- •Основы печных технологий
- •Часть I Конспект лекций Предназначен для студентов специальности 110300 "Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей"
- •Санкт-петербург
- •1. Введение
- •2. Энергообеспечение печных технологических процессов
- •3. Сушка дисперсных материалов и изделий
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Теоретические основы процесса сушки
- •3.3. Схема устройства и принцип действия сушилок для дисперсных материалов
- •3.4. Сушка изделий.
- •3.5. Термическое разложение солевых растворов и суспензий.
- •4. Коксохимическое и химическое производства
- •4.1. Пиролиз углей
- •4.2. Производство фосфора и карбида кальция.
- •5. Производство некоторых строительных материалов
- •5.1. Производство цемента
- •5.2. Производство стекла
- •5.3. Производство строительных керамических изделий
- •5.4 Производство воздушной извести
- •5.5 Производство минераловатных изделий
- •6. Нагрев слитков металлов
- •6.1. Общие сведения
- •6.2. Схемы устройства, описание конструкции и работы нагревательных печей
- •6.3. Непечные установки электронагрева
- •Рекомендательный библиографический список
3. Сушка дисперсных материалов и изделий
3.1. Общие сведения
Удаление влаги из твердых материалов требуется во многих производствах как на стадии подготовки сырья к последующей переработке, так и на стадии получения готовой продукции.
В зависимости от содержания и характера влаги в материале часть ее может быть удалена механическими методами (сгущением, фильтрацией), но когда нужно и дальше снизить содержание влаги в материале, то на конечной стадии обезвоживания проводят сушку такого материала. Во многих случаях на сушку поступает материал и без предварительного удаления влаги механическими методами.
Можно привести примеры необходимости сушки материалов из металлургии, химической технологии, производства огнеупоров, керамики и других производств.
Различают три формы связи влаги с материалом: химическую, физико-химическую и физико-механическую.
Химически связанная вода – это вода гидрата (ионы ОН¯) и вода кристаллогидратов (молекулы Н2О). Эта связь воды с материалом характеризуется строго определенным соотношением воды и сухого вещества. Связь этой воды с материалом наиболее прочная и при сушке, как правило, эта вода не удаляется. Для ее удаления нужны более высокие температуры.
Физико-химически связанная вода – это адсорбционно связанная влага за счет адсорбции молекул пара из окружающей газовой среды под действием молекулярного силового поля на внешней и внутренней поверхности вещества, а также осмотически связанная вода, попадающая в материал за счет осмотического давления.
Физико-механическая вода – это жидкость, находящаяся в порах и капиллярах материала, и жидкость смачивания, прилипшая к поверхности тела при непосредственном соприкосновении с ней, а также жидкость в каплях.
Следует отметить, что резкой границы между отдельными формами и видами связи жидкости с материалом нет. Одна форма (вид) связи постепенно уменьшается за счет преобладания другой.
Параметры для оценки влажности материала.
Отношение по массе ж:т.
Влагосодержание материала, С- кг влаги/кг сухого вещества
С=W/Стт,
где, W- масса влаги в материале, кг; Стт- масса сухого материала, кг.
Обозначив влажность материала на общую массу вещества через См, %, получим соотношения:
3.2. Теоретические основы процесса сушки
Сушка – это процесс удаления влаги из материала путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Аппараты, в которых осуществляют сушку, называются сушилками. При сушке протекают два основных процесса: теплообмен и массообмен.
В простейшем виде процесс сушки осуществляют путем контакта нагретого до определенной температуры газа (воздух, топочные газы, инертный газ) с материалом (изделием), подлежащим сушке. Тепло газа идет на испарение влаги и он же уносит ее в виде пара.
По способу подвода тепла сушилки делятся на: конвективные (прямой контакт теплоносителя и материала; они наиболее распространены); контактные (передача тепла материалу через разделительную стенку) и специальные (терморадиационные, сублимационные, высокочастотные).
Механизм процесса конвективной сушки может быть представлен следующим образом. При контакте влажного материала с окружающей средой в следствие разности температур поверхности материала и среды происходит испарение воды и одновременно перенос массы паров воды в окружающую среду за счет разности над влажной поверхностью тела и в окружающей среде. В результате испарения воды с поверхности тела и отвода паров воды возникает градиент концентрации воды в материале, являющийся движущей силой внутреннего перемещения ее из глубинных слоев к поверхности испарения, где опять вода испаряется и уходит в окружающую среду и т.д.
Почти каждый твердый материал, находящийся в контакте с влажным воздухом, способен поглощать пары воды из окружающей среды или отдавать ее в среду.
Обозначим давление пара жидкости в материале и в окружающей среде соответственно через Рм и Р. Величина разности Рм и Р является движущей силой переноса влаги.
Рм -Р > 0 – происходит десорбция паров Н2О (сушка);
Рм -Р < 0 – происходит сорбция паров Н2О (увлажнение материала).
При достаточно длительном контакте влажного материала с газом при постоянных его параметрах (температуре – t, давлении – Р), когда тепловые и сорбционные процессы заканчиваются, между телом и окружающей средой устанавливается термическое и молекулярное равновесия:
tм= t= const и Рм=Р= const,
где, tм и Рм – температура и давление пара в материале.
Влажность материала при этом во всем объеме тела приобретает постоянное значение и называется равновесной влажностью (Ср= const).
Абсолютная влажность газа или его влагосодержание выражается в г/м3, кг/м3 (обозначается d, q).
Содержание пара в газе характеризуется также относительной влажностью:
,
где, Р – давление пара в окружающей среде; Рн – давление насыщенного пара, которое зависит только от температуры.
Давление Рн для воды при разных температурах можно рассчитать по формулам или взять из справочников.
Изменяя значение φ при постоянной температуре (t) можно найти соответствующее значение Ср материала и построить зависимость Ср=f(φ), называемую изотермой сорбции. Кривая имеет S-образный вид и делит поле диаграммы на две области: область сорбции и область десорбции, являющуюся составной частью области сушки.
Под кинетикой процесса сушки обычно понимают изменение средних по объему высушиваемого тела и температуры с течением времени. Пример такой зависимости приведен на рис. 1. Участок АВ – прогрев исходного материала до температуры мокрого термометра tмт и небольшое уменьшение его влажности. Участок ВС – уменьшение влажности материала по линейному закону, а температура материала в большинстве случаев остается постоянной и равна tмт. Участок СD – влажность уменьшается по кривой, приближаясь к равновесному значению Ср= const, температура материала быстро растет.
Теплообменные процессы при сушке связаны с передачей тепла материалу, подвергаемому сушке, на его нагрев, испарение удаляемой влаги, преодоление энергии влаги связи с материалом.
Массообменные и теплообменные процессы при сушке связаны между собой и могут быть представлены системой дифференциальных уравнений, описывающих соответственно массообменные и теплообменные процессы.
Отсутствие пока в полном объеме данных для решения этих уравнений при использовании в инженерных расчетах приводит к необходимости решать задачу альтернативно, т.е. рассматривать сушку либо как тепловой, либо как массообменный процесс.