Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Кинетика сушки

Кинетика сушки

Страница 2 из 10

Сущность процесса сушки заключается в диффузии влаги из внутренних слоев к поверхности материала и испарении ее на поверхности с переходом в окружающую газообразную среду. Такой процесс может протекать лишь в том случае, если парциальное давление пара в пограничном слое над поверхностью материала больше парциального давления пара окружающей газообразной среды. В тепловых процессах обезвоживания материала рассматривают две задачи – кинетику и статику сушки.

Кинетика сушки устанавливает связь между изменением влажности материала во времени и параметрами процесса: свойствами и структурой материала, его размерами, гидродинамическими условиями обтекания материала сушильным агентом и другими факторами. Уравнения кинетики описывают процесс удаления влаги из материала во времени и используются для определения продолжительности и режима сушки.

Статика сушки устанавливает связь между начальными и конечными параметрами участвующих в сушке материала и сушильного агента на основе материального и теплового балансов. С помощью зависимостей статики сушки определяют состав материала, расход сушильного агента, тепла и топлива.

Для расчета процесса сушки и создания рациональных конструкций сушилок необходимо совместное рассмотрение кинетики и статики сушки. Механизм сушки влажных материалов определяется в основном формой связи влаги с материалом, а также режимом сушки или условиями испарения влаги с поверхности материала в окружающую среду.

В качестве основной классификации форм связи влаги с материалом обычно принимают схему, где все формы связи делятся на химическую, физико-химическую и физико-механическую. Химически связанная влага обладает наибольшей энергией связи с материалом, находится в точных количественных соотношениях с сухим веществом. Эта влага может быть удалена из материала при температуре выше 120 – 200 °С, но при этом, как правило, будет изменяться молекулярная структура материала.

К физико-химически связанной влаге относится адсорбционная и осмотическая. Адсорбционно-связанная влага удерживается на поверхности коллоидных частиц молекулярными силами. По своим физическим свойствам она отличается от свободной воды. Адсорбция влаги телом сопровождается выделением теплоты. Влага, поглощаемая телом без выделения теплоты, не отличающаяся по своим свойствам от обычной свободной жидкости (воды), называется осмотически связанной.

Под физико-механически связанной влагой понимают влагу, находящуюся в микро- (средний радиус капилляра меньше 10-5 см) и макрокапиллярах (с радиусом больше 10-5 см) материала, а также жидкость смачивания. Влага, находящаяся в капиллярах, за исключением адсорбционной, относится к категории свободной. Ее содержание в материале не определяется строго количественными соотношениями. Большинство высушиваемых материалов относятся к капиллярнопористым коллоидным телам, в которых содержится влага всех форм связи.

В технологии сушки влагу, находящуюся в материале, обычно разделяют на два вида: свободную и гигроскопическую. Скорость испарения с поверхности материала свободной влаги определяется по закону испарения ее со свободной поверхности жидкости, а именно при парциальном давлении пара над поверхностью материала (при бесконечно малой скорости сушки), равном давлению насыщения при температуре пограничного слоя, равной температуре поверхности материала.

Если парциальное давление пара в пограничном слое будет меньше давления насыщения, то в этот период удаляется гигроскопическая влага. Она более прочно связана с материалом и удалить ее трудно, а иногда и нецелесообразно. Гигроскопическую влагу ωг материала можно считать границей между свободной влагой и связанной.

В процессе сушки количество влаги в материале уменьшается. Может наступить такое состояние, когда парциальное давление пара в слое газа над поверхностью материала будет равно парциальному давлению пара в окружающей среде, в этот момент наступает равновесное состояние газовых систем в сушильной камере, сушка прекращается. Влажность такого материала ωр называется равновесной.

Однако следует иметь в виду, что если высушенный до такого состояния материал поступает в окружающую среду с постоянными параметрами и парциальным давлением пара большим, чем-то, которое поддерживалось в сушильной камере, будет происходить сорбция, то есть поглощение влаги материалом из окружающей среды. Таким образом, в процессе сушки изменяются во времени как влагосодержание и температура тела или материала, так и параметры сушильного агента. Изменение параметров можно представить в виде зависимости от времени (рис. 1). Под скоростью сушки понимают изменение влагосодержания материала в единицу времени U = dW / dτ, кг/с, или U = dω / dτ, %/с.

Зависимости влагосодержания и скорости сушки влажных материалов от времени

Рис. 1 – Зависимости влагосодержания и скорости сушки влажных материалов от времени: а – при постоянных параметрах сушильного агента; б, в – типичные и более сложные кривые скорости сушки

При рассмотрении кинетики сушки влагосодержание высушиваемого материала обычно выражают в относительных долях или процентах, то есть отношением изменяющейся во времени массы влаги в теле к абсолютно сухому веществу:

ωс = (W / Gc) × 100, (1)

где W – количество влаги, находящейся в материале в данное время, кг;

Gc = G1 × (100 – ω1) / 100 – масса сухого вещества, кг; G1, ω1 – первоначальная масса материала, кг, и начальное влагосодержание, %.

Рассмотрим некоторые зависимости влагосодержания, и скорости сушки от времени. На рис. 1, а изображены зависимости сушки ωс (τ) и скорости сушки dωc / dτ (τ), которые могут быть получены из опыта при достаточно «мягком» режиме конвективной сушки1 и постоянных параметрах сушильного агента, а именно температуре tсв, относительной влажности φ и скорости потока газа υг. В начале процесса убыль влаги из материала происходит медленно (верхний рисунок). В этот сравнительно небольшой промежуток времени τ0 температура во всех точках материала увеличивается, а влагосодержание несколько уменьшается. После начальной стадии нагревания влагосодержание материала уменьшается по линейному закону (прямая ВК). Температура на поверхности испарения в течение этого периода сушки τ1 не изменяется и равна температуре адиабатического насыщения сушильного агента (температуре мокрого термометра tм). Парциальное давление пара в пограничном слое равно давлению насыщенного пара pи = рн при tпс = tм. Температура поверхности tп и температура центра tц (с запаздыванием) становятся одинаковыми (температурный градиент внутри материала равен нулю: dt/dτ = 0). Этот период называют периодом постоянной скорости сушки. Он продолжается до достижения критического влагосодержания ωкр, начиная с которого температура поверхности материала повышается с течением времени. Температура в центре начинает возрастать с некоторым опозданием. Внутри материала возникает температурный градиент dt/dτ > 0, который уменьшается во времени и становится равным нулю при равновесном состоянии. Сушка прекращается, температура материала становится равной температуре сушильного агента. Второй период сушки называют периодом падающей скорости. Иногда первый период называют периодом постоянной температуры материала, tм = const, а второй – периодом повышающейся температуры материала, tм = var. Приближенно (для качественной оценки) численное значение скорости сушки можно определить как тангенс угла β наклона касательной в любой точке кривой. На основании этого допущения методом графического дифференцирования кривой ωc (τ) строится кривая скорости сушки – dωс/dτ (τ) (рис. 1, а, нижний график). В интервале τ0 скорость сушки возрастает до некоторого предельного значения в точке В. Угол наклона касательной β в интервале τ1 будет неизменным, следовательно, – dω0/dτ = tq·β = const и скорость сушки на графике будет изображаться горизонтальной линией. В интервале τ2 при равновесном состоянии газовой системы происходит непрерывное уменьшение скорости сушки до нуля.

Кривые зависимости сушки и скорости сушки от времени для разных по своим физико-химическим свойствам материалов будут иметь разную форму. В процессе сушки влагосодержание материала уменьшается, поэтому при анализе графиков на рис. 1, б, в их необходимо рассматривать (читать) в обратном направлении (справо налево).

В начале процесса скорость сушки резко возрастает до постоянного значения dωс/dτ = const, но, начиная с критической точки К1 она уменьшается по разным законам и при достижении значения ωр становится равной нулю. Простейшей кривой (прямой) в период падающей скорости сушки будет линия (1), проходящая через точки К1 и ωр (см. рис. 1, б). Такой характер изменения скорости будет при сушке тонких волокнистых материалов (бумаги, тонкого картона). Зависимость, выраженная кривой (2), наблюдается при сушке тканей, тонких кож и т. д., кривая (3) соответствует сушке пористых керамических материалов.

У более сложных по структуре влажных материалов во второй период наблюдаются и более сложные зависимости скорости сушки. Например, для глины и других подобных материалов (см. рис. 1, в, кривая 4) вначале от точки К1 до К2 скорость сушки изменяется по прямой линии, а затем от К 2 до ωр – по кривой, обращенной к оси абсцисс. Для других материалов скорость сушки в этот период может изменяться по линиям (5) и (6).

На графиках, построенных по опытным данным, имеется вторая критическая точка перегиба или перехода К 2. Влагосодержание, соответствующее этой точке, называется вторым критическим.

Приведенные кривые скорости сушки в основном описывают качественную картину протекания процесса при малых градиентах влагосодержания внутри материала. Более надежные и правильные результаты для анализа периода падающей скорости дают зависимости между температурой материала и его средним влагосодержанием tм (ω) (рис. 2). Для варианта а вначале процесса сушки температура центральных слоев возрастает медленнее, чем на поверхности материала, поэтому достигает температуры мокрого термометра tм несколько позже. В период постоянной скорости сушки кривые температур для поверхности и центрального слоя совпадают. Градиент температур при этом исчезает. Начиная с первой критической точки К1 снова возникает разность температур между поверхностью и центром. Но по мере увеличения температуры материала и приближения процесса ко второй критической точке температуры выравниваются. Дальнейшее повышение температуры материала вплоть до температуры сушильного агента происходит по линейному закону.

Капиллярнопористые тела, мало изменяющие свои размеры в первом периоде, имеют несколько отличающиеся от варианта а температурные кривые. С самого начала процесса сушки до второго критического влагосодержания наблюдается разность температур между поверхностью tп и центром tц (рис. 2, б), уменьшающаяся при приближении к точке К2. Это происходит потому, что, как в первом, так и во втором периоде сушки, жидкость частично испаряется внутри материала. По опытным температурным кривым с достаточной степенью точности можно установить формы связи влаги с материалом.

Зависимости температуры и интенсивности сушки от убыли влаги из материала

Рис. 2 – Зависимости температуры и интенсивности сушки от убыли влаги из материала: а – для влажных материалов, которые не дают усадки в первом периоде сушки,– tм(ω); б – для капиллярнопористых материалов tм(ω); в – для слоя песка, сверху которого насыпан крупный песок, m(ω); г – для слоя песка, сверху которого насыпан мелкий, m(ω); 1 – 25% крупного или мелкого песка; 2 – то же 50%; 3 – то же 75%; 4 – то же 100% (однородный песок)

Кроме определения различных форм связи влаги с материалом, в том числе и разных видов капиллярной влаги, температурные кривые имеют большое значение для технологии сушки, так как качество выпущенной продукции в значительной степени зависит от температуры материала и длительности ее воздействия.

Следующим показателем, определяющим процесс тепло- и массообмена на поверхности материала, является интенсивность сушки.

Интенсивностью сушки называется количество влаги, удаленной с единицы поверхности материала в виде пара и жидкой фазы в единицу времени m, кг/(м2·ч).

В качестве примера на рис. 2, в, г приводится полученная из опыта зависимость интенсивности сушки от влагосодержания песка (графики на рисунке 2 следует читать справа налево).

Если слой крупного песка насыпать сверху на слой мелкого, то в процессе сушки получаются четыре критических точки К1, К 2, К3, К4 (рис. 2, в). Верхняя часть графика соответствует сушке крупного песка с постоянной скоростью, а следовательно, и интенсивностью до точки К1. Затем интенсивность сушки резко уменьшается, что соответствует удалению гигроскопической влаги из крупного песка. В точке К3 и правее от нее (кривые 1, 2) начинается сушка мелкого песка при постоянной интенсивности, точка К4 соответствует началу удаления гигроскопической влаги из мелкого песка.

Если же слой мелкого песка насыпать сверху на слой крупного песка, то кривые скорости и интенсивности сушки имеют нормальный вид с одним периодом постоянной скорости (рис. 2, г).

Анализ экспериментальных исследований показывает, что скорость сушки определяется и ограничивается многими факторами, представить которые в виде одной функциональной зависимости практически не представляется возможным.

Отметим наиболее важные из этих факторов. Прежде всего, скорость сушки зависит от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, его структуры, состава и теплофизических свойств. Чем больше отношение поверхности высушиваемого материала к его объему F/V, чем меньше размеры кусков или зерен, тем быстрее происходит сушка. Существенным образом на длительность сушки влияет и конечное влагосодержание материала, неравномерное удаление влаги из него. Фактор неравномерности сушки зависит от конструкции сушильной камеры, толщины слоя материала и интенсивности его перемешивания, от условий обтекания материала (изделий) сушильным агентом.

Чем выше температура и скорость сушильного агента и чем ниже его относительная влажность, тем быстрее происходит сушка. Однако следует иметь в виду, что температура, относительная влажность и скорость сушильного агента должны быть такими, при которых не изменяются физико-химические свойства, форма и цвет материала и не происходит его унос из сушильной камеры.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика