Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

+++!ЭКЗАМЕН ПАХТ

.docx
Скачиваний:
2
Добавлен:
06.04.2025
Размер:
591.87 Кб
Скачать

Y

Элементарные виды переноса массы. Уравнение конвективно- диффузионного переноса. 3

Уравнение массоотдачи. Критерии массообменного подобия. 3

Уравнение массопередачи. Движущая сила процесса массопередачи 3

Расчет насадочных массообменных аппаратов. Материальный баланс. Необходимая высота слоя насадки, число единиц переноса. Высота единицы переноса. Диаметр колонны. 5

Расчет тарельчатых массообменных аппаратов. Ступень изменения концентрации (теоретическая тарелка). Степень обогащения тарелки (КПД). 7

Материальный баланс абсорбционного аппарата. Минимальное орошение. Схема абсорбционно-десорбционной установки 7

Равновесные свойства смесей жидкостей. Диаграммы состояния смесей жидкостей и паров. Простая перегонка. 9

Непрерывная ректификация. Материальный и тепловой балансы. Уравнения рабочих линий. Графическое изображение. Минимальное флегмовое число. 9

Влияние флегмового числа на необходимое число тарелок. Минимальное флегмовое число. Тепловой баланс ректификационной установки. 12

Материальные балансы жидкостной экстракции. Смесительно- отстойная ступень экстракции. 12

Растворение и экстрагирование из твердых материалов. Конструкции аппаратов. 14

Кристаллизация. Материальный и тепловой балансы. Изогидрическая и изотермическая кристаллизация. Конструкции кристаллизаторов. 14

Статика и кинетика адсорбции. Периодическая адсорбция неподвижным слоем адсорбента. Адсорбционно- десорбционная аппаратура. 16

Параметры влажного воздуха. Диаграмма состояния (Рамзина). Температуры точки росы и мокрого термометра. Потенциал сушки сушильного агента. 16

Материальный и тепловой балансы конвективной сушки. Удельные расходы воздуха и теплоты. Термический КПД. Теоретическая сушилка. 18

Основные варианты процессов конвективной сушки и их изображение в диаграмме Рамзина. 18

Экспериментальная кинетика сушки. Кривые сушки и скорости сушки. Периоды постоянной и убывающей скорости. 20

Конструкции конвективных, контактных сушилок для крупных дисперсных, пастообразных и жидких материалов. Инфракрасная и диэлектрическая сушка. 20

Элементарные виды переноса массы. Уравнение конвективно- диффузионного переноса.

Элементарными видами переноса массы являются диффузия и конвективный массоперенос.

Диффузия может происходить как в неподвижной, так и в движущейся среде-носителе. Причиной диффузионного потока компонента является наличие градиента его концентрации. 

Конвективный перенос осуществляется перемещением макрочастиц (перенос потоком). Конвективный перенос происходит значительно быстрее диффузионного. 

Уравнение конвективно-диффузионного переноса описывает распределение концентраций в движущейся жидкости с учётом принятых допущений. 

 уравнение конвективно- диффузионного переноса компонента в однофазном ламинарном потоке:

в компактной векторной форме:

Дифференциальное уравнение получено для ламинарного течения среды-носителя, но уравнение остается справедливым и для турбулентного режима течения среды. Это происходит потому, что закон сохранения массы компонента остается тем же самым. Также сохраняется форма записи закона конвективного и турбулентного переносов.

Уравнение массоотдачи. Критерии массообменного подобия.

Уравнение массоотдачи для стационарного процесса в дифференциальной форме записывается так:

Критерии массообменного подобия:

  • Диффузионный критерий Нуссельта характеризует отношение общей интенсивности массоотдачи к интенсивности переноса вещества молекулярной диффузией в пограничном слое фазы. 

  • Диффузионный критерий Фурье характеризует подобие нестационарных процессов массообмена. 

  • Диффузионный критерий Пекле отражает отношение интенсивности переноса вещества за счёт конвекции к интенсивности его переноса за счёт молекулярной диффузии при конвективном массообмене. 

  • Диффузионный критерий Прандтля отражает подобие физических констант веществ при массообмене. 

Уравнение массопередачи. Движущая сила процесса массопередачи

 

Движущая сила массопередачи — это разность рабочей и равновесных концентраций распределяемого вещества в отдающей фазе или разность равновесной и рабочей его концентраций в принимающей фазе. 

Расчет насадочных массообменных аппаратов. Материальный баланс. Необходимая высота слоя насадки, число единиц переноса. Высота единицы переноса. Диаметр колонны.

Материальный баланс составляется для каждого компонента в системе. Для бинарной смеси (например, компоненты A и B) материальный баланс может быть записан следующим образом:

Для жидкой фазы:

Для газовой фазы:

где:

  • L — расход жидкой фазы, кг/с или моль/с;

  • G — расход газовой фазы, кг/с или моль/с;

  • xA​ — концентрация компонента A в жидкой фазе на входе;

  • xA,вых​ — концентрация компонента A в жидкой фазе на выходе;

  • yA​ — концентрация компонента A в газовой фазе на входе;

  • yA,вых​ — концентрация компонента A в газовой фазе на выходе.

Число единиц переноса (N) определяется как мера трудности разделения компонентов. Для насадочных колонн оно рассчитывается по уравнению:

где:

  • yA — равновесная концентрация компонента A в газовой фазе, соответствующая концентрации xAxA​ в жидкой фазе.

Высота единицы переноса (H) — это высота слоя насадки, необходимая для достижения одной единицы переноса. Она зависит от гидродинамических условий, типа насадки и свойств фаз. Высота единицы переноса может быть определена экспериментально или рассчитана по эмпирическим корреляциям.

Диаметр колонны определяется исходя из допустимой скорости газа и расхода фаз. Для расчета диаметра используется уравнение:

Допустимая скорость газа зависит от типа насадки и гидродинамических условий. Обычно она выбирается в пределах 60-80% от скорости захлебывания.

Тип насадки (кольца Рашига, седла Берля, структурированные насадки и др.) влияет на эффективность массопереноса и гидравлическое сопротивление. Выбор насадки зависит от конкретных условий процесса и требований к аппарату.

Расчет насадочных массообменных аппаратов требует учета множества факторов, включая свойства фаз, тип насадки, гидродинамические условия и требования к разделению. Правильный выбор параметров позволяет обеспечить эффективную работу аппарата и достижение заданных технологических показателей.

Расчет тарельчатых массообменных аппаратов. Ступень изменения концентрации (теоретическая тарелка). Степень обогащения тарелки (КПД).

Расчёт тарельчатых массообменных аппаратов включает в себя определение числа теоретических тарелок (ступеней изменения концентрации) и эффективности работы каждой тарелки (КПД или степень обогащения тарелки).

Теоретическая тарелка — это идеальная ступень изменения концентрации, на которой происходит полное разделение фаз и достижение равновесия между ними. В реальных условиях на одной тарелке достигается лишь частичное изменение концентрации, поэтому вводится понятие КПД тарелки.

Степень обогащения тарелки (КПД) — это отношение действительного изменения концентрации на тарелке к максимально возможному (теоретическому). КПД тарелки обычно меньше единицы и зависит от многих факторов, таких как конструкция тарелки, физико-химические свойства системы, режим работы аппарата и т. д.

Для расчёта числа теоретических тарелок можно использовать метод графического построения рабочих линий и равновесных кривых на диаграмме состав пара — состав жидкости. Число теоретических тарелок определяется как количество ступеней, необходимых для достижения заданного изменения концентрации.

Расчёт числа теоретических тарелок (N) можно выполнить по формуле:

N = 16(tR/Wb)² = 5,545(tR/Wh)², где:

tR — время удерживания пика;

Wb — ширина пика на его полувысоте;

Wh — ширина пика у основания.

Число теоретических тарелок характеризует качество колонки.

Для определения числа действительных тарелок необходимо умножить число теоретических тарелок на обратную величину КПД тарелки:

Nд = Nт / η, где Nт — число теоретических тарелок, Nд — число действительных тарелок, η — коэффициент полезного действия тарелки.

КПД тарелки можно определить экспериментально или рассчитать по эмпирическим формулам, учитывающим влияние различных факторов на эффективность работы тарелки.

Также при расчёте тарельчатых массообменных аппаратов необходимо учитывать гидравлическое сопротивление тарелок, скорость пара и жидкости, диаметр колонны и другие параметры, которые влияют на эффективность и надёжность работы аппарата.

Материальный баланс абсорбционного аппарата. Минимальное орошение. Схема абсорбционно-десорбционной установки

Материальный баланс в абсорбционном аппарате отражает равенство между количеством поступающего и выходящего из системы вещества. Для абсорбционных процессов это означает учёт всех потоков, входящих в аппарат (газ, жидкость) и выходящих из него (абсорбент с растворённым газом, непрореагировавший газ).

Общий материальный баланс можно представить в виде:

Схема абсорбционно-десорбционной установки

Абсорбционно-десорбционная установка состоит из двух основных частей: абсорбера и десорбера.

  1. Абсорбер:

  • Газ, содержащий целевой компонент, поступает в абсорбер снизу вверх.

  • Абсорбент (жидкость) подаётся сверху вниз.

  • В абсорбере происходит контакт газа и жидкости, в результате чего целевой компонент переходит из газа в жидкость.

  • На выходе из абсорбера получается жидкость, насыщенная целевым компонентом, и газ с пониженной концентрацией этого компонента.

  1. Десорбер:

  • Жидкость, насыщенная целевым компонентом, поступает в десорбер.

  • В десорбере под воздействием тепла или снижения давления целевой компонент переходит из жидкости в газ.

  • На выходе из десорбера получается регенерированный абсорбент (жидкость с низкой концентрацией целевого компонента) и газ, насыщенный целевым компонентом.

Схема установки может включать дополнительные элементы, такие как насосы, теплообменники, сепараторы и т. д., в зависимости от конкретных требований процесса.

Ключевые отличия от ректификации

  1. Цель:

  • Абсорбция – извлечение компонента из газа;

  • Ректификация – разделение жидкой смеси.

  1. Рабочие линии:

  • В абсорбции линия выше равновесной (из-за направления массопереноса).

  1. Термодинамика:

  • В абсорбции часто используется внешний абсорбент, в ректификации – флегма.

Равновесные свойства смесей жидкостей. Диаграммы состояния смесей жидкостей и паров. Простая перегонка.

Равновесные свойства смесей жидкостей описывают состояние, при котором жидкости находятся в термодинамическом равновесии друг с другом и с окружающей средой. Эти свойства включают в себя такие параметры, как температура кипения, давление пара, состав пара и жидкости и другие характеристики, которые зависят от состава смеси и внешних условий.

Д иаграммы состояния смесей жидкостей и паров представляют собой графическое отображение зависимости между температурой, давлением и составом фаз в системе. Они позволяют определить, при каких условиях смесь будет находиться в жидком или парообразном состоянии, а также предсказать состав пара и жидкости при различных условиях.

На таких диаграммах обычно изображают две оси: по одной оси откладывают температуру, по другой — состав смеси (например, мольную долю одного из компонентов). Линии на диаграмме показывают границы между различными фазами (жидкость, пар) и указывают на условия, при которых происходит кипение или конденсация смеси.

Простая перегонка — это процесс разделения смесей жидкостей на компоненты на основе их различных температур кипения. В процессе простой перегонки смесь нагревают до температуры кипения, при которой более летучий компонент испаряется и затем конденсируется в холодильнике, отделяясь от менее летучего компонента.

Простая перегонка эффективна для разделения смесей, компоненты которых имеют значительно различающиеся температуры кипения. Однако она не всегда позволяет достичь высокой степени разделения, особенно если компоненты имеют близкие температуры кипения или образуют азеотропы (смеси с постоянной температурой кипения).

Процесс простой перегонки включает в себя следующие этапы:

1. Нагрев смеси до температуры кипения.

2. Испарение более летучего компонента.

3. Конденсация пара в холодильнике.

4. Сбор конденсата, который представляет собой более чистый компонент смеси.

Непрерывная ректификация. Материальный и тепловой балансы. Уравнения рабочих линий. Графическое изображение. Минимальное флегмовое число.

Непрерывная ректификация - Разделение жидких многокомпонентных смесей на фракции с разной летучестью в противоточном режиме.

1. Материальный баланс

Для колонны непрерывной ректификации:

  • Питание: F (моль/ч) с концентрацией xF​.

  • Дистиллят: D (моль/ч) с концентрацией xD​.

  • Кубовый остаток: W (моль/ч) с концентрацией xW​.

Уравнения материального баланса:

  1. Общий баланс:

  2. Баланс по легколетучему компоненту:

Тепловой баланс отражает равенство между количеством подводимой и отводимой теплоты в системе.

Уравнения рабочих линий описывают зависимость между концентрациями компонентов в паровой и жидкой фазах на тарелке колонны.

Графическое изображение рабочих линий и равновесных кривых на диаграмме позволяет определить число теоретических тарелок, необходимых для достижения заданного разделения. Число теоретических тарелок определяется как количество ступеней, необходимых для достижения заданного изменения концентрации.

Минимальное флегмовое число — это наименьшее значение флегмового числа, при котором возможно проведение процесса ректификации. Оно определяется исходя из равновесия между газовой и жидкой фазами и кинетических особенностей процесса. Минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле:

Влияние флегмового числа на необходимое число тарелок. Минимальное флегмовое число. Тепловой баланс ректификационной установки.

Флегмовое число — это отношение количества возвращаемой в колонну флегмы (конденсата) к количеству получаемого дистиллята. Оно оказывает значительное влияние на эффективность процесса ректификации и необходимое число тарелок (ступеней разделения) в колонне.

При увеличении флегмового числа количество возвращаемой флегмы возрастает, что приводит к улучшению разделения компонентов смеси. Это происходит потому, что большая масса жидкости обеспечивает более эффективное взаимодействие между жидкой и паровой фазами, способствуя более полному обмену компонентами. В результате для достижения заданного уровня разделения требуется меньшее число тарелок.

Выбор оптимального флегмового числа является компромиссом между эффективностью разделения и экономическими затратами.

Минимальное флегмовое число — это наименьшее значение флегмового числа, при котором возможно проведение процесса ректификации. Оно определяется исходя из равновесия между газовой и жидкой фазами и кинетических особенностей процесса.

Минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле:

Тепловой баланс ректификационной установки описывает соотношение между приходом и расходом тепла в процессе ректификации.  

Приход тепла происходит, например, с теплоносителем в кипятильнике, с исходной смесью и с флегмой.  

Расход тепла осуществляется с парами, поступающими из колонны в дефлегматор, и с кубовым остатком. Также учитываются потери тепла в окружающую среду.

Уравнение теплового баланса ректификационной колонны непрерывного действия можно записать так: Qкип + QF + QФ = QG + QW + Qп.  

В этом уравнении:

  • Qкип — расход теплоты в кубе, Дж/ч; 

  • QFQPQW — расходы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно; 

  • iFiPiW — удельные энтальпии исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно; 

  • I — удельная энтальпия пара, выходящего из колонны; 

  • cFcPcW — изобарные теплоёмкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно; 

  • TFTPTW — температуры исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно. 

Материальные балансы жидкостной экстракции. Смесительно- отстойная ступень экстракции.

Материальный баланс экстракции выражается общим для массообменных процессов уравнением. В случае частичной взаимной растворимости фаз оно имеет вид F + S = R + E, где:

  • FR — соответственно количества исходного раствора и полученного рафината, кг/с; 

  • SE — соответственно количества экстрагента и полученного экстракта, кг/с. 

Процесс экстракции включает три последовательные стадии:

  1. Смешение исходной смеси веществ с экстрагентом (диспергирование фаз).

  2. Механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз на экстракт (извлекающая фаза) и рафинат (исчерпываемая фаза). 

  3. Удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. 

Смеситель-отстойник обеспечивает одну стадию экстракции. Он состоит из первой ступени, на которой фазы смешиваются вместе, за которой следует стадия отстаивания в режиме покоя, позволяющая фазам разделяться самотеком.  

В многоступенчатом противоточном процессе устанавливаются несколько смесительных отстойников с камерами смешивания и отстаивания, расположенными на чередующихся концах каждой ступени. Выходные отверстия отстойных секций питают входные отверстия смесительных секций соседней ступени. 

Растворение и экстрагирование из твердых материалов. Конструкции аппаратов.

Растворение и экстрагирование из твёрдых материалов — это процессы извлечения ценных компонентов из твёрдых веществ с помощью растворителей. Они широко применяются в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.

1. Растворение — процесс перехода твёрдого вещества в раствор под действием растворителя. Эффективность растворения зависит от свойств твёрдого материала, растворителя и условий процесса (температура, давление, перемешивание).

2. Экстрагирование — процесс извлечения одного или нескольких компонентов из твёрдой смеси с помощью растворителя. В отличие от растворения, экстрагирование предполагает наличие нескольких компонентов в твёрдом материале, из которых извлекается только один или несколько.

Аппараты для растворения и экстрагирования из твёрдых материалов могут иметь различные конструкции в зависимости от специфики процесса и требований производства. Основные типы аппаратов:

1. Смесительные ёмкости с мешалками:

- Представляют собой ёмкости, в которых твёрдое вещество и растворитель смешиваются с помощью мешалки.

- Подходят для процессов, где необходимо интенсивное перемешивание для ускорения растворения или экстрагирования.

2. Печь-экстрактор:

- Используется для экстрагирования компонентов из твёрдых материалов при высоких температурах.

- Применяется в процессах, где требуется нагрев для повышения эффективности экстрагирования.

3. Дисковые экстраторы:

- Состоят из вращающихся дисков, на которые подаётся твёрдое вещество и растворитель.

- Обеспечивают эффективное контактирование фаз и высокую скорость экстрагирования.

4. Совершенные вытеснители:

- Представляют собой аппараты, в которых твёрдое вещество и растворитель движутся навстречу друг другу.

- Позволяют достичь высокой степени извлечения компонентов за счёт противотока

5. Барабанные экстраторы:

- Имеют вращающийся барабан, в котором происходит контакт твёрдого вещества и растворителя.

- Подходят для непрерывного процесса экстрагирования.

6. Напорные экстраторы:

- Работают под давлением, что позволяет повысить температуру кипения растворителя и ускорить процесс экстрагирования.

- Применяются в процессах, где требуется высокая температура для эффективного извлечения компонентов.

Кристаллизация. Материальный и тепловой балансы. Изогидрическая и изотермическая кристаллизация. Конструкции кристаллизаторов.

Кристаллизация — процесс выделения твёрдой фазы при затвердевании веществ, находящихся в жидком состоянии (из расплава), или процесс выделения твёрдого растворённого вещества из раствора. С помощью кристаллизации решают различные задачи: получение твёрдых продуктов, разделение смесей, выделение веществ и другие.

Материальный баланс позволяет определить выход продуктов. Тепловой баланс — частный случай энергетического баланса, в котором количество введённой энергии равно её количеству, полученному в результате процесса, то есть приход энергии равен её расходу.

Изогидрическая кристаллизация осуществляется охлаждением горячих насыщенных растворов (без потери растворителя). Пересыщение растворов чаще всего достигается их охлаждением в аппаратах периодического или непрерывного действия, одиночных или многокорпусных, располагаемых ступенчато (каскадом). Охлаждающий агент чаще всего вода, но можно использовать воздух. 

Изотермическая кристаллизация осуществляется удалением части растворителя путём выпаривания. Испарение осуществляют в выпарных аппаратах, подводя тепло извне, через стенку. После достижения нужной степени пересыщения в тех же аппаратах осуществляют и кристаллизацию. Отделение от маточного раствора и промывку кристаллов производят вне аппарата — на фильтрах или центрифугах.

Конструкции кристаллизаторов можно классифицировать по разным параметрам

  • По способу работы аппаратов. Есть аппараты периодического и непрерывного действия. 

  • По размеру получаемых кристаллов. Есть аппараты с регулируемым и нерегулируемым ростом кристаллов. 

  • По способу выгрузки кристаллов из аппарата. Есть аппараты с гидравлической классификацией и без неё. 

  • По способу охлаждения раствора. Есть охлаждаемые воздухом аппараты и вакуум-кристаллизационные аппараты. 

  • По способу создания пересыщения. Есть аппараты для изогидрической кристаллизации (с охлаждением раствора), аппараты для изотермической кристаллизации (с удалением растворителя) и другие.

Статика и кинетика адсорбции. Периодическая адсорбция неподвижным слоем адсорбента. Адсорбционно- десорбционная аппаратура.

Статика и кинетика адсорбции:

  • Статическая активность адсорбента — количество вещества, поглощаемое тем же количеством адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия. Активность зависит от температуры газа и концентрации поглощаемого компонента. 

  • Динамическая активность адсорбента — количество вещества, поглощённого единицей веса (или объёма) адсорбента за время от начала адсорбции до начала «проскока». Динамическая активность всегда меньше статической. 

Периодическая адсорбция с неподвижным слоем адсорбента проводится, как правило, в вертикальных аппаратах и осуществляется в четыре стадии:

  1. Адсорбция — насыщение адсорбента поглощаемым компонентом. Исходная газовая смесь подаётся в корпус аппарата через штуцер, проходит через слой адсорбента и очищенные газы выходят через другой штуцер. 

  2. Десорбция — извлечение поглощённого компонента из адсорбента. Подача исходной смеси газов прекращается, и в аппарат подаётся водяной пар через барботер. 

  3. Удаление смеси — смесь паров десорбированного компонента и воды удаляется через другой штуцер. 

  4. Отвод конденсата — конденсат водяного пара отводится из аппарата после десорбции через третий штуцер. 

Адсорбционно-десорбционная аппаратура:

  • Адсорберы — полые колонны, заполненные адсорбентом. Газовый или жидкостный поток, содержащий адсорбируемые компоненты, пропускается через шихту (слой адсорбента) до проскока адсорбтива, затем поток направляется в другой адсорбер. 5

  • Рекуперационные установки периодического действия могут работать по четырёх-, трёх- и двухфазному циклу. В четырёхфазном цикле последовательно идут фазы адсорбции, десорбции, сушки и охлаждения. В трёхфазном цикле исключается одна из фаз — сушка или охлаждение. Двухфазный цикл включает две операции: адсорбцию и десорбцию, при этом процесс адсорбции совмещают с сушкой и охлаждением поглотителя

Параметры влажного воздуха. Диаграмма состояния (Рамзина). Температуры точки росы и мокрого термометра. Потенциал сушки сушильного агента.

Некоторые параметры влажного воздуха: абсолютная и относительная влажность, влагосодержание и энтальпия (теплосодержание).  

Диаграмма состояния влажного воздуха (диаграмма Рамзина) позволяет определять основные свойства влажного воздуха для технических расчётов. Диаграмма построена для постоянного давления, которое можно считать среднегодовым для центральных районов России. На ней нанесены линии постоянных значений энтальпии, влагосодержания, температуры и относительной влажности.

Температуры, которые можно определить по диаграмме:

  • Температура мокрого термометра (tм) — при которой влажный воздух, охлаждаясь, достигнет состояния насыщения (j = 1). Значение tм определяют с помощью термометра, измерительный элемент которого обернут влажной тканью.  

  • Температура точки росы (tp) — при которой воздух, охлаждаясь, достигнет состояния насыщения (j = 1). Чтобы определить температуру точки росы, из точки, характеризующей состояние воздуха, проводят вертикаль (линию d = const) до пересечения с линией j = 100%. Затем изотерма, проходящая через полученную точку пересечения, определит искомую точку росы. 

Потенциал сушки — это разность между температурой воздуха и температурой мокрого термометра. Он характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала. Потенциал сушки зависит от состояния воздуха и температуры процесса, определяется совместными влияниями тепло- и массообмена. Когда воздух полностью насыщается влагой (t = tм), потенциал становится равным нулю, испарение прекращается. 

Материальный и тепловой балансы конвективной сушки. Удельные расходы воздуха и теплоты. Термический КПД. Теоретическая сушилка.

Материальный баланс конвективной сушки включает в себя следующие обозначения:

  • G1 — количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч; 2

  • G2 — количество высушенного материала; 2

  • W1, W2 — начальная и конечная влажность материала, %; 2

  • W — количество влаги, удаляемой из материала при сушке. 2

Основное уравнение материального баланса конвективной сушки: G1 = G2 + W. 2

Тепловой баланс процесса конвективной сушки включает в себя расход тепла с отработанным воздухом, с высушенным материалом, с транспортом и потери в окружающую среду. Общий расход тепла определяется как сумма этих величин. 2

Удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги можно определить по формуле: l = L = 1/W/(x2 — x0), где L — расход абсолютно сухого воздуха, W — количество влаги, испарившееся в сушилке, x2 — влагосодержание воздуха, выходящего из сушилки. 2

Термический КПД конвективной сушки теоретически может достигать 100%, тогда как тепловой КПД конвективной сушки может достигать только около 70%. 6

Теоретическая сушилка — это воображаемая сушилка, в которой происходит предварительный нагрев сушильного агента в выносном подогревателе, нет потерь в окружающую среду, потерь с материалом и транспортными установками, а температура материала равна 0 °С. В такой сушилке испарение влаги происходит только за счёт охлаждения воздуха, при этом количество тепла, передаваемого воздухом влажному материалу, полностью возвращается в него с влагой, испаряемой из материала.

Основные варианты процессов конвективной сушки и их изображение в диаграмме Рамзина.

варианты конвективной сушки и их описание:

  1. Основной, или нормальный. Сушильный агент однократно нагревается в калорифере до требуемой температуры и поступает в сушилку, из которой выбрасывается в атмосферу. 2

  2. С рециркуляцией отработанного сушильного агента. Часть его из сушилки возвращается в калорифер (на его вход или выход), где смешивается со свежим воздухом. 2

  3. С промежуточным подогревом сушильного агента в нескольких калориферах. Сначала он нагревается в первом калорифере, затем контактирует с высушиваемым материалом в первой части сушилки, снова нагревается во втором калорифере, соприкасается с материалом во второй части сушилки и так далее. 2

  4. С ретуром сухого продукта. Часть его возвращается в сушилку для досушки, а также для придания влажному материалу на входе в аппарат необходимой сыпучести. 2

Изображение на диаграмме Рамзина одного из вариантов конвективной сушки с рециркуляцией части сушильного агента:

  • Линия AM соответствует смешению перед калорифером атмосферного и части отработанного воздуха (рецикла). 2

  • Вертикальный отрезок МB — нагреву воздуха в калорифере. 2

  • Линия ВС — процессу сушки. 2

Процессу сушки в основном варианте (без рецикла) на том же рисунке отвечает линия AB'C. Вариант с рециклом отличается большим влагосодержанием воздуха, менее высокими температурой (режим сушки мягче) и расходом энергии на нагрев воздуха. 

Экспериментальная кинетика сушки. Кривые сушки и скорости сушки. Периоды постоянной и убывающей скорости.

Экспериментальная кинетика сушки предполагает исследование изменения среднего влагосодержания и средней температуры в процессе сушки. Закономерности кинетики позволяют рассчитывать продолжительность сушки до заданного конечного влагосодержания материала, количество испаренной влаги и расход теплоты на сушку. 3

Кривая сушки — зависимость абсолютной влажности от времени. По кривым сушки строят кривые скорости сушки, которые представляют собой графическое выражение функции скорости сушки от абсолютной влажности образца. Скорость сушки определяется по кривой сушки путём графического дифференцирования как тангенс угла наклона касательной, проведённой к кривой сушки в данной точке, к оси абсцисс. 51

Период постоянной скорости сушки — этап, на котором влага из материала удаляется равномерно во времени, то есть с постоянной скоростью. Влагосодержание материала уменьшается по линейному закону, при этом температура материала постоянна и равна температуре мокрого термометра. Скорость сушки в этом периоде зависит от температуры и влажности сушильного агента, общего давления в сушилке и гидродинамики процесса. 21

Период убывающей скорости сушки — этап, на котором из-за несоответствия между количеством влаги, поступающей из внутренних слоёв, и тем количеством, которое необходимо для поддержания прежней интенсивности испарения, происходит снижение скорости сушки. Температура материала при этом непрерывно повышается, стремясь к температуре сушильного агента, а скорость сушки непрерывно убывает от максимального значения до нуля. Скорость сушки равна нулю после достижения материалом равновесного влагосодержания, при котором поток влаги из материала за счёт испарения и поток влаги к поверхности материала из окружающей среды (конденсация) равны.

Конструкции конвективных, контактных сушилок для крупных дисперсных, пастообразных и жидких материалов. Инфракрасная и диэлектрическая сушка.

Конвективные (воздушные) сушилки как правило состоят из трёх основных элементов: камеры, в которой происходит контакт высушиваемого материала с сушильным агентом, узлов подогрева и транспорта сушильного агента. Некоторые конструкции:

  • Камерные сушилки. Высушиваемый материал располагается на полках, смонтированных внутри камеры. Сушильный агент (горячий воздух) перемещается между полками над слоем высушиваемого материала. 8

  • Туннельные сушилки. Представляют собой длинные камеры, внутри которых по рельсам перемещаются вагонетки с высушиваемым материалом. Нагретый в калориферах воздух, подаваемый вентиляторами, обтекает лотки или противни, размещённые на вагонетках, прямо или противотоком. 8

  • Сушилки со взвешенным (псевдоожиженным) слоем. Применяются для сушки сыпучих материалов (зерна, минеральных солей, угля и т. п.), а также паст и растворов. Сырой материал с шнека питателя поступает в корпус, через отверстия в решётке поступает снизу газ, сухое вещество удаляется через разгрузочное устройство. 8

Контактные сушилки работают по принципу передачи тепла от теплоносителя к высушиваемому осадку через разделительную стенку. Некоторые конструкции:

  • Вальцовые сушилки. Применяются для сушки пастообразных и липких материалов. Сушка в них осуществляется на наружных поверхностях пустотелых вращающихся барабанов, в которые подаётся теплоноситель (насыщенный водяной пар). Образовавшийся в результате сушки за один оборот барабана тонкий слой материала снимается ножом. 28

  • Вакуумные сушильные шкафы. Выполняются в виде цилиндрической камеры с размещёнными внутри плитами с полостями, обогреваемые паром или горячей водой. Высушиваемый материал намазывается на противни и устанавливается в герметически закрываемую камеру, где и высушивается под вакуумом при температуре около 50 °С. 2

Для сушки жидких материалов используют, например, распылительные сушилки. Они представляют собой камеру, в верхней части которой распыливается высушиваемый материал через форсунки или с помощью центробежных распылителей. Высушенный продукт в виде порошка шнеком отводится из сушилки. 8

Инфракрасные сушки используются, например, для сокращения длительности высыхания лакокрасочного слоя, шпатлёвки, грунта на отдельных деталях кузова автомобиля. Коротковолновые лампы действуют, нагревая металл изнутри. 4

Диэлектрическая сушка — это способ обезвоживания материалов-диэлектриков, находящихся в электрическом поле, при котором влага удаляется за счёт рассеиваемой энергии, затраченной на их нагрев. При диэлектрической (высокочастотной) сушке штабель пиломатериалов помещают между пластинами электрического конденсатора, где специальным генератором создаётся электромагнитное поле высокой частоты. Тепловая энергия не подводится снаружи, а генерируется в самой древесине.