11.3. Процесс и кинетика сушки
В технике сушки различают содержащуюся в сушимом материале влагу свободную, гигроскопическую, избыточную и равновесную.
1.Свободная влага Wсв – это разность между общим содержанием влаги в материале и максимальным содержанием гигроскопической влаги:
Wсв = Wоб – Wг, (11.5)
2.Гигроскопическая влага Wг – влага поглощенная, адсорбированная поверхностью материала.
Содержание гигроскопической влаги в материале зависит от его гигроскопичности и влагосодержания окружающей среды. Максимальное количество гигроскопической влаги содержится в материале при относительной влажности среды j = 100 %.
3.Избыточная влага Wи представляет свободную влагу и частично гигроскопическую, которая может быть удалена из материала испарением при данных условиях сушки и параметрах сушильного агента:
Wи= Wсв – Wг, (11.6)
4.Равновесная влага Wр представляет разность между общей влагой и избыточной:
Wр = Wоб – Wи, (11.7)
Влагообмен между сушимым материалом и окружающей газовой средой происходит вследствие разности давлений водяных паров в среде Рв.п. и у поверхности материала Рм.
В зависимости от параметров сушильного агента и содержания влаги (W) в сушимом материале могут происходить следующие процессы влагообмена:
1.Сушка – испарение из материала свободной влаги, когда Wоб > Wг и парциальное давление водяного пара в сушильном агенте, меньше давления пара у поверхности – Рв.п.< Рм.
2.Десорбция – испарение из материала части гигроскопической влаги, входящей в избыточную влагу, когда Wг > Wоб > Wр и Рв.п. > Рм.
3.Сорбция – поглощение влаги материалом из окружающей среды, что происходит только до достижения материалом максимального гигроскопического влагосодержания, когда Wоб < Wр и Рв.п. > Рм.
Равновесное влагосодержание материала наступает при Рв.п. = Рм, когда влагообмен между материалом и окружающей средой прекращается.
Величина равновесного влагосодержания зависит от рода материала, температуры и относительной влажности сушильного агента. При постоянной температуре агента равновесное влагосодержание материала зависит только от влажности агента.
Зависимость равновесного влагосодержания материала от относительной влажности воздуха при постоянной его температуре показана на рис. 11.1.
Кривая равновесной влажности называется изотермой десорбции или сорбции в зависимости от того, каким путем получено равновесное состояние влагообмена.
Изотермы десорбции показывают, до какого влагосодержания можно высушить материал при заданной температуре и влажности сушильного агента.
Рис. 11.1 Зависимость равновесного влагосодержания материала от относительной влажности воздуха при постоянной температуре
Процесс
сушки влажного материала протекает
следующим образом. Под действием тепла
у поверхности материала образуется
пленка водяного пара. Если давление
этого пара больше, чем давление водяного
пара в окружающей среде, то происходит
диффузия пара в среду и влага удаляется
с поверхности материала. При этом
влажность материала на поверхности
уменьшается и внутри него появляется
перепад влажности, отнесенный к единице
длины по нормали, называется градиентом
влажности (
W)
– показатель скорости движения влаги
в материале.
При наличии градиента влажности в материале начинается перемещение влаги, которое называется влагопроводностью.
Так как в процессе сушки материал нагревается, то перемещение влаги при сушке происходит также за счет градиента температуры. При сушке влажных материалов температурный градиент имеет сравнительно малое значение, поэтому потоком влаги, обусловленным термовлагопроводностью, можно пренебречь.
Количество влаги, испаряемой с 1 м2 поверхности сушимого материала за час, называется средней скоростью сушки или скоростью испарения и определяется по формуле (11.8):
,
кг/(м2·час)
(11.8)
где W – общее количество испаренной влаги, кг; F – геометрическая поверхность сушимого материала, м2; t – продолжительность процесса сушки.
Продолжительность процесса сушки можно выразить через скорость сушки:
, (11.9)
Скорость сушки изменяется по времени неравномерно в течение всего процесса сушки.
Наиболее просто представить характер изменения скорости сушки можно путем построения кривой сушки по найденной опытным путем зависимости изменения массы сушимого материала от времени при определенных постоянных (температура, скорость движения потока сушильного агента и относительная влажность сушильного агента при входе в сушилку).
Процесс сушки (рис. 11.2) может быть условно разделен на три периода: начальный период нагрева материала, первый период сушки с постоянной скоростью, второй период сушки с падающей скорости.
а
Рис. 11.2 Кривые сушки:
а – зависимость влажности продукта от времени;
б – зависимость скорости сушки от влажности
В начальный период (участок кривой АВ). Тепло расходуется на нагрев материала. Нагрев идет пока не установится равновесие между количеством тепла, сообщаемым материалу, и количеством тепла, расходуемым на испарение. Температура материала при этом возрастает до температуры мокрого термометра. Данный период характеризуется быстрым возрастанием скорости до максимальной величины.
В первый период сушки (участок кривой ВС). Испарение влаги происходит, как со свободной поверхности при этом влага из внутренних слоев сушимого материала непрерывно поступает к поверхности и заменяет испарившуюся влагу. Скорость сушки в этот период остается постоянной и зависит от состояния сушильного агента: его температуры, влажности, скорости движения. Температура материала при сушке не меняется.
Во втором периоде сушки (участок кривой СD) наблюдается снижение влажности материала. Скорость диффузии влаги из внутренних слоев сушимого материала к его поверхности недостаточна для насыщения поверхности влагой, поэтому скорость сушки падает. Кривая влагосодержания материала приближается к равновесному влагосодержанию, при котором испарение влаги прекращается.
Температура материала в это время повышается, приближаясь к температуре окружающего газа (к температуре сухого термометра). В этот период скорость сушки зависит от толщины слоя материала и его влагосодержания, от сопротивления диффузии при переходе водяного пара из внутренних слоев на поверхность материала.