Глава 11. Сушка

Основные понятия. Параметры, подлежащие расчету

Сушка является последней стадией при обезвоживании различных материалов. Удаление влаги из материала производят испарением за счет подвода тепла.

Следовательно, при сушке одновременно протекают два процесса: влаго- и теплообмена.

Различают три основных вида сушки по способу подвода тепла к сушильному материалу:

1. Конвективная сушка - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом).

2. Контактная сушка - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку.

3. Радиационная сушка - путем передачи тепла инфракрасными лучами.

При сушке большинства материалов чаще всего применяют конвективный способ с применением в качестве сушильного агента топочных газов. Этот вид сушки применим для многих материалов, независимо от их крупности и начальной влажности. Эти сушилки отличаются большой производительностью, высоким тепловым коэффициентом полезного действия, малым потреблением энергии и надежностью в работе.

Схема установки для сушки дымовыми газами (рис.11.1) включает следующие основные операций:

1) получение сушильного агента при сжигании топлива в отдельной топке 1, куда поступает необходимый для горения воздух;

2) установление необходимой температуры сушильного агента с добавлением атмосферного воздуха ктопочным газам в камере смешения 2;

3) высушивание материала в сушилке 5, которая, как правило, представляет собой полую вращающуюся трубу, в которую непрерывно поступает и из которой тоже непрерывно выводится материал;

4) улавливание пыли из отобранного сушильного агента с помощью специальных устройства 4, 5.

Целью сушки является получение материала с конечной влажностью W _к При этом должно испариться воды в количестве W.

Как видно из схемы, конечная влажность материала W _к зависит от следующих входных параметров, с помощью которых регулируется процесс:

1) времени сушки - τ [ч];

2) удельного расхода воздуха [кг воздуха/кг воды];

3) удельного расхода топлива [ккал/кг воды];

4) исходной влажности материала W_{ис х} [%];

5) количества материала WG [кг].

В свою очередь время сушки, расход топлива и воздуха зависят от свойств высушиваемого материала и сушильного агента (смеси топочных газов и воздуха). Рассмотрим эти свойства более подробно.

Равновесное содержание влаги при сушке. Кинетика сушки. Понятие о напряжении объема сушилки

Если материал находится в контакте с влажным воздухом (или сушильным агентом), то принципиально возможны два процесса:

1) сушка (десорбция, или испарение влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала Р_м, превышающем его парциальное давление в сушильном агенте Р_n, т.е. при Р_м > Р_п;

2) увлажнение (сорбция) при Р_м < Р_п.

В процессе сушки величина Р_м уменьшается и становится равной Р_n. Влажность материала, соответствующая динамическому равновесию, называют равновесной W_p.

Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом Р_п или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха φ, равной

, (11.1)

где Р_H - давление насыщенного водяного пара при данной температуре (°С) и общем давлении P (атм.).

Зависимость устанавливается экспериментально. Для этой цели навеска высушиваемого материала помещается в среду с различной относительной влажностью φ при термостатировании и периодически взвешивается. Влажность материала при достижении импостоянной массы является равновесной. Обычно навески доводят до постоянной массы в эксикаторе с растворами серной кислоты различной концентрации и получают зависимость W_P от φ.

Кроме адсорбционной связанной влаги, которую для сокращения называют просто «связанной влагой», в материале содержатся так называемая свободная влага, которая не удерживается ни поверхностными; ни капиллярными силами. Применительно к процессу сушки под свободнойвлагой понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения жидкости (как правило, воды) со свободной поверхности.

Принято считать, что материал находится во влажном состоянии, когда его влажность находится в пределах от W_нач. до W_Г, и в гигроскопическом состояний, когда его влажность менее W_Г. Точка А называется гигроскопической, а соответствующая ей влажность W _Г - гигроскопической влажностью. В точке А Р_м = Р_п и φ = 100%.

Характерный ход кривой такой зависимости представлен на рис. 11.3, из которого видно, что кривая состоит как бы из трех участков. На первом участке АВ тепло преимущественно расходуется на нагревание материала, и скорость сушки мала. На прямолинейном участке ВС все тепло расходуется только на испарение влаги. В этот период, называемый периодом постоянной скорости сушки, устанавливается динамическое равновесие между скоростью теплопередачи к материалу и скоростью удаления пара от поверхности. При этом температура материала не изменяется, а скорость испарения из материала равна скорости испарения с открытой поверхности жидкости. Эта постоянная температура называется температурой мокрого термометра t _м.т. _. В этот период скорость испарения не зависит от природы твердого материала. Давление пара над материалом равно давлению насыщенного пара Р _Н при t над водой. Влажность в точке С перехода первого периода сушки во второй, более замедленный, называется первой критической влажностью W _кр1.

Во втором периоде сушки уменьшение влажности материала выражается некоторой кривой DK, которая в общем случае состоит из двух участков различной кривизны (отрезки DE и ЕК). Точка перегиба D соответствует второй критической влажности W _кр2. В конце второго периода сушки влажность материала асимптотически приближается к равновесной W _р, при которой прекращается дальнейшее испарение влаги. Скорость сушки определяется из кривой сушки путем графического дифференцирования по тангенсу угла наклона касательной, проведенной к точке кривой, отвечающей влажности материала. В точке С (при первой критической влажности W _кр1) влажность на поверхности материала становится равной гигроскопической. С этого момента начинается испарение связанной влаги. Точка D (вторая критическая влажность) соответствует достижению равновесной влажности на поверхности (W_кр1 = W _кр2) материала.

Внутри материала влажность превышает равновесную. Начиная с этого момента и вплоть до установления равновесной влажности во всей толще материала, скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности. Из-за высыхания все меньшая поверхность остается доступной для испарения влаги в окружающую среду и скорость сушки падает непропорционально уменьшению влажности материала. На участке СD скорость сушки упала из-за уменьшения парциального давления пара над материалом, Р _П менее давления насыщенного пара P _Н. Продолжительность испарения или сушки зависит от скорости сушки на всех этапах. Теоретические расчеты скорости сушки сложны и не точны и в практических расчетах применяются редко.

Чаще при расчете конвективных сушилок их объем находят приближенно, пользуясь средней опытной величиной напряжения объема сушилки по влаге А (кг/см³∙ ч) - параметром, выражающим количество влаги, удаляемой при подобных условиях в единице объема сушильной камеры. При этом рабочий объем сушилки определяется простой зависимостью

, (11.2)

где W - общее количество влаги, удаляемой за весь процесс сушки; Q - производительность сушильного отделения (по весу твердой фазы в материале, подвергающегося сушке), кг/ч; R₁ и R₂ - весовые отношения Ж: Т соответственно в поступающем (W_Н) и выходящем из сушилки (W_К) материале:

и . (11.3)

Следовательно, объем сушилки определяется эмпирически на основании значений А из опытных данных.

Дальнейшие расчеты упрощаются, так как исключаются две переменные - время сушки и количество материала. Для того чтобы провести дальнейшие расчеты, необходимо рассмотреть основные параметры влажного воздуха.