4.6.3. Материальный и тепловой балансы сушки

Материальный и тепловой балансы рассмотрим на примере конвективной сушилки.

При расчете процесса в сушилке должна быть задана начальная и конечная влажности материала:

 влажность по влажному материалу  количество влаги, отнесенное к весу влажного материала:

;

 влажность по сухому материалу – количество влаги, отнесенное к весу сухого материала:

.

Связь между влажностями по влажному и сухому материалу выражается следующими соотношениями:

; .

Количество абсолютно сухого вещества

.

Количество высушенного вещества

.

Количество вещества, поступающего на сушку:

.

Количество влаги, удаляемой в сушилке:

или .

При расчетах сушилок приходится относить производительность сушилок по влаге или по высушенному веществу к единице поверхности нагрева или единице объема сушилки. Эта величина, зависящая от типа сушилки, влажности материала и др., называется напряжением сушилки:

,

где – время сушки, с.

Для сушилок контактного типа

.

Баланс влаги в конвективной сушильной установке

Исходя из уравнения материального баланса, можно определить расход воздуха в сушилке, из уравнения баланса влаги

, ;

удельный расход сухого воздуха

, ,

так как , то удельный расход сухого воздуха

.

Тепловой баланс конвективной сушильной установки

Приход тепла в сушилку:

• с сушильным агентом – ;

• с влагой материала – ;

• с материалом – ;

• с транспортными устройствами – ;

• от источника тепла в калорифере – (не учитывается при сушке дымовыми газами);

• от дополнительного источника тепла – .

Расход тепла:

• с уходящим воздухом – ;

• с высушенным материалом – ;

• с транспортными устройствами – .

Потери в окружающую среду – ^.

Уравнение теплового баланса

где – теплоемкость высушиваемого материала;– температура влаги и материала на входе в сушилку;– температура материала на выходе из сушилки.

Теплоемкость высушиваемого материала

.

Уравнение теплового баланса на 1 кг испаренной влаги

.

Удельный расход тепла в калорифере

или

.

Обозначив

,

получим уравнение баланса сушильной камеры

.

Это выражение характеризует отклонение действительного процесса сушки от теоретического и представляет собой внутренний баланс тепла в сушилке.

Для теоретической сушилки , тогда

, т. е. _.

4.7. Кристаллизация и растворение

4.7.1. Общие сведения

Кристаллизация представляет собой процесс выделения твердой фазы из растворов, расплавов или паров. Кристаллы – однородные твердые вещества различной геометрической формы, ограниченной плоскими гранями.

Продукт, получаемый в результате кристаллизации, представляет собой сыпучую массу кристаллов различного размера. Внешняя геометрическая форма кристаллов специфична для каждого вещества. Характерной особенностью кристаллического строения вещества является определенное, периодически повторяющееся в трех измерениях расположение ионов, атомов или молекул, образующих кристаллическую решетку.

В основу классификации кристаллов положена их симметрия. Известны 32 вида симметрии кристаллов. Для удобства они сгруппированы в 7 кристаллографических форм, или сингоний (кубическая, тригональная, тетрагональная, гексагональная, ромбическая, моноклинная, триклинная), и в 3 категории: высокую, к ней относится первая форма; среднюю и низкую (относятся следующие формы по три).

Ряд веществ, чаще всего химически однотипных, имеющих подобную кристаллическую решетку и при кристаллизации из растворов выделяющихся совместно, образуют смешанные кристаллы. Такие вещества называются изоморфными.

В зависимости от условий кристаллизации (температуры, давления и др.), одно и то же вещество может образовывать разные по симметрии и форме кристаллы, называемые полиморфными разновидностями или модификациями.

Кристаллы, включающие молекулы воды, называют кристаллогидратами. В зависимости от условий проведения процесса кристаллизации одно и то же вещество может кристаллизоваться с разным числом молекул воды.

В химической технологии наибольший интерес представляет процесс кристаллизации из растворов для получения различных веществ высокой чистоты. Проведение такого процесса в промышленном масштабе с одновременным получением большого числа кристаллов называется массовой кристаллизацией.

Растворы– однофазные системы переменного состава, образованные не менее чем двумя независимыми компонентами.

В отличие от состава химических соединений, состав растворов может в известных пределах непрерывно изменяться. Растворы бывают газообразными, жидкими и твердыми. Одно из веществ, образующих раствор, называется растворителем, остальные –растворенными веществами. Для жидких растворов, которые будут нами рассматриваться, растворителем принято считать то вещество, которое при образовании раствора находилось в жидком состоянии. Наиболее распространенным растворителем, используемым в химической технологии, является вода. Твердые неорганические вещества (хлориды, сульфаты и т.п.) при растворении в воде распадаются на отдельные ионы, а органические вещества (мочевина, сахар и др.) – на отдельные молекулы.

Наибольшее влияние на растворимость твердых веществ в каком-либо растворителе оказывает температура раствора. На растворимость газов в жидкостях существенное влияние оказывает также внешнее давление.

У большинства веществ растворимость с повышением температуры раствора увеличивается. В таком случае речь идет о прямой, положительной растворимости (хлориды, сульфаты натрия, калия, сахар и т.п.). Однако у некоторых веществ растворимость с повышением температуры раствора уменьшается (гипс, сода в воде). Такие вещества имеютобратную, отрицательную растворимость.

Очень важными в теории процессов растворения и кристаллизации являются понятия о ненасыщенном, насыщенном и пересыщенном растворах.

Ненасыщеннымназывается такой раствор, который способен в данных условиях растворить в себе некоторое количество содержащегося в нем вещества.

К насыщеннымотносятся растворы, которые не изменяют своего состава, находясь в контакте с кристаллами растворенных в них веществ. Содержание растворенного вещества в насыщенном растворе соответствует его растворимости при данных условиях. Однако если изменить условия, например повысить температуру раствора, то кристаллы могут снова начать растворяться, а состав раствора при этом будет изменяться. Если этот же раствор охладить, то из него начнут выделяться кристаллы растворенного вещества. Это происходит потому, что в рассматриваемом нами растворе с понижением температуры растворимость соли уменьшается. Кристаллы будут выделяться до тех пор, пока раствор не станет снова насыщенным, но уже при более низкой температуре. В течение всего этого времени количество вещества, содержащегося в растворе, превышало его растворимость, а раствор находился в пересыщенном состоянии.

Пересыщеннымназывается раствор, в котором содержание какого-либо вещества в растворенном виде превышает его растворимость в данных условиях.

Растворениемназывается процесс взаимодействия растворителя с полностью растворяемой твердой фазой, не образующей остаточной пористой структуры (скелета) и шлама ( нерастворимого осадка). При наличии пористого тела процесс перехода растворимого вещества в раствор называютвыщелачиванием. Выщелачивание происходит в две стадии: диффузия внутри пор и массоотдача с геометрической поверхности тела. Растворение предполагает взаимодействие растворителя с твердым телом только на его внешней поверхности.

Растворение – это процесс, обратный кристаллизации; в ряде химических производств он имеет самостоятельное значение. Путем чередования процессов кристаллизации и растворения (перекристаллизации) получают наиболее чистые продукты.