1 Цель работы

Целью данной работы является:

–ознакомление с теоретическими основами процесса сушки;

–экспериментальное определение зависимости влагосодержания материала и его температуры от времени процесса контактной конвективной, СВЧ, радиационной сушки с помощью термовесов;

–определение зависимости скорости сушки от влагосодержания материала и установление периодов скорости сушки для различных методов сушки.

2 Теоретические основы процесса сушки

2.1 Виды сушки

Сушка – это процесс удаления влаги из твёрдого материала или растворов путём её испарения [1 – 4]. Сушка относится к диффузионным процессам, поскольку сопровождается диффузионными явлениями, как в твёрдой, так и газовой фазе.

Аппараты для осуществления процесса сушки называются сушилками. В связи с тем, что сушка связана с большими затратами энергии и обходится дороже, чем удаление влаги механическим путём, рекомендуется направлять на сушку материалы, в которых количество влаги сведено до минимума отстаиванием, фильтрованием или центрифугированием. После отстаивания суспензий в конических аппаратах сгустителях остаточная влажность шлама сгущенной суспензии составляет от 50 % до 70 %, в отстойниках с гребками остаточная влажность осадка снижается от 30 % до 50 %, в барабанных вакуум-фильтрах от 15 % до 20 %, в фильтрующих центрифугах от 0,5 % до 2,0 %, в отстойных центрифугах от 7 % до 10 %. При отсутствии надёжного экономичного метода механического обезвоживания некоторых осадков, процесс тепловой сушки ведут непосредственно из растворов или суспензий. По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают конвективную, контактную, терморадиационную, сублимационную, высокочастотную сушку.

При конвективной сушке процессы тепло- и массопередачи осуществляются между высушиваемым материалом и газообразным сушильным агентом (нагретым воздухом, топочными газами, перегретым паром) при их непосредственном соприкосновении. Конвективная сушка – наиболее экономичный и часто применяемый способ сушки в химической промышленности, производится в камерных, туннельных, ленточных, конвейерных, петлевых, шахтных, трубчатых, барабанных вращающихся, шнековых, вибрационных, аэрофонтанных, распылительных, пневматических сушилках и сушилках с псевдоожиженным слоем. На рисунке 1 приведена схема конвективной сушилки.

5

При сублимационной сушке влага удаляется в замороженном состоянии под высоким вакуумом (р = 0,05-1,0 мм рт. ст.), а необходимое тепло подводится к материалу через стенку греющей камеры или излучением от нагретых экранов. На рисунке 4 приведена схема сублимационной сушилки.

Рисунок 4 – Сублимационная сушилка

При высокочастотной и сверхвысокочастотной сушке нагрев материала осуществляется электрическим полем высокой (300-1000 КГц) и сверхвысокой (915, 3000, 9400 МГц) частоты. На рисунке 5 приведена схема высокочастотной сушилки.

Рисунок 5 – Высокочастотная сушилка

2.2Связь влаги с материалом

Впроцессе сушки происходит удаление влаги из твёрдого материала

врезультате поверхностного испарения, при этом возникает градиент концентраций влаги в материале, который является движущей силой внутреннего перемещения её из глубинных слоёв материала к поверхности. При этом происходят нарушение связи влаги с твёрдым материалом и соответствующие затраты энергии, поэтому скорость процесса сушки зависит от формы связи влаги с материалом.

П.А. Ребиндер разработал классификацию формы связи влаги с дисперсными системами, основанную на величине энергии связи, то есть на величине работы, совершаемой при отрыве 1 моля воды от вещества постоянного состава при изотермическом обратимом процессе. Различают химическую; физико-химическую, включающую адсорбционную и осмо-

7

тическую связь; физико-механическую, включающую капиллярную влагу разных видов формы связи.

Химически связанная влага находится в строго определённых молекулярных соотношениях и представляет собой воду гидрата, прочно связанную с веществом в виде гидроксильных ионов (ионная связь), и воду молекулярных соединений типа кристаллогидратов (молекулярная связь),

например, UO2(OH)2 H2O; CaSO4 2H2O; CaSO4 0,5H2O; CuSO4 5H2O;

CuSO4 H2O; UO2(NO3)2 6H2O.

Энергия связи химически связанной воды достигает больших значений, например для CuSO4 H2O – А = 2,74 кДж/моль.

Химически связанная влага, как правило, в процессе сушки не удаляется, а может быть выделена при химическом взаимодействии с определённым веществом или прокаливанием.

Адсорбционно связанная влага образуется при адсорбции молекул пара из окружающей среды под действием молекулярного силового поля на внешней и внутренней поверхности вещества в виде моноили полимолекулярного слоя.

Осмотически связанная влага или влага набухания находится внутри клеток и удерживается осмотическими силами.

Энергия физико-химической (адсорбционно связанной и осмотически связанной) влаги является энергией связи средней и слабой интенсивности соответственно.

Физико-механически связанная влага представляет собой влагу, находящуюся в порах и капиллярах материала, и влагу смачивания. Связь капиллярной влаги с материалом обусловлена адсорбционной связью полимолекулярного слоя вблизи стенок капилляра и понижением давления пара над вогнутым мениском в капилляре и повышением давления пара над выпуклым мениском и над каплей по сравнению с плоской поверхностью жидкости. Понижение или повышение давления пара заметно только в случае, если радиус капилляра или капли менее 10-7 м. В макрокапиллярах, радиус которых больше 10-7 м, давление пара над мениском практически равно давлению его над плоской поверхностью жидкости. Влага макрокапилляров макропор не имеет связи с материалом и называется свободной механически захваченной влагой.

2.3 Концентрация влаги в материале

Содержание жидкости во влажном материале характеризуется его влажностью и влагосодержанием.

Влажность выражается отношением массы влаги к массе влажного материала w, кг/кг

W w = G ,

8

Влажность wр или влагосодержание wср, отвечающие этому парциальному давлению, называются равновесными.

Равновесная влажность и влагосодержание материала зависит от парциального давления пара над материалом (р ) или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха (ϕ) и определяется опытным путём.

показанные на рисунке 6, устанавливаются при постоянной температуре и называются изотермами. Кривая 1 на рисунке 6 получена при испарении (десорбции) влаги из материала, то есть при сушке и называется изотермой десорбции. Вышерасположенная кривая 2, полученная при обратном процессе – увлажнении высушиваемого материала, называется изотермой сорбции.

ϕ, %

wcp, %

1 – изотерма десорбции; 2 – изотерма сорбции

Рисунок 6 – Зависимость между равновесной влажностью материала и относительной влажностью воздуха

Расхождение кривых 1 и 2 – гистерезис, указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности величина относительной влажности (ϕ) при увлажнении материала должна быть больше, чем при сушке, что, вероятно, связано с попаданием воздуха в капилляры высушенного материала, его сорбцией стенками капилляров. В результате при

10

последующем увлажнении материала уменьшается его смачиваемость и для вытеснения воздуха из капилляров требуется большее парциальное давление пара или большая относительная влажность.

Рассмотрим изменения влагосодержания материала и его состояние в процессе сушки, показанные рисунке 7, можно отметить, что при изменении влагосодержания от начального wсн до гигроскопического wсг материал содержит свободную влагу и находится во влажном состоянии, при этом в газовой фазе

р = рнас , ϕ =100%,

где рнас – давление насыщенного пара воды над её свободной поверхностью.

При изменении влагосодержания от wсг до конечного влагосодержания wск материал содержит связанную влагу и находится в гигроскопическом состоянии, при этом в газовой фазе р < рнас, ϕ < 100%. Точка А называется гигроскопической, а соответствующее влагосодержание wсг – гигроскопическим.

Рисунок 7 – Изменение влагосодержания материала и его состояния в процессе сушки

Гигроскопическое влагосодержание wсг находится на границе свободной и связанной влаги в материале. Удаление свободной влаги наблюдается при любой относительной влажности окружающей среды менее 100 % (ϕ < 100 %). Удаление связанной влаги возможно лишь при той относительной влажности газовой фазы, которой соответствует влагосодер-

11

жание материала, больше равновесного. На рисунке 2 вся область, где материал может сушиться, заштрихована. При гигроскопическом состоянии материала, отвечающем области над кривой равновесного влагосодержания, возможно только увлажнение материала.

2.5 Баланс влаги в высушиваемом материале

Рассмотрим процесс сушки на примере контактной сушки влажного материала в барабанной вращающейся печи, показанной на рисунке 8.

Высушенный материал,

Gс, Gк, wк, wск, Wк

Рисунок 8 – Схема процесса сушки

Обозначим:

Gн − количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/с; Wн − количество влаги, поступающей с влажным материалом, кг/с; wн − влажность поступающего на сушку материал, кг/кг;

wсн − влагосодержание поступающего на сушку материала, кг/кг; Gс − количество сухого материала, кг/с;

Gк − количество высушенного материала, кг/с;

Wк − количество влаги в высушенном материале, кг/с; wк − влажность высушенного материала, кг/кг;

wск − влагосодержание высушенного материала, кг/кг; W − количество удаляемой в процессе сушки влаги, кг/с.

Материальный баланс процесса по потокам можно представить равенством

Gн = Gк +W

или

W = Gн −Gк ,

12

а материальный баланс по влаге:

Wн = Wк +W ; Gнwн = Gкwк +W ; Gc wc = Gc wcк +нW.

Отсюда

Gнwн =Gкwк +Gн −Gк;

Gн (1 − wн ) =Gк (1 − wк );

Gн =Gк 1 − wк ; 1 − wн

Gк =Gн 1 − wн ; 1 − wк

W =Gн −Gк =Gн wн−− wк ; 1 wк

W =Gн −Gк =Gк wн−− wк ; 1 wн

W =Gс (wсн − wск ).

Материальный баланс любого процесса, в данном случае процесса сушки, выражается в виде таблицы материального баланса процесса или в виде диаграммы.

Чаще всего материальный баланс приводится в виде таблицы 1 материального баланса.

Таблица 1 – Материальный баланс процесса сушки материала

2.6 Кинетика сушки

Кинетика сушки устанавливает связь между изменением влажности или влагосодержания материала во времени и параметрами процесса. Уравнения кинетики используются для определения продолжительности и режима сушки.

13

Рисунок 9 – Кривая сушки материала

Скорость процесса сушки U определяется уменьшением влагосодержания материала dwc за бесконечно малый промежуток времени dτ

U = dwdτc ,

Скорость сушки может быть определена с помощью кривой сушки путём графического дифференцирования. Для материала определённого влагосодержания скорость сушки выражается тангенсом угла наклона касательной, проведённой к точке кривой, отвечающей влагосодержанию материала.

Данные о скорости сушки, полученные с помощью кривых сушки, изображаются в виде кривых скорости сушки, как показано на рисунке 10.

Процесс сушки протекает следующим образом.

В начале процесса происходит нагрев материал, в течение которого влагосодержание снижается незначительно от начального влагосодержания wсн до влагосодержания прогретого материала wсп, кривая АВ (см. рисунки 9, 10). В конце этого промежутка времени устанавливается постоянная температура поверхности и наступает первый период сушки – период постоянной скорости сушки, – при этом температура поверхности мате-

14

риала остаётся постоянной на протяжении этого периода, упругость водяных паров при температуре поверхности, разность упругостей водяного пара у поверхности материала и в окружающем воздухе постоянны, вследствие чего скорость внешней диффузии тоже постоянна, а влагосодержание интенсивно уменьшается по прямолинейному закону, кривая ВС (см. рисунки 9, 10). За этот промежуток времени в большинстве случае удаляется до 90 % влаги, при этом скорость сушки не зависит ни от толщины слоя материала, ни от его начального влагосодержания, а только от температурного режима сушки и интенсивности подвода тепла. Скорость внутренней диффузии велика по сравнению со скоростью внешней диффузии, и изнутри материала к его поверхности поступает достаточное количество влаги. Поэтому сушка в период постоянной скорости целиком обуславливается скоростью испарения влаги со свободной поверхности высушиваемого материала, так она испаряется с открытой поверхности воды. То есть в первый период происходит удаление свободной влаги, а внутри материала влаги – капиллярная и осмотически связанная влага перемещается в виде жидкости.

Рисунок 10 – Кривая скорости сушки

Кинетический закон для первого периода выражается уравнением

W = βx F (xнас − х)τ ,

W = βp F(Pнас − p)τ ,

где W − количество удаляемой в процессе сушки влаги, кг;

βх − коэффициент массоотдачи кг/(м2 с кг/кг);

βр − коэффициент массоотдачи кг/(м2 с Па);

F − поверхность фазового контакта, м2;

15

хнас − влагосодержание насыщенного воздуха в условиях сушки, кг/кг сухого воздуха;

х − действительное (рабочее) влагосодержание воздуха, кг/кг сухого воздуха;

Рнас − парциальное давление водяного пара в насыщенном в условиях сушки воздухе, Па;

р− действительное парциальное давление водяного пара в воздухе, Па;

τ− время, с.

Уменьшение влагосодержания в первом периоде продолжается до достижения первого критического влагосодержания wскр1 (точка С, см. рисунки 9, 10) после чего начинается второй период сушки – период падающей скорости сушки. В этом периоде уменьшение влагосодержания материала изображается кривой СЕ, которая в общем случае состоит из двух участков различной кривизны (отрезки СD и DЕ, см. рисунок 9). В точке С влагосодержание материала соответствует гигроскопической wсг, ( точка А, см. рисунок 7). С этого момента начинается удаление связанной влаги, при этом поверхность материала подсыхает и начинается неравномерная усадка материала. На стадии равномерно падающей скорости (кривая СD) наблюдаются местные углубления поверхности испарения и начинается испарение влаги внутри материала, при этом капиллярная влага и некоторая часть адсорбционно связанной влаги перемещаются внутри материала уже в виде пара. В дальнейшем поверхностный слой материала постепенно полностью высыхает и в точке D при втором критическом влагосодержании wскр2 достигает равновесного значения влагосодержания на поверхности материала – внутри материала влагосодержание превышает равновесное значение. Начиная с этого момента и вплоть до установления равновесного влагосодержания материала по всей толщине материала (точка Е), скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности, при этом вследствие уменьшения интенсивности испарения влаги, уменьшается расход тепла на испарение влаги, что приводит к повышению температуры материала. При достижении равновесного влагосодержания материала скорость сушки равна нулю, и удаление влаги из материала прекращается. Обычно сушку прекращают при достижении некоторого конечного влагосодержания wск (точка F).

Кинетический закон для второго периода выражается уравнением

W = kwF (wc − wcр)τ ,

где kw − коэффициент скорости сушки, кг/(м2 с кг/кг); wс − влагосодержание материала, кг/кг;

wср −равновесное влагосодержание материала, кг/кг.

16