Кінетика сушіння 1

Сутність процесу сушіння полягає в дифузії вологи з внутрішніх шарів до поверхні матеріалу і випаровуванні її на поверхні з переходом в навколишнє газоподібним середовищем. Такий процес може протікати лише в тому випадку, якщо парціальний тиск пара в прикордонному шарі над поверхнею матеріалу більше парціального тиску пари навколишнього газоподібного середовища. У теплових процесах зневоднення матеріалу розглядають два завдання - кінетику і статику сушки.

Кінетика сушіння встановлює зв'язок між зміною вологості матеріалу в часі і параметрами процесу: властивостями і структурою матеріалу, його розмірами, гідродинамічними умовами обтікання матеріалу сушильним агентом і іншими факторами. Рівняння кінетики описують процес видалення вологи з матеріалу в часі і використовуються для визначення тривалості і режиму сушки.

Статика сушки встановлює зв'язок між початковими і кінцевими параметрами беруть участь в сушінні матеріалу і сушильного агента на основі матеріального і теплового балансів. За допомогою залежностей статики сушіння визначають склад матеріалу, витрата сушильного агента, тепла і палива.

Для розрахунку процесу сушіння і створення раціональних конструкцій сушарок необхідно спільне розгляд кінетики і статики сушіння. Механізм сушки вологих матеріалів визначається в основному формою зв'язку вологи з матеріалом, а також режимом сушіння або умовами випаровування вологи з поверхні матеріалу в навколишнє середовище.

В якості основної класифікації форм зв'язку вологи з матеріалом зазвичай приймають схему, де всі форми зв'язку діляться на хімічну, фізико-хімічну і фізико-механічну. Хімічно зв'язана волога володіє найбільшою енергією зв'язку з матеріалом, знаходиться в точних кількісних співвідношеннях з сухою речовиною. Ця волога може бути видалена з матеріалу при температурі вище 120 - 200 ° С, але при цьому, як правило, буде змінюватися молекулярна структура матеріалу.

До фізико-хімічно зв'язаної вологи відноситься адсорбційна і осмотична. Адсорбционно-пов'язана волога утримується на поверхні колоїдних частинок молекулярними силами. За своїми фізичними властивостями вона відрізняється від вільної води. Адсорбція вологи тілом супроводжується виділенням теплоти. Волога, що поглинається тілом без виділення теплоти, яка не відрізняється за своїми властивостями від звичайної вільної рідини (води), називається осмотически пов'язаної.

В технології сушіння вологу, що знаходиться в матеріалі, зазвичай поділяють на два види: вільну і гигроскопическую. Швидкість випаровування з поверхні матеріалу вільної вологи визначається за законом випаровування її з вільної поверхні рідини, а саме при парціальному тиску пари над поверхнею матеріалу (при нескінченно малій швидкості сушки), що дорівнює тиску насичення при температурі прикордонного шару, що дорівнює температурі поверхні матеріалу.

Якщо парціальний тиск пара в прикордонному шарі буде менше тиску насичення, то в цей період видаляється гігроскопічна волога. Вона міцніше пов'язана з матеріалом і видалити її важко, а іноді і недоцільно. Гигроскопическую вологу ωг матеріалу можна вважати кордоном між вільної вологою і пов'язаної.

У процесі сушіння кількість вологи в матеріалі зменшується. Може наступити такий стан, коли парціальний тиск пара в шарі газу над поверхнею матеріалу дорівнюватиме парціальному тиску пари в навколишньому середовищі, в цей момент настає рівноважний стан газових систем в сушильній камері, сушка припиняється. Вологість такого матеріалу ωр називається рівноважної.

Мал. 1 - Залежності вмісту вологи і швидкості сушіння вологих матеріалів від часу: а - при постійних параметрах сушильного агента; б. в - типові і більш складні криві швидкості сушіння

де W - кількість вологи, що знаходиться в матеріалі в даний час, кг;

На початку процесу швидкість сушіння різко зростає до постійного значення dωс / dτ = const, але, починаючи з критичної точки К1 вона зменшується за різними законами і при досягненні значення ωр стає рівною нулю. Найпростішою кривої (прямий) в період падаючої швидкості сушки буде лінія (1), що проходить через точки К1 і ωр (див. Рис. 1, б). Такий характер зміни швидкості буде при сушінні тонких волокнистих матеріалів (паперу, тонкого картону). Залежність, виражена кривої (2), спостерігається при сушінні тканин, тонких шкір і т. Д. Крива (3) відповідає сушінні пористих керамічних матеріалів.

У більш складних за структурою вологих матеріалів у другій період спостерігаються і більш складні залежності швидкості сушіння. Наприклад, для глини та інших подібних матеріалів (див. Рис. 1, ст. Крива 4) спочатку від точки К1 до К2 швидкість сушіння змінюється по прямій лінії, а потім від К2 до ωр - по кривій, зверненої до осі абсцис. Для інших матеріалів швидкість сушіння в цей період може змінюватися по лініях (5) і (6).

Капіллярнопорістие тіла, мало що змінюють свої розміри в першому періоді, мають дещо відмінні від варіанту а температурні криві. З самого початку процесу сушіння до другого критичного вологовмісту спостерігається різниця температур між поверхнею tп і центром tц (рис. 2, б), зменшується при наближенні до точки К2. Це відбувається тому, що, як в першому, так і в другому періоді сушіння, рідина частково випаровується всередині матеріалу. За досвідченим температурним кривим з достатнім ступенем точності можна встановити форми зв'язку вологи з матеріалом.

Мал. 2 - Залежності температури і інтенсивності сушки від втрат вологи з матеріалу: а - для вологих матеріалів, які не дають усадки в першому періоді сушіння, - tм (ω); б - для капіллярнопорістих матеріалів tм (ω); в - для шару піску, зверху якого насипано великий пісок, m (ω); г - для шару піску, зверху якого засипана дрібним, m (ω); 1 - 25% крупного або дрібного піску; 2 - те ж 50%; 3 - те ж 75%; 4 - те ж 100% (однорідний пісок)

Крім визначення різних форм зв'язку вологи з матеріалом, в тому числі і різних видів капілярної вологи, температурні криві мають велике значення для технології сушіння, так як якість випущеної продукції в значній мірі залежить від температури матеріалу і тривалості її впливу.

Наступним показником, який визначає процес тепло- і масообміну на поверхні матеріалу, є інтенсивність сушки.

Інтенсивністю сушки називається кількість вологи, вилученої з одиниці поверхні матеріалу у вигляді пари і рідкої фази в одиницю часу m. кг / (м 2 · год).

Якщо шар крупного піску насипати зверху на шар дрібного, то в процесі сушіння виходять чотири критичних точки К1. К2. К3. К4 (рис. 2, в). Верхня частина графіка відповідає сушінні крупного піску з постійною швидкістю, а отже, і інтенсивністю до точки К1. Потім інтенсивність сушки різко зменшується, що відповідає видаленню гігроскопічної вологи з крупного піску. У точці К3 і правіше від неї (криві 1, 2) починається сушка дрібного піску при постійній інтенсивності, точка К4 відповідає початку видалення гігроскопічної вологи з дрібного піску.

Якщо ж шар дрібного піску насипати зверху на шар крупного піску, то криві швидкості та інтенсивності сушіння мають нормальний вигляд з одним періодом постійної швидкості (рис. 2, г).

Аналіз експериментальних досліджень показує, що швидкість сушіння визначається і обмежується багатьма факторами, уявити які у вигляді однієї функціональної залежності практично не представляється можливим.

Чим вище температура і швидкість сушильного агента і чим нижче його відносна вологість, тим швидше відбувається сушка. Однак слід мати на увазі, що температура, відносна вологість і швидкість сушильного агента повинні бути такими, при яких не змінюються фізико-хімічні властивості, форма і колір матеріалу і не відбувається його винесення з сушильної камери.