Министерство образования и науки Российской Федерации

Магнитогорский государственный технический университет

им. Г. И. Носова

Кафедра химической технологии

неметаллических материалов и

физической химии

Кинетика процесса сушки твердых материалов

Методические указания к лабораторной

работе по дисциплине «Процессы и

Аппараты химической технологии»

для студентов по направлению 240100 специальностей 240403 и 240304 всех форм обучения

Магнитогорск

2012

Составители: Вейнский В.В., Горохов А.В.

Кинетика процесса сушки твердых материалов. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов по направлению 240100 специальностей 240403 и 240304 всех форм обучения. Магнитогорск, изд. МГТУ им. Г.И. Носова, 2012, 13 с.

Рецензент доцент, канд.тех. наук Масальский С.С.

© Вейнский В.В.,

Горохов А.В.,

Ц е л ь р а б о т ы:

1.Определение скорости сушки

2.Определение зависимости скорости сушки от влагосодержания материала

3. Нахождение константы К сушильного процесса

1. Теоретическая часть

1.1. О б щ и е с в е д е н и я

Тепловая сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием процессов тепло - и массообмена.

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

а) конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого используют нагретый воздух или топочные газы;

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

в) радиационная сушка - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

г) диэлектрическая сушка - путем нагревания в поле токов высокой частоты;

д) сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии в глубоком вакууме.

1.2. Р а в н о в е с и е п р и с у ш к е.

Влажный материал может не только отдавать влагу путем ее испарения в окружающую среду, но, при определенных условиях, он может также поглощать влагу из окружающей среды.

Для проведения сушки давление паров влаги у поверхности высушиваемого материала Р_м должно быть больше парциального давления водяного пара в воздухе или газе Р_п ,т.е. должно соблюдаться условие:

Р_м > Р_п (1)

Из выражения (1) видно, что сушка облегчается с возрастанием Р_м, которое тем больше, чем выше влажность материала и температура сушки, величина Р_м также зависит от характера связи влаги с материалом. В процессе сушки величина Р_м уменьшается и приближается к пределу:

Р_м = Р_п (2)

При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью, при которой процесс сушки прекращается. Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара Р_п.

1.3. Ф о р м ы с в я з и в л а г и с м а т е р и а л о м

Связь влаги с материалом может быть физико-механической, физико-химической и химической.

Физико-механически связанная влага, которая подразделяется на влагу макрокапилляров (крупные капилляры намного больше размера молекул воды заполняются в результате смачивания) и микрокапилляров (мелкие капилляры сравнимые с размерами молекул воды), в которые влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения её из окружающей среды (гигроскопическая влага). Физико-механически связанная влага свободно удаляется не только тепловой сушкой, но и механическими способами.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги: адсорбционную и осмотически связанную влагу. Адсорбционная влага прочно удерживается на поверхности и в порах материала, а осмотически связанная – находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. В процессе тепловой сушки удаляется, как правило, адсорбционная влага и то частично.

Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом (гидратная или кристаллизационная) в процессе тепловой сушки не удаляется.

1.4. О с н о в н ы е п а р а м е т р ы в л а ж н о г о г а з а

Влажным газом называют двухфазную физическую систему, состоящую из сухого газа и капелек воды.

При конвективной сушке сушильный агент передаёт материалу тепло и уносит влагу, испаряющуюся из материала за счёт этого тепла. Сушильный агент (обычно это воздух или топочные газы) является теплоносителем, переносит влагу и характеризуется следующими основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией.

Абсолютная влажность определяется массой водяного пара (кг), содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Можно считать, что влажный воздух подчиняется законам идеальных газов. Тогда водяной пар как компонент газовой смеси, находясь под парциальным давлением Р_п, должен занимать весь объём смеси (1м³). Поэтому абсолютная влажность равна массе 1 м³ пара или плотности водяного пара _п (кг/м³) при температуре воздуха и парциальном давлении Р_п.

Относительной влажностью воздуха  называется отношение массы водяного пара в 1м³ влажного воздуха _п при данных условиях к максимально возможной массе водяного пара в 1м³ воздуха _н (плотности насыщенного пара) при тех же условиях :

, (3)

Плотность пара пропорциональна его парциальному давлению смеси при данной температуре, тогда

, (4)

где Р_п - парциальное давление водяного пара, соответствующее

его плотности _п, Па;

Р_н – парциальное давление насыщенного пара при той же температуре, Па.

Влагосодержанием называется масса водяного пара (кг), приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха. Обозначается «Х».

, (5)

где Р - общее давление влажного воздуха, Па.

Энтальпия влажного воздуха определяется как сумма энтальпий сухого воздуха и водяного пара

I = c_c.в.t + x i_n , Дж/кг сухого воздуха , (6)

где с_с.в.- удельная теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг*град) ;

t- температура воздуха, ⁰С ;

i_n- энтальпия водяного пара, Дж/кг.

1.5 В л а ж н о с т ь м а т е р и а л а

Влажность материала может быть рассчитана по отношению к массе  или по отношению к массе, находящегося в нём абсолютно сухого вещества _с, причем

 = _с + w (7)

где w - масса влаги, содержащейся в материале, кг.

Влажность, отнесенная к общей массе материала, (%):

(8)

Влажность, отнесенная к массе абсолютно сухого материала, %:

(9)

Масса абсолютно сухого материала не меняется в процессе сушки, а для упрощения расчетов обычно пользуются величиной ^c.

Влажности ^c и  связаны между собой зависимостью, (%):

(10)

₍₁₁₎

1.6. К и н е т и к а п р о ц е с с а с у ш к и .

С к о р о с т ь и п е р и о д ы с у ш к и.

Для расчёта сушилок необходимо знать скорость сушки, которая зависит от формы связи влаги с материалом и механизма перемещения в нем влаги. Кинетика сушки характеризуется изменением во времени влажности материала. Зависимость между влажностью материала и временем изображается кривой сушки (рисунок 1), которую строят по опытным данным.

Кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным периодам сушки. После небольшого промежутка времени, периода нагрева материала до температуры сушильного агента (кривая АВ), наступает период постоянной скорости сушки (период 1).

Влажность материала уменьшается по прямолинейному закону (прямая ВС) до достижения критической влажности ^c_кр1 (точка С). Под критической влажностью понимается равновесная для данного момента влажность материала. Далее начинается период падающей скорости сушки (период 2) по кривой СЕ, которая может состоять из двух участков различной кривизны (отрезки СД и ДЕ). Точка Д соответствует второй критической влажности ^с_кр2 . В конце второго периода сушки влажность материала асимптоматически приближается к равновесной. При достижении равновесной влажности дальнейшее испарение влаги из материала прекращается (точка Е).

Рисунок 1 - Кривая сушки материала.

Скорость сушки определяется уменьшением влажности материала за некоторый бесконечно малый промежуток времени

₍₁₂₎

Скорость сушки можно определить из кривой сушки путем графического дифференцирования. Скорость сушки будет выражаться тангенсом угла наклона касательной, проведенной к точке кривой, отвечающей данной влажности материала. Для 1 периода сушки скорость сушки будет соответствовать tg  = const (рисунок 1) .

Для различных материалов отдельные периоды сушки могут быть различны по времени или отсутствовать вовсе.

Данные о скорости сушки, полученные с помощью кривых сушки, изображаются в виде кривых скорости сушки, которые строят в координатах скорости сушки – влажности материала (рисунок 2).

Рисунок 2 – График зависимости скорости сушки от влажности материала

Горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду постоянной скорости (1 период). В первый период происходит интенсивное испарение влаги с поверхности материала. Этот процесс протекает вследствие диффузии пара через слой воздуха у поверхности материала (внешняя диффузия). До 90% влаги удаляется из материала таким путем. Движущей силой этого процесса является разность парциальных давлений пара у поверхности материала Р_м и в окружающей среде Р_п .

При испарении влаги с поверхности материала внутри него возникает градиент влажности, что обеспечивает дальнейшее перемещение влаги из внутренних слоев материала к его поверхности. В первый период сушки влага внутри материала перемещается в виде жидкости (капиллярно и осмотически связанной влаги). Скорость испарения поверхностной влаги из материала может быть принята равной скорости испарения её со свободной поверхности .

В I период сушки перепад влажности внутри материала очень велик и влага беспрепятственно поступает из внутренних слоёв к поверхности – скорость сушки лимитируется скоростью поверхностного испарения (внешняя диффузия).

Отрезок СЕ соответствует периоду падающей скорости (II период).

Во втором периоде сушки определяющее значение для скорости процесса приобретает внутренняя диффузия влаги. На стадии равномерно падающей скорости начинается испарение внутри материала. Капиллярная влага и некоторая часть адсорбционно-связанной влаги перемещаются уже внутри материала в виде пара. С началом II периода поверхность сохнущего материала начинает покрываться коркой, и поверхность испарения влаги постепенно уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии и к непрерывному уменьшению скорости сушки .

Продолжительность сушки при постоянной скорости (I период)

(13)

для периода падающей скорости (II период)

(14)

где К - коэффициент сушки, выраженный числом кг испаренной в 1 секунду влаги, приходящейся на 1 кг сухого вещества ;

- начальная, критическая, конечная и равновесная влажность материала на сухое вещество.

Общая продолжительность сушки:

(15)