Nest_2016-разблокирован

1

Содержание

Основные обозначения…………………………………………….. 3

1.Общие сведения……………….……………………………………. 4

2. Свойства влажного материала ….…………………………….… 6

2.1.Влажность материалов, формы связи влаги с материалом….. 6

2.2.Равновесное состояние влажного материала…………………... 9

3.Свойства влажного воздуха…………………………………….… 11

3.1.Основные параметры влажного воздуха…………………...…... 11

3.2.I ̶ х диаграмма влажного воздуха………………………………..14

4.Материальный и тепловой баланс сушки………………………. 21

5.Варианты процессасушки………………………………………… 25

2

Nu – тепловой критерий Нуссельта

Nuˈ – диффузионный критерий Нуссельта

Re – гидродинамический критерий Рейнольдса

3

1. Общие сведения

Процесс тепловой сушки широко используется в химической, пищевой, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности. Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые потребительские свойства.

Сушка часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами (например, фильтрованием или центрифугированием), а окончательное – сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

Сушку обычно осуществляют в специальных аппаратах, позволяющих быстро и качественно высушить продукт при минимальных затратах тепла и электроэнергии.

Для удаления влаги из материала требуется подвести к нему тепло, причембольшая часть тепла теряется в окружающую среду, идет на нагревматериала и транспортных устройств и только менее половины от подведенного тепла идет собственно на испарение из материала влаги.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки: 1) конвективная сушка осуществляется путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют

нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

2)контактная сушка осуществляется путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3)инфракрасная (радиационная) сушкаосуществляется путем передачи тепла инфракрасными лучами;

4)диэлектрическая сушка осуществляется путем нагревания в поле токов высокой частоты

(ТВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ); 5) сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме. По

способупередачитеплаэтотвид сушкианалогиченконтактной,носвоеобразие процессазаставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.

Последние три вида сушки применяются относительно редко и обычно называются специальными видами сушки.

Тепло для сушки может быть получено сжиганием твердого, жидкого или газообразного топлива. Обычно для сушки используют природный газ, греющий пар или электроэнергию.

Природный газ является наиболее дешевым видом топлива. Дымовые газы, полученные при сжигании природного газа в горелках или топках, используется в конвективных сушилках в качестве сушильного агента, либо направляются в теплообменники для нагрева чистого воздуха или инертного газа для сушки. Последний прием используется в тех случаях, когда недопустим контакт продуктов сгорания с материалом (пищевые продукты, соли, щелочные материалы и др.).

Греющий пар вырабатывают на ТЭС (теплоэлектростанциях), и предприятия, расположенные вблизи ТЭС, покупают пар для своих нужд, в том числе и для сушки. В некоторых случаях пар вырабатывается непосредственно в парогенераторах, обогреваемых природным газом или ТЭНами (теплоэлектронагревателями). Это более дорогой вид обогрева, кроме того температура греющего пара обычно не превышает 170 - 180 °С.

Самым дорогим видом подвода тепла является электронагрев. Он используется обычно в малотоннажных производствах, когда другие виды топлива недоступны или их использование нерационально. Основным преимуществом электронагрева является его доступность и простота применения. Для конвективной сушки используются электрокалориферы. Электроэнергия используется в ТВЧ и СВЧ сушилках.

Иногда в качестве теплоносителя используют горячую воду (с температурой 80-90 °С), перегретую горячую воду (110 °С), горячее минеральное масло (150-180 °С) и некоторые органические теплоносители (до 350 °С).

4

Коэффициент полезного действия* большинства сушильных агрегатов не превышает 40-45%. Учитывая то, что сушка являются энергоемким процессом, стоимость топлива или теплоносителя является важным экономическим аргументом при выборе способа сушки. Сравнительная стоимость испарения 1 кг влаги при использовании различных видов топлива или теплоносителя приведена в таблице 1.

*) нм3 – объем м3, приведенный к нормальным условиям (0 °С , 760 мм.рт.ст.)

**) принят средний к.п.д сушилки 42%, средняя теплота испарения влаги из материала

2230 кДж/кг.

***) стоимость без НДС в ценах 2015 года (май месяц, курс € 56 руб.)

****) для контактных сушилок расход греющего пара на сушку будет меньше.

К данной таблице надо дать пояснение, что цена топлива для разных регионов России может быть различной и зависит от транспортных расходов, сложившихся рыночных отношений и других факторов. В настоящее время цена природногогазаи жидкого топливав России существенно ниже, чем в странах Евросоюза. Так стоимость природного газа на внутреннем рынке Российской Федерации составляет 4100 - 4300 руб. (не более $80) за 1000 нм3, а в странах Евросоюза $230 - 260

Таким образом, самым дешевым способом сушки является сжигание природного газа и смешение полученных дымовых газов с воздухом. Самый дорогой способ сушки происходит при нагреве воздуха в электрокалорифере. Однако в каждом конкретном случае требуется определить целесообразность применения того или иного вида топлива. Так, например, для сушки пищевых продуктов, где недопустим контакт продукта с дымовыми газами, вполне приемлемо использование электроэнергии. Для сушки песка, щебня, несомненно, использование природного газа будет оптимальным вариантом сушки. Однако не все районы России газифицированы, поэтому наряду с газовыми горелками и топками используются мазутные горелки, а в некоторых случаях ̶ угольные (твердотопливные) котлы.

* Коэффициент полезного действия (к.п.д.) сушилки определяется как отношение количества тепла, необходимое для испарения из влажного материала воды к общему расходу тепла на сушку.

5

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Сушка может протекать и без подвода тепла при температуре окружающей среды до тех пор, пока не наступит равновесие между влажным материалом и сушильным агентом. Однако в промышленности для ускорения процесса сушку проводят при повышенных температурах, нагревая материал или сушильный агент.

В этом случае удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла внутрь материала, а влаги к его поверхности, испарению и удалению влаги с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена).

Высушиваемый материал чаще всего в процессе сушки находится в контакте с газом, который называется сушильным агентом. В большинстве случаев в качестве сушильного агента используют нагретый атмосферный воздух, который имеет определенную влажность. При конвективной сушке влажному газу (являющемуся сушильным агентом) принадлежит основная роль.

В процессе сушки влага из материала перемещается в поток сушильного агента, который чаще всего удаляется в окружающую среду, пройдя предварительную очистку от пыли и других вредных веществ. В вакуумных сушилках влага удаляется из материала в видесмеси пара и воздуха.

Для расчета тепловых и материальных потоков, а также времени сушки необходимо знать свойства как влажного материала, так и сушильного агента (горячего воздуха).

2. Свойства влажного материала

Подвергаемые сушке материалы поступают в сушилки обычно после фильтрования или центрифугирования, а иногда минуя эти стадии. Для проведения процесса сушки большое значение имеют такие свойства материала, как размеры и форма его частиц, влажность, допустимая температура нагрева, взрывоопасность и пожароопасность, химическая агрессивность и токсичность (вредное действие на человеческий организм).

Свойства влажного материала и требования к высушенному продукту напрямую определяют конструкцию сушильного аппарата, а также конструкцию вспомогательного оборудования (питатели, разгрузители, циклоны, фильтры).

2.1. Влажность материалов, формы связи влаги с материалом

Влажные материалы делятся накусковые, зернистые, волокнистые, пастообразные, суспензии и растворы.

Кусковые материалы состоят из кусков размером от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров. Это, как правило, минеральные вещества, строительные материалы, такие как щебень, песок, рудные и нерудные минералы. Отдельно рассматривается сушка формованных изделий (керамические изделия, формованные пластмассы и др.).

Зернистые материалы состоят из отдельных гранул или кристаллов размером от долей до нескольких миллиметров. В химической промышленности чаще всего высушивают кристаллические продукты, например минеральные соли: хлористый натрий, хлористый калий, сульфат натрия и т. д.

В фармацевтической и пищевой промышленности часто сушат растворы, пасты, суспензии. Пастообразные материалы часто встречаются в химической промышленности и получаются обычно после фильтрования суспензий (пульп) с цельюпонижения содержания водыперед сушкой. Твердое вещество пасты представляет собой очень мелкие частицы размером от тысячных до десятых долей миллиметра. Чем меньше воды в пасте, тем лучше она сохраняет приданную ей форму. Некоторые пасты под действием давления или при перемешивании становятся текучими (например, пасты органических красителей). Иногда сушке подвергают суспензии (если они очень

плохо фильтруются), а также растворы солей.

При проектировании сушильных аппаратов необходимо учитывать такие характеристики высушиваемого материала, как абразивность, слипаемость, комкуемость, пожаро- и взрывоопасность.

При сушке абразивных материалов следует применять износостойкие конструкционные материалы, защищать газоходы и тягодутьевое оборудование от абразивного износа.

Для сушки материалов, склонных к слипанию, применяют аппараты с активным гидродинамическим режимом. Для комкуемых материалов в сушильной камере устанавливают

6

специальные устройства, которые размалывают комки, тем самым разрушая образующуюся на комках корку, которая препятствует сушке.

Для сушки пожароопасных материалов температура сушильного агента должна быть ниже температуры самовоспламенения сухого материала, а при сушке топочными газами – ниже температуры воспламенения. С целью повышения безопасности проведения сушки в сушильной камере устанавливают аппараты автоматического пожаротушения, которые срабатывают при возникновении пожара.

При сушке взрывоопасных веществ в сушильной камере устанавливают взрывной клапан. Очень большое значение имеет дисперсный состав материала. Тонкодисперсный продукт

склонен к образованию большого количества пыли, что увеличивает нагрузку на газоочистное оборудование. Крупнокусковой продукт требует специальные загрузочные и выгрузочные устройства, особые условия сушки.

В результате сушки получают продукт, конечная влажность которого также определяется свойствами материала. Высушивать материал следует до влажности не ниже той, которая соответствует воздушно-сухому состоянию в условиях складирования, так как на удалениелишней влаги затрачивается дополнительное количество теплоты и, таким образом, перерасходуется топливо. В зависимости от конструкции сушильного аппарата можно получить порошкообразный или гранулированный продукт. Для предотвращения слеживаемости высушенного продукта используют специальные добавки.

Влажность материала является основным параметром при расчете сушильных аппаратов. Влажность материала может быть рассчитана по отношению к его общей массе G или по отношению к массе находящегося в нем абсолютно сухого вещества Gс, причем

свл

где Gвл – масса содержащейся в материале влаги.

Влажность, отнесенная к общему количеству материала:

Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала:

Масса абсолютно сухого материала не меняется в процессе сушки, и для упрощения расчетов обычно пользуются величинамиwс. Влажность, отнесенная к массе абсолютно сухогоматериалаwс, и влажность, рассчитанная на его общую массу w, связаны между собой зависимостью

с = 100 − ∙ 100% (2.3)

или

При сушке листовых материалов удобно выражать влажность как количество влаги, отнесенное к поверхности листового материала.

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 связь влаги с материалом нарушается.

Форма связи влаги с материалом может быть химической, физико-химической и физико-механической.

Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в определенных стехиометрических соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из материала при сушке.

В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макрокапилляров и влагу микрокапилляров (капилляров со средним радиусом приблизительно больше и меньше 10-5 см). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в

7

микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами, например фильтрацией или центрифугированием.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающиеся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов.

Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют в более широком смысле на свободную и связанную. Под свободной влагой материала понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды с ее свободной поверхности. Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения воды со свободной поверхности.

Измерение влажности материала может выполняться лабораторным способом для отобранной пробы либо приборами, называемыми влагомерами.

Лабораторный (термогравиметрический) способ предполагает отбор пробы, ее усреднение (квартование) и высушивание определенной навески в сушильном шкафу при определенной температуре (обычно 105-110 °С) до определенного веса. На большинство видов продукции составлены технические условия (ТУ), где подробно описана методика отбора проб и проведения анализа. Термогравиметрический метод наиболее точный, однако он требует затрат времени, адля твердых материалов требуется разрушить (отделить) небольшую часть материала как образец, что не всегда приемлемо. Современные приборы для выполнения анализа этим методом совмещают весы и сушильную камеру (см. рис.1), что упрощает сам анализ и сокращает время его проведения.

Для оперативного или непрерывного контроля влажности используют косвенные методы измерениявлажности,основанные назависимостифизическихсвойствматериалаотеговлажности.

Влагомеры, работающие по косвенным методам, измеряют не саму влажность, а физический параметр с ней связанный, и переводят измеренную величину в значение влажности. Косвенные методы требуют предварительной градуировки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой величиной. Самыми распространёнными методами измерения влажности являются:

Кондуктометрический метод. Неотъемлемая часть такого влагомера ̶ острые металлические иглы (см. рис. 2), которые погружают в исследуемый материал. Прибор измеряет электрическое сопротивление материала между иглами и по заложенной в память микропроцессора формуле вычисляет процентное содержание влаги. К достоинствам этого метода следует отнести простоту прибора и быстроту измерения влажности. Недостаток метода ̶ значительное влияние качества контакта игл с исследуемым материалом на результаты измерения. Кроме того, портативным прибором невозможно измерить влажность ниже 5-8 %. Для этого нужен источник высокого напряжения (500-1500 вольт), с помощью которого измеряют большие

влажность wг – гигроскопической= 100% влажностью. Во всей области влажного состояния от wн до wг , в

том числе в точке A, , pм = pн.

Гигроскопическая влажность w находится на границе свободной и связанной влаги в материале. Свободная влага будет удалятьсяг< 100% из материала при любой относительной влажности окружающей среды меньше 100% ( ). Удаление связанной влаги возможно лишь при той относительной влажности окружающей среды, которой соответствует влажность материала, большая равновесной. На рис. 4 закрашена вся область, где материал может сушиться воздухом с относительной влажностью , соответствующей равновесной влажности материала wр. При гигроскопическом состоянии материала, отвечающем области над кривой равновесной влажности, возможно только увлажнение материала, но не его сушка.

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

1.сушка (десорбция влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала pм, превышающим его парциальное давление в воздухе или газе pп, т. е. при pм > pп;

2.увлажнение (сорбция влаги материалом) при pм < pп.

Впроцессе сушки давление pм уменьшается и приближается к пределу pм = pп. При этом

наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность

гистерезиса является попадание воздуха в капилляры высушенного материала и его сорбция стенками капилляров. В результате этого при последующем увлажнении материала уменьшается его смачиваемость влагой и для вытеснения воздуха из капилляров требуется большее парциальное давление водяного пара или большая величина (изотермасорбции2 расположенавышеизотермы десорбции 1).

Гистерезис наблюдается для пористых материалов, таких как целлюлоза, органические продукты, некоторые пористые неорганические вещества. Такие материалы как кварцевый песок, щебень, каолин, глина и другие минеральные вещества не имеют гистерезиса.

Значение равновесной влажности находится между двумя значениями влажности, полученными при сушке и при сорбции, однако, так как различия между ними невелики, для практических расчетов можно принять среднее значение равновесной влажности в зависимости от относительной влажности воздуха.

10