4.2 Подготовка к лабораторной работе

4.2.1 Изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии, а также в рекомендованной литературе ([1], С. 213-245; [2], С. 616-665).

4.2.2 Выучить определения основных понятий и терминов темы (Приложение Б).

Основные термины и понятия:

– абсолютная влажность;

– влагосодержание воздуха;

– гигроскопическая точка;

– диэлектрическая сушка;

– конвективная сушка;

– контактная сушка;

– коэффициент сушки;

– критическая влажность;

– относительная влажность;

– продолжительность сушки;

– скорость сушки;

– сушка.

4.3 Теоретические сведения

Сушкой называют процесс удаления влаги из влажных материалов путем ее испарения.

Сушка производится с целью:

1) придания необходимых свойств материалам;

2) удешевления транспортировки;

3) уменьшения коррозии аппаратуры и трубопроводов при хранении и последующей обработке.

Сушка является дорогим процессом: расходуется значительное количество энергии на испарение жидкости, и поэтому ей должны предшествовать механические способы удаления влаги (отжим, отстаивание, фильтрование, центрифугирование).

В химических производствах, в основном, применяется искусственная сушка в специальных сушильных установках, т.к. естественная сушка на открытом воздухе процесс слишком длительный.

4.3.1 Виды сушки

По способу подвода тепла на испарение влаги различают следующие виды сушки:

1) конвективная – тепло передается при непосредственном контакте высушиваемого материала с сушильным агентом;

2) контактная – передача тепла от теплоносителя к материалу осуществляется через разделяющую их стенку;

3) радиационная – тепло передается инфракрасными лучами;

4) диэлектрическая – нагревание в поле токов высокой частоты;

5) сублимационная сушка – удаление влаги из материала с предварительным замораживанием и последующим глубоким вакуумированием.

Весьма распространенным способом проведения процесса сушки в промышленных условиях является конвективная сушка, при которой в качестве сушильного агента обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом).

4.3.2 Кинетика сушки

Процесс сушки протекает со скоростью, зависящей от формы связи влаги с материалом и механизма перемещения в нем влаги. Кинетика сушки характеризуется во времени средней влажностью материала . Зависимость между влажностью материала и временем изображается кривой сушки (рисунок 4.1), которую строят по опытным данным.

В общем случае кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным периодам сушки. Как видно из рисунка, после очень небольшого промежутка времени (периода прогрева материала), в течение которого влажность снижается незначительно (по кривой АВ), наступает период постоянной скорости сушки (первый период). При этом влажность материала изменяется по прямолинейному закону (прямая ВС). Такое изменение влажности происходит до достижения первой критической влажности , после чего начинается период падающей скорости (второй период). В этом периоде уменьшение влажности выражается некоторою кривой (кривая СЕ ), которая в общем случае состоит из двух участков различной кривизны (отрезки СД и ДЕ). Точка перегиба Д соответствует второй критической влажности . В конце второго периода влажность материала асимптотически приближается к равновесной . Достижение равновесной влажности означает полное прекращение дальнейшего испарения влаги из материала (точка К).

Рисунок 4.1 – Кривая сушки материала

Под скоростью сушки понимают изменение влажности материала в единицу времени, т.е. первую производную функции , которая обычно рассматривается по абсолютной величине. Кривая скорости сушки, соответствующая кривой сушки, изображена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Кривая скорости сушки

Скорость сушки определяется по кривой сушки путем графического дифференцирования, для чего к произвольной точке кривой, характеризующей влажность в данный момент времени, необходимо провести касательную до пересечения с осью абсцисс. Тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс определяет скорость сушки в данный момент времени. Откладывая на графике значения , можно построить кривую скорости сушки в координатах (рисунок 4.2). На рисунке 4.2 нетрудно различить отмеченные выше периоды сушки материала.

При испарении влаги с поверхности материала внутри него возникает градиент влажности, что и обеспечивает дальнейшее перемещение влаги из внутренних слоев материала к его поверхности (внутреннюю диффузию влаги). В первом периоде сушки, который называют иногда периодом внешней диффузии, перепад влажности столь велик, что лимитирующее влияние на скорость сушки имеет скорость поверхностного испарения (внешняя диффузия). За счет движущей силы, представляющей собой разность концентраций или разность парциальных давлений пара у поверхности материала р_п и в окружающей среде р_с, влага в виде пара диффундирует через пограничный слой сушильного агента у поверхности материала. Пар у поверхности материала является насыщенным, и его температура равна температуре мокрого термометра. В первом периоде сушки влага внутри материала перемещается в виде жидкости (капиллярная и осмотически связанная влага).

С началом второго периода, который иногда называют периодом внутренней диффузии, начинается неравномерная усадка материала. На стадии неравномерно падающей скорости наблюдаются местные углубления поверхности испарения, и начинается испарение внутри материала уже в виде пара. В дальнейшем поверхностный слой материала постепенно полностью высыхает, внешняя поверхность испарения становится все меньше геометрической поверхности материала, и, соответственно, возрастает значение внутренней диффузии. На стадии неравномерно падающей скорости II периода наиболее прочно связанная с материалом адсорбционная влага перемещается внутри него только в виде пара. Для различных материалов вид кривой скорости сушки во втором периоде различен, он зависит от структуры материала и его температуры, физико-химических свойств жидкости и от условий сушки.

Сушку обычно заканчивают по достижении некоторой конечной влажности , определяемой требованиями технологического процесса. В пределе же, конвективная сушка может продолжаться до тех пор, пока материал не достигнет равновесной влажности, т.е. влажности, равновесной влажности нагретого воздуха, являющегося сушильным агентом.

Следует отличать скорость сушки от скорости массопередачи, которая в данном случае определяет количество влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого тела в единицу времени. Между величинами и существует следующая взаимосвязь:

, (4.1)

где V – объём тела, м³;

F – поверхность испарения, м²;

ρ₀ – кажущаяся плотность тела (т.е. масса единицы объема сухого пористого тела), кг/м³.