты; 5) Сублимационная – сушка в замороженном виде , при глубоком вакууме.

Основные параметры влажного газа

При конвективной сушке сушильный агент передает материалу тепло и уносит влагу, испаряющуюся из материала за счет этого тепла. Таким образом, сушильный агент играет роль тепло - и влагоносителя, при прочих методах сушки, находящийся в контакте с материалом влажный газ используется лишь дл удаления испарившейся влаги, т. е. выполняет роль влагоносителя. Влажный газ явл. смесью сухого газа и водяного пара. В дальнейшем под влажным воздухом будем подразумевать только влажный воздух, учитывая что физические свойства топочных газов и влажного воздуха отличаются лишь количественно. Влажный воздух как влаго- и теплоноситель характеризуется следующими основными параметрами:

Абсолютная влажность – определяется количеством водяного пара в 1 кг содержащегося в 1 м³ влажного воздуха, т. е. это плотность пара.

Относительная влажность (φ) – отношение массы водяного пара в 1 м³влажного воздуха (плотность ρ_Н) при данных условиях, температуре и общем температурном давлении. Максимально возможной массе водяного пара в м³плотности насыщенного пара при тех же условиях:

В соответствии с уравнением Менделеева-Клайперона:

и , где

Т – абсолютная температура;

М_Н- мольная масса водяного пара=16 Дж/к*моль*К;

R=8.314 КДж/кмоль*К;

р_Н – давление насыщенного водяного пара, при данной температуре;

Подставим ρ_Н и ρ_Н.П.в уравнение (1) получим выражение:

При нагревании воздухом ≈ до 100⁰С величина возрастает и соответственно снижается относительная, дальнейшее повышение температуры происходит при φ=const. При охлаждении воздухом в процессе сушки, которое сопровождается поглощением влаги из материала уменьшается , а относительная влажность возрастает в отдельных случаях вплоть до насыщения воздухом. В процессе сушки воздух увлажняется и охлаждается и соответственно изменяет свой объем, поэтому используют в качестве параметров воздуха его абсолютных влажностей усложняет расчет. Более удобно относить влажность воздуха к единице массы абсолютно сухого воздуха, величине изменяющейся в процессе сушки. Масса водяного пара, содержащегося во влажном воздухе и приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха называется влагосодержанием воздуха

m_H и m_с.в. – масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха соответственно в данном объеме влажного воздуха;

ρ_с.в. – плотность абсолютно сухого воздуха.

Для того чтобы установить связь между влагосодержанием и относительной влажностью подставим в выражение (3) ρ_Н и из уравнения Менделеева - Клайперона:

р_с.в. – парциальное давление абсолютно сухого воздуха;

М_с.в. – мольная масса абсолютно сухого воздуха =29 кг/моль.

По закону Дальтона парциальное давление абсолютно сухого воздуха равно разности общего давления влажного воздуха и парциального давления водяного пара в нем.

из уравнения (2)

Подставляем в уравнение (4) значения р_Н и р_с.в., а так же численные значения М_Н и М_с.в. получим

Энтальпия (I) – влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара.

с_с.в. – средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха;

с_П – энтальпия водяного пара.

I-x диаграмма влажного воздуха

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определить при помощи I-x диаграммы, впервые разработанной П.К. Ращенным. Диаграмма I-x построена для постоянного давления 745 мм рт. столба, которая по многолетней статистическим данным можно считать среднегодовым для центральных районов России. Диаграмма имеет угол 135⁰ С между осями координат, причем на оси ординат отложены в определенном масштабе энтальпии Е; а на наклонной оси абсцисс – влагосодержание, которое для удобства пользования диаграммой спроецированы на вспомогательную ось, перпендикулярной оси ординат. На диаграмме нанесены: 1. линия постоянного влагосодержания; 2. линии постоянной энтальпии; 3. Линии постоянных температур или изотермы; 4. линии постоянной относительной влажности; 5. линии парциальных давлений водяного пара во влажном воздухе.

Линии относительной влажности образуют пучок расходящихся кривых, выходящих из одной точки с координатами t=-273⁰C, x=0. Для того чтобы линии относительной влажности не подходили очень близко друг к другу, то диаграммы I-x построена в косоугольной системе координат. При температуре 99,4⁰С давление насыщенного пара р_Н.П.=В, т. е.становиться равным барометрическому давлению В=745 мм рт. ст., для которого и была построена диаграмма. В этом случае относительная влажность будет определяться φ=р_Н/В. Влагосодержание будет следующим х=0,62φ/(1-φ)=0,622р_Н/(В-р_Н). Следовательно, при температуре >= 99,4⁰С относительная влажность не зависит от температуры и практически явл. величиной постоянной, так же как и влагосодержание воздуха, поэтому при температуре 99,4⁰С линия относительной влажности имеет резкий перелом и идет почти вертикально вверх. Незначительное отклонение направления линии относительной влажности от вертикального объясняется тем, что в этой области высоких температур несколько меняются параметры пара. Линия относительной влажности φ равная 100% соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней рабочую площадь диаграммы, отвечающему не насыщенному влажному воздуху, используемую в качестве специального агента.

Площадь диаграммы, расположенной под линией φ=100% относится к воздуху перенасыщенному водяным паром и для расчета сушилок интереса не представляет. На диаграмме I-x по любым 2-м известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха и определить все его остальные параметры.

Изображение процессов изменения состояния воздуха на диаграмме I-x.

П ри нагревании специального воздуха в специальных теплообменниках его относительная влажность уменьшается, а влагосодержание остается const; поэтому на диаграмме Ращена процесс нагрева воздуха изображается отрезком АВ проводя из точки, отвечающей первоначальному состоянию воздуха t₀x₀ вертикальную линию вверх до пересечения с изотермой, отвечающей температуре нагрева воздуха t₁. Процесс охлаждения воздуха имеющего первоначальную температуру t₁ при постоянном влагосодержании до его насыщения изображается вертикально проведенной из точки В характеризующей начальное состояние охлаждаемого воздуха до пересечения с линией равное 100% отрезок ВС. Точка С характеризует состояние воздуха в результате его охлаждения при х=const и называемой точкой росы.. Изотерма, проходящая через эту точку определяет температуру точки росы. Дальнейшее охлаждение воздуха ниже точки температуры точки росы, например до температуры t_H приводит к конденсации из него части влаги и соответственно к уменьшению его влагосодержания от х₀ до х_n. В диаграмме процесс охлаждения насыщенного воздуха совпадает с линией φ=100% (кривая СЕ).

Равновесие при сушке

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны 2 процесса:

1. Р_m>Р_Н – сушка при парциальном давлении пара над поверхностью материала, превышает его парциальное давление в воздухе или газе;

2. Р_m<Р_Н – увлажнение парциальным давлением паров над высушиваемым материалом меньше парциального давления паров в сушильном агенте.

В процессе сушки давление Р_m уменьшается и приближается к переделу Р_m=Р_Н. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала называется равновесной влажностью ω_Р. Равновесная влажность зависит от материала или пропорциональна его величине относительной влажности воздуха и определяется опытным путем.

Формы связи влаги с материалом

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом, чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке эта связь материалов нарушается.

Существует 3 формы связи влаги в материале:

1. химическая;

2. физико – химическая;

3. физико – механическая.

Химически связанная влаги наиболее прочно соединена с материалом в определенных соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химических реакций, эта влага может быть удалена из материала при сушке. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая в свою очередь подразделяется на влагу макрокапиляров и микрокапиляров, капилляров со средним радиусом ≈> и < 10^-5 см. Макрокапиляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окруж. среды. Влага макрокапиляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическим способами. Физико-химическая связь определяет 2 вида влаги, отличающаяся прочностью связи с материалом адсорбционно и осматически связанной влаги.

Адсорбционная связь прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Астматическая связанная влага находящаяся внутри клеток материала и удерживаемая астматическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большие затраты энергии, чем влага набухания.

Материальный баланс сушки

Баланс по выпариваемому материалу явл. общим для конвективной, контактной и других видов сушки:

G₁ – масса влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч;

G₂ – масса высушенного материала, кг/ч;

ω₁ и ω₂ – начальная и конечная влажности материала, %;

W – масса влаги удаленной из материала при сушке, кг/ч;

Тогда материальный баланс будет иметь следующий вид:

- по всему материалу, подвергающемуся сушке G₁=G₂+W (1)

- по абсолютно сухому веществу в высушиваемом материале

Из уравнения (2) следует

или

Обычно в целях составления материального баланса явл. определение влаги удаленной при сушке. Из уравнения (1) находим W=G₁-G₂ подставим в последнее выражение значение G₂ из уравнения (3^/) получим:

или

При расчете конвективных сушилок помимо баланса по высушиваемому материалу составляют материальный баланс по влаге, из которой находят расход сухого воздуха на сушку. Рассмотрим основную схему процессов конвективной сушки на примере воздушной сушилки, в которой воздух нагревается только в калорифере перед сушилкой и однократно проходит через сушилку. Пусть на сушку поступает воздух с влагосодержанием х₀ кг/ч сухого воздуха, причем расход абсолютно сухого воздуха составляет L (кг/ч). Из сушилки при отсутствии потерь воздуха выходит такое же количество абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до х₂ (кг/кг) абсолютно сухого воздуха. Масса влаги испаряющейся из материала сушилки составляет W (кг/ч), тогда материальный баланс по влаге будет иметь вид Lx₀=W+Lx₂,

Удельный расход воздуха на испарение из материала 1кг влаги равен соответственно

Обозначим влагосодержание воздуха, нагретого в калорифере и поступающего в сушилку через х₁ кг/кг сухого воздуха. Проходя через калорифер воздух, не поглощает и не отдает влагу, поэтому его влагосодержание остается постоянным, т. е. х₁=х₂=х₀ соответственно последние 2 уравнения могут быть написаны в следующем виде: ???????????????????????????????(формула)

Тепловой баланс

Пусть на сушку поступает G₁ (кг/ч) исходного материала, имеющего температуру θ₁ ⁰С. В сушилке из материала удаляется W₁ кг/ч влаги и сушилки выходит G₂ высушенного материала при температуре θ₂ ⁰С. Обозначим удельную теплоемкость высушенного материала С_м Дж/кгК и теплоемкость влаги С_в Дж/кгК. В сушилку подается влажный воздух содержащий L кг/ч абсолютно сухого воздуха перед калорифером воздух имеет энтальпию I₀ Дж/кг сух. вещества. После имеет, т. е. на входе в сушилку энтальпия воздуха повышается до I₁. В процессе сушки в результате передачи тепла материала поглощением испаряющегося из материала влаги и потерь тепла в окруж. среду. Энтальпия воздуха изменяется и на выходе из сушилки равна I₂ Дж/кг сух. возд. При составлении теплового баланса следует учитывать, что в сушилке могут быть транспортные устройства, на которых находится высушиваемый материал. Пусть масса этих устройств G_T кг удельная теплоемкость их материала С_Т Дж/кгК. Температура на входе в сушилку t_TH. В сушилке температура транспортных устройств возрастает и достигает t_TK на выходе из сушилки. Согласно нашей схеме тепло подводится в калорифере, установленном перед сушилкой и дополнительном К₂, внутри камеры сушилки, тогда с учетом потерь тепла сушилкой в окруж. среду имеем:

Приход тепла	Расход тепла
1. С наружным воздухом LI0	1. С отработанным воздухом LI2
2. С влажным материалом а)вносимом сухим материалом G2C2θ2; б) с влагой испаряемой из материала WCвθ1	2. с высушенным материалом G2C2θ1
	3. С транспортными устройствами GTCT tTК
	4. Потери тепла в окруж. среду QП
3. С транспортными устройствами GTCT tTH
4. В основном калорифере QК
5.Дополнительный калорифер Qд

При установившемся процессе сушке тепловой баланс выражается равенством:

Из уравнения (1) можно определить общий расход тепла:

Разделив обе части последнего выражения на W получим выражение для удельного расхода тепла:

удельный расход тепла в основном калорифере можно представить в виде

Подставим последнее значение в уравнение (2) получим:

.

Обозначив правую часть уравнения (3) через ∆

, тогда уравнение (3) примет вид

или

Величина ∆ выражает разность между приходом и расходом тепла непосредственно в камерной сушилке без учета тепла переносимого и уносимого воздухом, нагретом в основном калорифере. Величина ∆ так же называется внутренним балансом сушильной камеры. Подставим в уравнение (4) значение , и получим

Для анализа и расчетов процессов сушки удобно ввести понятие по теоретической сушилке, в которой температура материала, поступающего на сушку = 0. Нет расхода тепла на нагревание материала и транспортных устройств, нет дополнительного подвода тепла в самой сушильной камере и потерь тепла в окруж. среду. Следовательно, для теоретической сушилки:

, следовательно(*) ∆=0.

При этом в соответствии с уравнением теплового баланса выражение (4), при для теоретической сушилки I₁=I₂, т. е. процесс сушки в такой сушилке изображается на диаграмме I-x линией I=const. Это означает, что испарение влаги в теоретической сушилке происходит только за счет охлаждения воздуха, причем количество тепла, передаваемого воздухом полностью возвращается в него с влагой, испаряемой из материала. В действительных сушилках энтальпия воздуха в сушильной камере обычно остается постоянной. Если приход тепла в камеру сушилки больше его расхода, т. е. ∆>0, то энтальпия воздуха при сушке возрастает I₂>I₁. При отрицательном значении ∆ энтальпия воздуха в процессе сушки уменьшается I₂<I₁.

Определение расхода воздуха и тепла на сушку

Р ассмотрим изображение процессов сушки теоретической сушилки. Для расчета должны быть известны 2 любых параметра наружного воздуха, обычно такими параметрами является его температура t₀ и его относительная влажность φ₀. По пересечении линии t₀=const и F₀ находят точку А, характеризующую состояние воздуха перед калорифером. Из точки А проводят вертикаль до пересечения с изотермой t₁=const, где t₁ – температура воздуха после калорифера, которая должна быть задана. Точка пересечения В характеризует состояние нагретого воздуха перед входом в сушильную камеру. Вертикальный отрезок АВ изображает процесс нагрева воздуха в калорифере, протекающей при x₀=x₁=const. Из точки В проводят линию φ₁, которая изображает адиабатический процесс изменения состояния в сушилке. Кроме значения х₀, φ₀ t₁ при расчете должен быть задан один из параметров отработанного воздуха, обычно t₂ или φ₂. Поэтому продолжая линию I₁=const до пересечения с изотермой t₂=const, или линией φ₂=const, получают точку С, выражающую состояние отработанного воздуха на выходе из сушилки. Отрезок ВС параллелен оси абсцисс, изображает охлаждение воздуха в процессе сушки. Ломаная линия АВС – графическое изображение всего процесса изменения состояния воздуха в теоретической сушилке, работающей по основной схеме. Завершив посторенние для точек А и С находят на диаграмме значения х₀=х₁ и х₂ и для точек В и А значения I₁ и I₂с помощью которых определяют удельный расход тепла в основном калорифере. После него находят расходы воздуха и тепла на сушку.

Р ассмотрим изображение процесса сушки в действительной сушилке. Из точки А, характеризующей состояние воздуха перед калорифером, проводят вертикаль до пересечения с заданной изотермой t₁=const. В уравнении

координаты конечной точки (х₂;I₂) можно заменить на текущие координаты точки Е, лежащей на прямой линии процесса в сушильной камере действительной сушилки, тогда

. В уравнении (1) неизвестными являются величины х и I. Задавая значения х и I по уравнению (1) можно вычислить значения величин х или I. И таким образом найти координаты точки Е. Соединяя точки Е и В и продолжая ВЕ до пересечения с заданными параметрами отработанного воздуха находят: С₁(∆>0) или C₂(∆<0).

Для этих точек С₁ и С₂находят величины х₂ и I₂, при известных параметрах наружного воздуха, расчет сушилок возможен и в том случае, если температура нагретого воздуха t₁ не задана в явном виде, а известны какие-либо 2 параметра отработанного воздуха, например t₂ и φ₂. В этом случае построение процесса начинают от заданной точки С₁ или С₂. Из заданной точки С₁ при ∆>0 откладывают вниз в масштабе энтропии отрезок С₁К₁.

и через полученную точку К₁ проводят линию I₁=const до пересечения с линией x₀=const в точке В. Через эту точку будет проходить искомая изотерма t₁=const. Точку В характеризующую состояние воздуха при поступлении в сушильную камеру соединяют с точкой С₁. Линия АВС изображает процесс действительной сушки при ∆>0, когда изменение состояния воздуха в сушильной камере происходит с повышением энтальпии I₂>I₁. При ∆<0, когда изменение состояния воздуха в сушильной камере происходит с понижением энтальпии I₂<I₁. Отрезок С₂К₂ откладывают вверх от заданной точки С₂. Через полученную точку К₂ проводят линию I₂=const до пересечения с линией x₀=const в точке В.

Сушка с промежуточным подогревом воздуха в сушильной камере

Сушилка, работающая по этой схеме состоит из ряда зон, в каждой из которых установлен дополнительный калорифер. Помногократный (ступенчатый) подогрев воздуха в сушильной камере позволяет вести сушку в легких условиях при небольшом перепаде температур в камере, а так же обеспечивать более гибкие условия сушки. Воздух нагретый во внешнем калорифере проходит зону I, где извлекается из материала часть влаги и несколько охлаждается после чего поступает в зону II, на входе к которую нагревается в калорифере К₁ сушит материал, после чего вновь подогревается в калорифере К₂, затем поступает в следующую зону и т. д. Таким образом воздух проходит последовательно все зоны, в каждой из которых осуществляется процесс сушки по основной схеме. Поэтому изменение состояния воздуха носит ступенчатый характер и изображается на диаграмме I-x ломанной линией АВ^/С₁В^//С₂В^///С. Согласно схеме отработанный воздух в каждой предыдущей ступени является исходной для последующей и нагревается в ней при x=const. Расход абсолютно сухого воздуха одинаков для всех зон и равен его расходу для всей сушилки. Влагосодержание воздуха будет увеличиваться от зоны к зоне, при этом перепад влагосодержания в каждой зоне пропорционален относительно количеству испаренной в ней влаги.

Сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха

П ри сушке с частичной рециркуляцией отработанного воздуха часть отработанного воздуха возвращается и смешивается перед наружным калорифером и свежим воздухом, поступающим в сушилку.

Параметры смеси, получаемой при смешении L₀ кг/ч смеси и L₂ кг/ч отработанного воздуха различными параметрами можно определить, пользуясь правилом аддитивности:

Разделив все члены правой части, получим уравнение на L₀ и обозначив L₂/L₀=n находим

Решая уравнения (1) и (2) относительно n и приравнивая полученное выражение, найдем уравнения связи между параметрами компонентов смеси

Уравнение (3) изображается на I-x диаграмме прямой, проходящей через точки, характеризующие состояния компонентов смеси. Точка отвечающая составу смеси делит эту прямую на отрезки, находящиеся в отношении L₂/L₀=n.

Пусть заданны составы свежего воздуха точка А; отработанного воздуха, точка С; и кратность смешения n. Соединяя точки А и С прямой находят положение точки М, которая делит АС в соотношении АМ/АС=n. Из точки n проводят линию х_СМ=const до пересечения с линией I₂=I₁=const, проводимой из точки С. Точка пересечения В, характеризует состав воздуха на входе в сушильную камеру, а изотерма t₁^/, проходящая через точку В₁ – температуру нагрева этого воздуха. Если же в заданных составах свежего и отработанного воздуха точки А и С и допустимая температура нагрева смеси свежего и рециркулирующего воздуха, т. е. t₂^/, то положение точки В находят по пересечению I₂=I₁=const, проведенной из точки С с заданной изотермой t₁^|=const и опуская из точки В вертикаль до пересечения с прямой АС, находят положение точки М, характеризующей параметры смеси свежего и рециркулирующего воздуха. Отрезок АМ изображает процесс смещения свежего и отработанного воздуха. Отрезок МВ, нагрев смешанного воздуха в наружном состоянии воздуха в процессе сушки. Таким образом, весь процесс в целом изображается ломаной АМВ₁С.

Сушка топочными газами

По этому способу сушки в качестве сушильного агента используют либо газы, полученные сжиганием в топках топлива (твердого, жидкого, газообразного), либо отработанные газы котельных или промышленных печей. Все эти газы не должны содержать золы и сажи, которые могут загрязнять высушиваемый материал при проведении процесса сушки в конвективных сушилках. Поскольку температура топочных газов

обычно существенно превышает предельно допустимую для высушиваемого материала, то для снижения их температуры топочные газы разбавляют воздухом. По своим свойствам (плотность, теплоемкость, вязкость и др.) топочные газы близки к воздуху, отличаясь большими значениями влагосодержания.

Обычно сушку топочными газами проводят по основной схеме, реже – с циркуляцией отработанных газов. К достоинствам сушки топочными газами следует отнести большую по сравнению с воздухом влагопоглащающую способность (так как температура сушильного агента высокая), меньший расход топлива, простоту схемы установки (отсутствует специальный подогреватель).

Скорость сушки

Под скоростью сушки понимается количество влаги испаренной с единицы поверхности в единицу времени. Сушка – неустановившийся процесс, т. е. скорость ее, падает и когда парциальное давление водяных паров над высушиваемым и в сушильном агенте становятся равными, сушка прекращается. В материале остается влага, которая называется равновесной (оставшейся).

П осле небольшого промежутка времени в периодах прогрева материалов в течении которого влажность снижается значительно (кривая АВ) – наступает период постоянной скорости сушки (I период), при этом влажность материала интенсивно уменьшается по прямолинейному закону (прямая ВС), такое уменьшение влажности наблюдается до достижения 1-й критической влажности после чего начинается период падающей скорости сушки (II-й период). В этом периоде уменьшение влажности материала выражается некоторой кривой (кривой СЕ), которая состоит из 2-х участков различной кривизны, отрезок СD и DE. Точка перегиба D сответствует2-й критической влажности. В конце 2-го периода сушки влажность материала асимптотически приближается к равновесной. Достижение равновесной влажности, означает полное прекращение дальнейшего испарения влаги из материала,

Скорость сушки определяется уменьшением влажности материала за некоторый бесконечно малый промежуток времени

Влажность материала обычно выражается в процентах поэтому скорость сушки выражается в с^-1 или ч^-1.

Н а графике показана кривая скорости сушки. Горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду постоянной скорости (I период), а отрезок СЕ периоду падающей скорости (II период).

В первом периоде происходит интенсивное поверхностное испарение свободной влаги. В точке С влажность на поверхности материала становится равной гидростатической. С этого момента начинается испарение связанной влаги, точка D соответствует достижению равновесной влажности на поверхности материала. Начиная с этого момента и вплоть до установления равновесной влажности по всей толще материала. Скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности. Одновременно вследствие высыхания все меньше поверхность материала остается доступной для испарения влаги в окруж. среду, скорость сушки падает не пропорционально уменьшению влажности материала.

Устройства сушилок