Классификация выпарных аппаратов и установок

По принципу работы выпарные установки разделяются на периодически и непрерывно действующие.

В периодически действующих установках жидкость подается в аппарат, выпаривается до необходимой более высокой концентрации, затем упаренный раствор удаляется из аппарата.

Опорожненный аппарат вновь наполняется неконцентрированным раствором. Периодическое выпаривание применяется при небольшой производительности установки или когда сгущенная жидкость не поддается откачке насосом либо в тех случаях, когда требуется выпарить весь растворитель.

В аппаратах непрерывного действия неконцентрированный (слабый) раствор непрерывно подается в аппарат, а упаренный (крепкий) раствор не­прерывно отводится из него. По сравнению с аппаратами периодически действующими аппараты непрерывного действия более экономичны в тепловом отношении, так как в них отсутствуют потери, связанные с расходом тепла на периодический разогрев аппарата.

В большинстве случаев аппараты непрерывною действия компону­ются в так называемые многокорпусные выпарные установки, в кото­рых упариваемый раствор последовательно проходит через ряд отдельных аппаратов. В каждом последующем аппарате устанавливается большая концентрация раствора, чем в предыдущем.

Вакуум в выпарных аппаратах применяется в следующих случаях: а) когда раствор под влиянием высокой температуры разлагается, из­меняет цвет, запах (например, сахар, молоко); б) когда раствор при атмосферном давлении имеет высокую температуру кипения, т. е. обладает большой физико-химической температурной депрессией, и требует высоких параметров греющего пара (например, раствор аммиачной селитры, едкого калия и т. п.); в) когда греющий теплоноситель имеет низкую температуру и, следовательно, нужно снижать температуру кипения раствора; г) для увеличения располагаемого температур­ного перепада в многокорпусной установке.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ МНОГОКОРПУСНЫХ ВЫПАРНЫХ УСТАНОВОК НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Принцип многократного испарения¹. Если пар, образующийся из раствора (вторичный пар одного выпарного аппарата), направить в греющую камеру другого выпарного аппарата и поддержи­вать во втором аппарате такое давление, чтобы температура этого пара была больше температуры кипения раствора во втором аппарате, то и нем тоже может происходить выпаривание, как и в первом аппарате. Совокупность нескольких выпарных аппаратов, в которых вторичный пар из каждого предыдущего аппарата направляется в греющую каме­ру последующего, называется многокорпусной выпарной установкой.

¹ Установки с многократным испарением правильнее называть многоступенчатыми, но не многокорпусными, так как в одной ступени может быть несколько корпусов, соединенных параллельно. Поскольку в дальнейшем рассматриваются установки только с одним корпусом в каждой ступени, мы считаем возможным слово «ступень» заменить словом «корпус», более употребительным на промышленных предприятиях

Схемы многокорпусных установок. В схеме прямоточной выпарной установки (рис. 4-14,а) греющий пар, вторичный пар и раствор проходят в одном направлении. Раствор переходит из одного корпуса в другой благодаря разности давлений в корпусах. Прямоточные выпарные установки по сравнению с противоточными имеют боль­шее распространение в промышленности вследствие меньшего расхода пара и электроэнергии, а также незначительных потерь тепла со сгущенным раствором, уходящим из установки с наименьшей температурой. Однако для сгущения вязких растворов прямоточная установка может быть неприменима или иметь большую поверхность нагрева по сравнению с рассмотренной ниже противоточной установкой.

В схеме противоточной выпарной установки (рис. 4-14,б) слабый раствор подается в последний корпус, а в последующие при помощи насосов, установленных между аппаратами, и проходит последовательно через все корпуса к первому. Противоточные установки применяются для выпаривания вязких растворов, которые в условиях прямоточного выпаривания в последних корпусах (т. е. при низких температурах и высоких концентрациях раствора) становятся настолько вязкими, что плохо продвигаются по трубопроводам. При этом в последних корпусах неминуемо значительное понижение коэффициентов теплопередачи. Применением противоточной схемы, при которой с повышением концентрации раствора повышается его температура, достигается усиление теплообмена.

Выпарные установки с параллельным питанием раствором (рис. 4-14,в) применяются при выпарке кристаллизующихся (насыщенных) растворов, в которых удаление небольших количеств воды из раствора вызывает выпадение кристаллов. Если такие растворы упаривать в прямоточной или противоточной по раствору установке, то интенсивно образующиеся при выпаривании кристаллы неизбежно будут попадать в трубопроводы и арматуру, забивать их, даже если будут предусмотрены специальные камеры-солеотделители для осаждения кристаллов. Вообще же при любой схеме, если возможно хотя бы незначительное образование кристаллов, применяются конструкции выпарных аппаратов с солеотделителями, имеющими внизу фильтрующую сетку.

ДИСТИЛЛЯЦИОННЫЕ И РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

 Дистилляция и ректификация, называемые часто перегонкой, пред­ставляют собой такой термический процесс разделения жидких смесей на их составные части, в котором из кипящей смеси выделяются пары, содержащие те же компоненты, но в другой пропорции. Обычно в парах процент содержания легкокипящих компонентов, имеющих более низкую температуру кипения при данном давлении, больше, чем в самой жилкой смеси. Дистилляцией называют перегонку смеси с полной конденсацией полученных паров, а ректификацией — перегонку одной и той же смеси с многократными частичными конденсацией и сепарацией паров.

Дистилляционные и ректификационные установки получили широкое применение в пищевой, нефтяной, химической и ряде других отраслей промышленности.

Путем перегонки смесей выделяют, например, в чистом или концентрированном виде следующие продукты: этиловый спирт, бензол, уксусную кислоту, газы при крекинге, продукты переработки нефти — хлоропрен, нитротолуол, продукты хлорирования бензола, анилиновую воду, аммиак и многие другие промежуточные продукты и отходы различных производств. При перегонке могут разделяться как многокомпонентные, так и бинарные (состоящие из двух компонентов) смеси. В настоящем курсе рассматривается перегонка только бинарных смесей.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ

При изучении процессов дистилляции и ректификации бинарные смеси можно разделить на три класса: смеси с практически взаимно нерастворимыми компонентами, смеси с компонентами, полностью раство­римыми один в другом, и смеси с частично растворимыми компонентами.

Смеси со взаимно нерастворимыми компонентами (взаимно нерастворимые смеси). Примерами практически взаимно нерастворимых жидкостей могут служить ртуть и вода или вода и бензол.

Для кипящей смеси из взаимно нерастворимых компонентов применим закон Дальтона, согласно которому парциальное давление пара каждого компонента в паровой смеси равно давлению насыщенного пара чистого компонента при температуре кипящей смеси.

Рассмотрим смесь воды и бензола. Как известно, вода при давлении 1,013 · 105 Па (760 мм рт. ст.) кипит при 100°С, а бензол — при 80,4°С. Зависимость температуры кипения воды от давления характеризуется кривой А на рис. 5-1,а, а температура кипения бензола — кривой В. Складывая ординаты кривых А и В, находим суммарную кривую С.

Так как согласно закону Дальтона давление паровой или газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов, то кривая С показывает зависимость между давлением и температурой кипящей смеси бензол — вода. Пересечение кривой С с горизонталью, соответствующей 1,013 · 105 Па (760 мм рт. ст.), показывает, что при этом давлении смесь кипит при температуре около 70°С, а также что парциальное давление паров воды в паровой смеси равно 0,3 · 10⁵ Па (225 мм рт. ст.), а паров бензола 0,71 · 10⁵ Па (535 мм рт. ст.) независимо от содержания воды и бензола в жидкой смеси.

Таким образом, смесь из двух взаимно нерастворимых жидкостей закипает при температуре более низкой, чем температура кипения легкокипящей жидкости, входящей в смесь.

Пользуясь этим свойством, в технике применяют дистилляцию не­которых жидкостей с водяным паром. Как и перегонка под вакуумом, такой способ особенно пригоден для дистилляции жидкостей, точка кипения которых при атмосферном давления настолько высока, что они при температуре кипения разлагаются.

Понижение температуры кипения жидкостей при перегонке с водяным паром при атмосферном давлении

Название вещества	Температура кипения, 0С		Содержание отгоняемого вещества а паре, %
	чистого вещества	Вещества с водяным паром
Анилин…………… Бензол……………. Нафталин………… Нитробензол…….. Ртуть……………...	189,9 80,4 128,0 208,3 356,8	98,4 69,2 99,3 99,3 100	23,1 91,1 14,4 25,0 0,4

Температура кипения смеси со взаимно нерастворимыми компонентами постоянна и не зависит от содержания компонентов в жидкой смеси. И только в тот момент, когда один компонент выкипит полностью, она делает скачок и становится равной температуре кипения оставшегося компонента. Содержание компонента в паровой фазе остается постоянным и то же не зависит от соотношения их в жидкой фазе до того момента, пока один компонент не выкипит полностью.

На рис. 5-1,б изображен график для бинарной смеси со взаимно нерастворимыми компонентами. Зависимость содержания легкокипящего компонента (бензола) в парах от содержания его в жидкости изобра­жается прямой bс. Пересечение этой прямой в точке а с диагональю Od соответствует равновесному состоянию, когда содержание по весу легкокипящего компонента (бензола) в парах и жидкой фазе одинаково. Точка а называется азеотропической точкой, а жидкая смесь, соответствующая этому состоянию, — азеотропической смесью.

Азеотропические смеси характеризуются тем, что ни один компонент их не может быть выделен перегонкой в чистом виде, так как состав паров и жидкой смеси совершенно одинаков. Если летучего компонента в первоначальной жидкой смеси больше, чем в азеотропической смеси (точка А на рис. 5-1,б), то после некоторой перегонки, во время которой из жидкости удаляются пары с составом азеотропической смеси (точка А смещается вправо), остается жидкий остаток из чистого летучего компонента (бензола в данном случае). Наоборот, если летучего компонента в первоначальной жидкой смеси меньше, чем в азеотропической смеси (точка В на рис. 5-1,б). то при перегонке точка В смещается влево и в жидкости остается нелетучий компонент (вода).

Бинарные смеси (растворы) со взаимнорастворимыми компонентами. Растворы из полностью растворимых друг в друге жидкостей делятся на подчиняющиеся закону Рауля (идеальные) и имеющие, как это будет показано ниже, положительное или отрицатель­ное отклонение от закона Рауля (растворы с минимальной и максимальной температурами кипения).

Закон Рауля гласит, что парциальное давление пара каждого компонента в паровой смеси над кипящей при какой-либо температуре жидкой смесью равно давлению насыщенного пара этого компонента, кипящего в чистом виде при той же температуре, умноженному на молекулярную долю этого компонента в жидкой смеси.

Математически закон Рауля можно выразить в виде

(5-5)

где р_а — парциальное давление пара компонента а над кипящей смесью; x_а—молекулярная доля этого компонента в жидкой смеси; Р_а — давление насыщенного пара компонента а при температуре кипения смеси.

Аналогичное уравнение для компонента b

(5-5а)

Если P обозначает суммарное давление, то

(5-6)

Обозначим через уа молекулярную долю компонента а в парах или паровой фазе; поскольку в соответствии с уравнениями (5-3) и (5-4) величина равна отношению парциального давления компонента а к сум­марному давлению, можно написать:

(5-7)

Уравнение (5-7) может быть выражено в виде

(5-7а)

Если > , т. е. а является летучим компонентом смеси,

то

или

В этом случае у/х>1 или у>х, т. е. содержание летучего компонента в парах всегда больше содержания его в жидкости.

Если же < . т. е. а является нелетучим компонентом,

то

т. е. содержание нелетучего компонента в парах всегда меньше, чем в жидкой смеси.

На рис. 5-2,а представлен графически закон Рауля для бинарной смеси. По оси ординат отложены упругости паров, а по оси абсцисс — состав смеси в моль-процентах. Начало координат соответствует содержанию в смеси 100 моль-процентов вещества В (нелетучего компонента) и, следовательно, нулю моль-процентов вещества А. Конечная точка оси абсцисс соответствует 100 моль-процентам летучего компонента А.

Из формул (5-5) и (5-5а) следует, что парциальные давления паров обоих компонентов изображаются прямыми линиями. Суммарное давление тоже изображается прямой, проведенной через конечные точки прямых А и В.

Таким образом, при смешении двух жидкостей, химически не дей­ствующих друг на друга и дающих однородный раствор, суммарное давление паров при изменении состава раствора изменяется монотонно по прямолинейному закону от величины упругости пара одной жидкости, кипящей в чистом виде при той же температуре, до величины упругости пара второй жидкости в тех же условиях.

Графическое изображение связи между температурой кипения жидкой смеси, составом жидкости и составом получающихся паров при заданном давлении, называемое диаграммой кипения и конденсации или фазовой диаграммой, приведено на рис. 5-2,б. По оси ординат этого графика отложена температура смеси, а по оси абсцисс — молекулярные доли компонентов в жидкой и паровой фазах. Зависимость между температурой кипения жидкой смеси и ее составом изображается нижней линией, называемой кривой кипения или кипящей жидкости. Состав по­лучающихся паров в зависимости от температуры кипения изображается верхней пунктирной кривой.

Эту кривую называют линией сухого пара. Так как она является и началом его конденсации, то ее называют также линией конденсации. Из диаграммы ясно, что содержание легкокипящего компонента в парах больше, чем в жидкости (у>х). Точки Е и С соответствуют температурам кипения чистых компонентов при заданном давлении.

Кривая равновесия для бинарной смеси (рис. 5-2,в) иллюстрирует зависимость состава пара от состава жидкой смеси. Состав смеси обычно характеризуется содержанием в ней летучего компонента, поэтому по оси абсцисс откладывается содержание летучего компонента в жидкости х, а по оси ординат — в парах у. Величины х и у обычно выражаются или в моль-процентах, или в весовых процентах.

Кривая равновесия может быть построена по кривым кипения и конденсации, если по оси абсцисс откладывать абсциссы кривой кипения, а по оси ординат — соответствующие той же температуре абсциссы кри­вой конденсации сухого пара. Эту же диаграмму можно построить, вычислив х и у по уравнениям (5-8) и (5-8а).

Согласно уравнению (5-7а) для более летучего компонента у всегда больше х, поэтому кривая равновесия смеси взаимно растворимых жидкостей располагается над диагональю квадрата, построенного на сто­ронах х = 100 моль-процентам и y = 100 моль-процентам. Отсюда следует, что для растворов, подчиняющихся закону Рауля, азеотропической точки не существует.

ДИСТИЛЛЯЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ 

Основные процессы в дистилляционных установках. Процессы, происходящие в дистилляционных и ректификационных установках, наиболее ясно можно представить себе и понять при рассмотрении их на t-x диаграммах.

Дистилляция может проводиться в установках непрерывного и периодического действия.

На рис. 5-4 представлена схема двухступенчатой дистилляционной установки непрерывного действия. Бинарная взаимно растворимая смесь поступает в подогреватель 1 с параметрами, соответствующими точке A, и подогревается до состояния кипения, соответствующего точке В.

В дистилляционном аппарате 2 получаются пары смеси, соответствующие точке С (см. t-x-диаграмму). Далее пары с концентрацией x₂ поступают в конденсатор 3. Конденсация паров бинарной смеси протекает при х₂ = const с понижением температуры ее от t₁ до t₂. Далее перегнанный ди­стиллят поступает во вторую ступень — дистилляционный аппарат 4, где получаются еще более концентрированные пары (х₃>х₂);из аппарата второй ступени 4 пары поступают в дефлегматор 5. В дефлегматоре происходит частичная конденсация паров (линия EF) и получается влажный пар, соответствующий точке F. Он является смесью сухого пара с концентрацией, соответствующей точке L, и жидкости с концентрацией, соответствующей точке К.

Доля пара в смеси соответствует отрезку FK, а доля жидкости — отрезку FL. Затем влажный пар поступает в сепаратор 6, в котором от него отделяется жидкость. Жидкость с концентрацией x₄<x₃ поступает в дистилляционный бак 8, а пары с концентрацией x₅>x₃ направляются в конденсатор 7, где превращаются в дистиллят, который поступает в бак готового продукта 9. Необходимо отметить, что при дефлегмации и последующей сепарации смеси паров достигается более высокая концентрация, но получается меньшее количество продукта, чем при простой конденсации.

На рис. 5-5 показана промышленная установка небольшой производительности для простой дистилляции. Она предназначена для перегонки смесей с высокой температурой кипения, вследствие чего перегонный куб 1 обогревается топочными газами. При низких температурах кипения куб снабжается паровым змеевиком.

РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Процессы в ректификационных установках и изображение их в диаграммах. Практическое осуществление многократной дистилляции и дефлегмации (частичной конденсации путем поверхностного охлаждения (см. рис. 5-4) требует большого числа громоздких, неэкономичных аппаратов. Поэтому на практике применяют принцип многократной частичной конденсации и сепарации путем рек­тификации, т. е. многократного тепло- и массообмена без ограничительной стенки, в одном аппарате, ректификационной колонне.

Н а рис. 5-8 показаны схемы и процессы тепло- и массообмена на t-x-диаграмме в упрощенной ректификационной колонне с тремя тарелками, которые имеют по одному колпачку (в действующих колоннах иногда устанавливают более 300 колпачков на тарелке). Иногда вместо тарелок колонна имеет сита или заполняется насадкой из колец Рашига.

Рассмотрим по рис. 5-8 совместно принцип работы ректификационной установки и происходящие в ней процессы тепло- и массообмена. В перегонном кубе I за счет подвода тепла происходит испарение бинарной смеси.

Пары смеси поднимаются в ректификационной колонне, а навстречу им из дефлегматора III стекает некоторая часть дистиллята, которая носит название флегмы. Пары на выходе из ректификационной колонны II с параметрами точки 8 (на t-x-диаграмме) поступают в дефлегматор III, в котором они частично конденсируются за счет отдачи тепла подаваемой в него воде (процесс идет по линии 8-c₁). Парожидкостная эмульсия с параметрами, соответствующими точке c₁ поступает в сепаратор IV; в нем происходит отделение пара с параметрами точки 10 от жидкости (флегмы), параметры которой определяются точкой 9. Отсепарированный пар поступает в конденсатор V, где он полностью конденсируется до состояния точки 11 и в виде готового продукта (ректификата) поступает в сборный бак VI.

Процесс тепло- и массообмена на верхней тарелке протекает в сле­дующем порядке: жидкость (флегма), получающаяся в сепараторе IV, с параметрами точки 9 вступает в контакт с парами состояния точки б, поступающими с предшествующей по ходу пара нижней тарелки; при этом происходит частичная конденсация паров до состояния с₂ и последующая их сепарация, в результате которой образуются пар состояния 8 и флегма состояния 7. Эта флегма по опускной трубе сливается на ниж­нюю тарелку и вступает в контакт с парами состояния 4. После сепарации образуются флегма состояния 5 и пары состояния 6 и т. д. Надежное контактирование флегмы с парами осуществляется благодаря наличию на тарелках колпачков с прорезями в виде зубцов на нижней кромке, через которые проходят пузырьки пара при движении их с нижней тарелки на верхнюю.

Таким образом, ректификация представляет собой процессы тепло- и массообмена при непосредственном смешении жидкой смеси (флегмы) с парами при их многократной частичной конденсации и сепарации. В процессе ректификации флегма, опускаясь и вступая в тепло- и массообмен с парами, поднимающимися по колонне, испаряется за счет тепла конденсации паров и при этом обедняется легкокипящим компонентом, но обогащается высококипящим компонентом за счет частичной конденсации паров; пары же, наоборот, поднимаясь, обогащаются легкокипящим компонентом за счет испарения его из флегмы и обедняются высококипящим компонентом. В результате такого массообмена возможна глубокая разгонка бинарных и многокомпонентных смесей.

Классификация и схемы ректификационных установок. Ректификационные установки разделяются на действующие периодически и непрерывно. В периодически действующих установках в перегонный куб заливают смесь с некоторой средней концентрацией летучего компонента. После отгонки части летучего компонента жидкость, содержащую в основном тяжелый компонент, сливают из куба и заполняют последний вновь первоначальной смесью.

На рис. 5-9,а представлены схемы ректификационной установки периодического действия;

СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Сушкой называется термический процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащейся в них влаги путем ее испарения. Этим сушка отличается от других методов удаления влаги, например, путем поглощения ее химическими реагентами или механического отделения.

Изделия или материалы приходится сушить в зависимости от их назначений для разных целей. Твердое топливо, например, подсушивают для повышения теплоты сгорания, улучшения процесса горения, древесину — для увеличения прочности, предохранения от гниения и плесени. различные другие изделия — для облегчения обработки, увеличения долговечности, предотвращения сжатия, искривления и растрескивания.

Ряд материалов подвергается сушке для уменьшения их веса и тем самым удешевления транспортировки, изменения физических свойств (например, уменьшения теплопроводности). Перечень материалов, подвергающихся в процессе их обработки также и сушке, чрезвычайно велик. Глубина обезвоживания материала в каждом отдельном случае определяется многими причинами. В некоторых случаях перед сушкой материалов целесообразно предварительное обезвоживание их механическим или физико-химическим способом. Механическое обезвоживание (отжатие и отсасывание влаги, центрифугирование, фильтрование) широко применяется, например, в текстильной промышленности, для чего в технологический процесс включаются специальные аппараты— прессы, центрифуги, вакуум-фильтры.

Механическое обезвоживание материалов более экономично, чем тепловая сушка, однако оно применимо только для материалов, допускающих деформацию (торфяная масса, текстиль, шерсть и т. п.). При этом одно механическое обезвоживание материала в большинстве случаев является недостаточным, так как оно обеспечивает только частичное удаление свободной влаги (до 40—60%). Поэтому часто комбинируют различные способы удаления влаги, например в текстильной промышленности после механического обезвоживания, а в химической после выпаривания применяют сушку материалов, достоинством которой является возможность получения материала с любой конечной влажностью.

Сушку материалов можно производить естественным и искусственным путями. Естественная сушка обычно производится на открытом воздухе, под навесами или в специальных сараях и представляет собой процесс, при котором сушильный агент (воздух), поглотивший пары влаги, отводится из зоны сушимого материала без искусственных мероприятии. Она производится за счет тепла наружного воздуха и применяется при массовой обработке дешевых влажных материалов, например глины, песка, торфа, дров, пиломатериалов, сена и т. п., и имеет еще значительное применение в народном хозяйстве.

Недостатками естественной сушки по сравнению с искусственной (в сушильных установках) являются большая продолжительность, зависимость ее от времени года и состояния наружного воздуха, необходимость большой территории для размещения материала. На лесозаводах биржи для сушки леса занимают по нескольку квадратных километров; еще большие площади занимаются штабелями торфа на торфоразработках и полями разлива при гидравлическом способе добычи его. При естественной сушке материал можно высушить только до влажности, близкой к равновесной, соответствующей параметрам окружающего воздуха и в ряде случаев недостаточной для последующей технологической обработки материалов.

Несмотря на кажущуюся простоту и дешевизну, естественная сушка в производственных масштабах оказывается достаточно дорогой. Например, естественная сушка лесоматериалов на биржах иногда незначитель­но отличается по стоимости от искусственной сушки таких же материалов в сушилках.

Искусственная сушка материалов производится в специальных устройствах — сушилках, в которых сушильный агент, поглотивший пары влаги, отводится искусственным способом: при помощи вентиляторов, инжекторов, вытяжных труб и других устройств. Искусственная сушка в большинстве случаев осуществляется горячим воздухом.

Механизм сушки влажных материалов определяется в основном формой связи влаги с материалом и режимом сушки. В основу класси­фикации формы связи влаги с материалом в настоящее время принята схема, предложенная П. А. Ребиндером. Ее особенностью является то, что при рассмотрении форм связи влаги с материалом определяющим является величина энергии связи, т. е. классификация осуществляется по свободной энергии обезвоживания. Согласно этой схеме различают:

а) химическую связь (связь в точных количественных соотношениях);

б) физико-химическую связь (связь в различных, не строго определен­ных соотношениях) и в) физико-механическую связь (удержание воды в неопределенных соотношениях). Физико-химическая связь делится на адсорбционную и осмотическую; к последней можно отнести и структурную влагу. Физико-механическая связь может быть разделена на связь в макрокапиллярах (капилляры с радиусом больше 10^-5 см) и связь в микрокапиллярах (капилляры с радиусом меньше 10-5 см).

При сушке удаляется влага, связанная с материалом физико-механически и физико-химически. Химически связанная влага обычно не удаляется, так как это привело бы к разрушению материала, а задачей сушки в большинстве случаев является удаление влаги из материала с сохранением всех его ценных физико-химических свойств и качеств. В процессе сушки влага перемещается из внутренних слоев к поверхности материала и с нее испаряется в окружающую среду (воздух или другой сушильный агент).

В первый период сушки влажных материалов испарение влаги сего поверхности происходит так же, как со свободной поверхности воды, в подчиняется тем же законам.

Интенсивность испарения жидкости со свободной поверхности при стационарном режиме. приближенно* можно определить по формуле Дальтона

, кг/(м² · с) (6-1)

где W — количество испаренной жидкости, кг; F — поверхность испарения, м²;

— коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений, кг влаги/(м² · с · Па);

  — парциальное давление диффундирующего вещества над жидкой (твердой поверхностью), Па;

— парциальное давление этого же компонента вдали от поверхности раздела фаз, Па; — время, с.

П ри длительном пребывании материала в воздухе с постоянными параметрами с влажностью, достаточной для того, чтобы процессы сорбции за­кончились полностью, в материале устанавливается такая влажность, при которой давление водяного пара над материалом находится в равновесии с парциальным давлением водяного пара в окружающем воздухе; такая влажность материала называется равновесной влажностью w_P. Равновесная влажность материала является функцией относительной влажности и температуры воздуха.

Точка перехода от постоянной скорости сушки к падающей (точка С на рис. 6-1) называется критической; она соответствует началу удаления из материала связанной или гигроскопической влаги. Соответствующая этой точке влажность называется критической влажностью материала w_КР.

Критическая влажность больше гигроскопической, так как при сушке материала влажность внутренних слоев больше, чем на его поверхно­сти. Значение критической влажности тем меньше отличается от значения гигроскопической влажности, чем меньше разница во влажности на поверхности и внутри материала. Поэтому критическая влажность зависит от толщины материала и режима сушки (скорости и параметров сушильного агента).

Cушка материалов продуктами сгорания (дымовыми и топочными газами)

Конвективные сушилки, работающие на смеси продуктов сгорания с воздухом, получили в настоящее время большое распространение.

Расчет этих сушилок ведут на 1 кг сухих газов с тем, чтобы можно было для инженерных расчетов пользоваться h-d-диаграммой для воздуха, построенной для высоких температур.

 

Для построения процесса на h-d-диаграмме находят значения энтальпии h и влагосодержания d продуктов сгорания. Влагосодержание

г на 1 кг сухих газов. (6-40)

Количество сухих газов на 1 кг сжигаемого твердого или жидкого топлива

кг на 1 кг топлива (6-41а)

где а — коэффициент избытка воздуха; А^р, Н^р и W^p — процентные содержания золы, водорода и влаги на рабочую массу топлива.

 Для сухого газообразного топлива

(6-41б)

где m — знак при С и n — знак при Н, а С_mН_n — составляющие газооб­разного топлива, % от массы.

К оличество водяных паров при сжигании твердого или жидкого топлива

(6-42a)

где W — количество водяного пара, применяемого для дутья или распиливания топлива.

Для сухого газообразного топлива

(6-42б)

Энтальпия смеси продуктов сгорания с воздухом, входящей в сушилку

 

, кДж на 1 кг сухих газов, (6-43)

г де — высшая теплота сгорания топлива на рабочую массу, кДж/кг;

—к. п. д. топки; — теплоемкость, кДж/(кг · °С), и температура, °С. топлива; а — коэффициент избытка воздуха в топке;

L₀ — теоретическое количество сухого воздуха, необходимое для сжигания топлива, кг/кг топлива; h₀ — энтальпия воздуха, кДж на 1 кг воздуха.

Теоретическое количество абсолютно сухого воздуха, необходимое для сжигания 1 кг твердого или жидкого топлива,

, кг на 1 кг топлива, (6-44а)

г де величины элементарного состава С^Р, Н^р, О^p и должны быть вы­ражены в процентах на рабочую массу топлива. Для сухого газообразного топлива

кг на 1 кг газообразного топлива