Глава 17. Сушка

17.1. Общие сведения

Процесс удаления жидкости из твердых или пастообразных материалов путем ее испарения называется сушкой. Под влагой понимают находящиеся в материале, как правило, в жидком состоянии компоненты. Необходимость частичного или полного удаления влаги из высушиваемых материалов диктуется различными причинами: сохранение свойств материалов при длительном хранении, удешевление их транспорта, условия их дальнейшей переработки и т.п. При большом начальном содержании влаги частичное ее удаление возможно механическим путем (отжимом, фильтрованием, центрифугированием и т.д.), однако при этом не может быть достигнуто достаточно полное удаление влаги. Более полное удаление влаги достигается только путем сушки. Сушка является сложным процессом, скорость которого определяется скоростью переноса влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Как уже отмечалось, сушку можно рассматривать как процесс обратный адсорбции. Если в процессе адсорбции теплота выделяется, то процессе сушки поглощается. Для интенсификации сушки за счет увеличения коэффициента и движущей силы массопередачи при возрастании температуры или, по крайней мере, поддержании ее постоянной высушиваемому материалу необходимо сообщать определенное количество теплоты. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

- конвективная сушка путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, являющимся одновременно тепло- и влагоносителем (подводит тепло и отводит влагу). В качестве сушильного агента обычно используют нагретый воздух или топочные газы (часто в смеси с воздухом);

- контактная сушка путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

- радиационная сушка путем передачи тепла излучением;

- диэлектрическая сушка путем нагревания материала-диэлектрика в переменном электрическом поле высокой частоты;

- сублимационная сушка в этом случае влага из замороженного материала переходит в парообразное состояние, минуя жидкое (сублимирует). Процесс осуществляется в глубоком вакууме.

Последние три вида сушки относят к специальным. Наиболее широко распространена в промышленности конвективная сушка. Высушиваемый материал при этом находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев с воздухом). Поэтому для дальнейшего изучения процесса сушки остановимся на рассмотрении свойств влажного газа на примере влажного воздуха, где влагой является вода (водяной пар).

17.2. Основные параметры влажного воздуха, диаграмма

Влажный воздух является смесью сухого воздуха и водяного пара и характеризуется следующими основными параметрами: давлением и температурой, абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией.

Поскольку влажный воздух является смесью его абсолютно сухой части и содержащихся в ней водяных паров, то по закону Дальтона следует:

, (17.1)

где р полное давление влажного воздуха,p_с.в., p_п парциальные давления абсолютно сухого воздуха и водяного пара.Абсолютная влажность воздуха определяется количеством водяного пара в кг, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Водяной пар, как компонент влажного воздуха, находясь под парциальным давлением p_п, занимает весь объем смеси (1 м³). Поэтому абсолютная влажность равна массе 1 м³ пара, или плотности водяного пара (кг/м³) при температуре воздуха и давлении равном парциальному давлениию p_п.

Относительной влажностью воздуха называется отношение абсолютной влажностипри данных условиях (температуре и общем давлении) к максимально возможной_н (плотности насыщенного пара) при тех же условиях:

. (17.2)

С достаточной для технических расчетов точностью можно считать, что влажный воздух подчиняется законам идеальных газов, тогда из уравнения состояния идеальных газов следует, что

и , (17.3)

где T абсолютная температура,К; мольная масса водяного пара;R универсальная газовая постоянная; p_н давление насыщенного водяного пара при данной температуре. Подставляя значенияив выражение (17.2), получаем

. (17.2а)

Влагосодержанием воздуха х называется отношение массы водяного пара (кг), содержащейся во влажном воздухе, приходящейся на 1 кг абсолютно сухого воздуха:

(17.4)

где М_п и М_с.в. масса водяного пара и масса сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха;плотность абсолютно сухого воздуха.

Учитывая, что

и

имеем

,

где мольная масса сухого воздуха, равная 29 кг/кмоль, =18 кг/кмоль.

Поскольку

и из уравнения (17.2а)

получаем

. (17.5)

Если воздух насыщен водяными парами (=1), то

. (17.5а)

Энтальпия влажного воздуха, отнесенная к 1 кг абсолютно сухого воздуха находится как сумма энтальпий сухого воздуха и пара

, Дж/кг, (17.6)

где с_с.в. средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, Дж/(кгК);энтальпия водяного пара, Дж/кг;Т температура воздуха, К. Следует иметь в виду, что за нулевую точку отсчета энтальпии принимают энтальпию жидкости (воды) или газа (сухого воздуха) при температуре 0С (273 К). Водяной пар в смеси с воздухом при отсутствии насыщения находится в перегретом состоянии.

Энтальпия водяного пара при 273 К равняется удельной теплоте парообразования r₀ = 249310³ Дж/кг, средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара с_п = 1,9710³ Дж/(кгК), сухого воздуха с_с.в. = 10³ Дж/(кгК). Энтальпия перегретого пара будет равна

, Дж/кг (17.7)

Подставляя значения ис_с.в. в уравнение (17.6), получаем (в Дж/кг сухого воздуха)

, Дж/кг (17.8)

Основные параметры влажного воздуха для технических расчетов можно определять по косоугольной диаграмме Л.К. Рамзина (рис. 17.1), которая построена для постоянного давления р = 745 мм.рт.ст. (около 99 кПа) (среднегодовое давление для центральных районов России).

На диаграмме нанесены: 1) вертикальные линии постоянного влагосодержания (x=const); 2) линии постоянной энтальпии (=const) под углом 135° к оси абсцисс; 3) линии постоянных температур или изотермы (Т=const); 4) линии постоянной относительной влажности (=const); 5) линии парциальных давлений водяного параp_п во влажном воздухе, значения которых отложены на правой вертикальной оси диаграммы; 6) на некоторых диаграммах наносятся и линии постоянных температур мокрого термометра (Т_м=const, подробнее рассматривается в следующем разделе).

Линия =100% соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней рабочую площадь диаграммы, отвечающую ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента.

На диаграмме по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все остальные параметры. Например, задавшись температурой 40°С и относительной влажностью 90% получим точку А пересечения соответствующих линий (рис. 17.1). Влагосодержание определим опуская перпендикуляр на ось абсцисс. Энтальпиюнайдем поведя из точкиА прямую параллельную линиям =const до пересечения с осью ординат. Для определения парциального давления водяного парапроведем вертикаль до пересечения со вспомогательной наклонной линиейp_п, а из точки пересечения горизонталь до правой вертикальной оси.

Рис. 17.1. диаграмма влажного воздуха

Для более точного определения параметров влажного воздуха, особенно если давление отличается от 745 мм.рт.ст., можно использовать соотношения приведенные в разделе 17.2.