Новости

Кинетика сушки

 

Процесс сушки, как и массообменные процессы, выражается уравнением массопередачи, объединяющим молекулярную и конвективную диффузии:

W = KF{Pм-Pп),

где W - количество испарившейся влаги; К - коэффициент массопередачи; F - поверхность раздела фаз; рм - давление паров влаги у поверхности материала; Рп- парциальное давление паров в воздухе.

Движущая сила процесса сушки определяется разностью давления паров влаги у поверхности материала Рм и парциального давления паров в воздухе Рп, т. е. Рм-Рп- Чем больше эта разница, тем интенсивнее идет процесс испарения влаги. При Рм-Рп=0 наступает равновесие в процессе обмена влагой между материалом и средой. Этому состоянию соответствует устойчивая влажность материала, называемая равновесной влажностью, при которой процесс сушки прекращается.

Скорость сушки U определяется количеством влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени:

U = W/F  кг/м2с.

Удаление влаги происходит за счет испарения ее с поверхности (внешняя диффузия). Вместо испарившейся влаги под действием капиллярных сил к поверхности устремляется влага из внутренних слоев материала (внутренняя диффузия). Вначале испаряющаяся с поверхности влага легко восполняется притоком ее изнутри. В этот период высушиваемое вещество покрыто влажной пленкой и процесс поверхностного испарения можно сравнить с испарением без кипения со свободного зеркала жидкости.

По мере уменьшения влаги в материале его поверхность будет постепенно освобождаться от жидкой пленки, обнажаясь при этом. В данный период с (поверхности будет испаряться лишь та влага, которая силами внутренней диффузии доставляется из глубинных слоев по-капиллярам. По мере продолжающегося испарения влага все с большим трудом поступает к поверхности. В это время на скорость диффузии, что равнозначно скорости сушки, начинают оказывать влияние природные свойства материала и его способность задерживать влагу. В дальнейшем начинает прогреваться верхний слой высушиваемого материала. Вследствие этого часть влаги испаряется уже в капиллярах не успев достигнуть поверхности. В этот момент свойство материала задерживать влагу проявляется особенно сильно. Продолжающееся падение скорости сушки продолжается до стадии равновесного содержания влаги в материале.

Процесс сушки может быть изображен в виде кривой, нанесенной на диаграмму с координатами: скорость сушки - влагосодержание (рис. 64). Из диаграммы видно, что кривая сушки имеет несколько отрезков. Отрезок СД соответствует периоду прогрева материала, является кратковременным и характеризуется неустановившимся состоянием процесса. Скорость сушки возрастает и к концу периода прогрева достигает максимальной величины. Отрезок СА представляет собой прямую линию, параллельную оси абсцисс, которая соответствует периоду постоянной скорости сушки (период внешней диффузии). В этот начальный период сушки внутренняя диффузия настолько интенсивна, что обеспечивает поступление к поверхности более чем достаточного количества влаги. Поэтому при неизменном состоянии окружающего воздуха и постоянной температуре сушки количество ларов,  удаляемых с постоянйои поверхности испарения, в этом случае будет одним и тем же. Точка А - начальная точка периода падающей скорости сушки, иначе говоря, критическая точка процесса сушки. В этот период скорость сушки полностью зависит от скорости диффузии влаги изнутри. Вначале скорость внутренней диффузии падает более или менее равномерно, поэтому и скорость сушки в данный отрезок времени снижается равномерно (равномерно падающая скорость сушки). Поэтому кривая отрезка АВ вначале имеет вид прямой линии и только потом переходит в кривую, характеризующую неравномерно падающую скорость сушки, которая, как отмечалось, выше, соответствует процессу углубления поверхности испарения, когда влага начинает испаряться уже в капиллярах.

Конец сушки (равновесное влагосодержание) на кривой обозначен* точкой В. Необходимо указать, что вначале к поверхности испарения* подводится капиллярная влага как вполне свободная. Что касается внутриклеточной влаги, то она приходит в движение только после полного или частичного испарения капиллярной влаги. Стенки клеток проницаемы для воды и водяного пара.

Продолжительность процесса сушки, а следовательно, и производительность ее зависят от скорости сушки. Скорость сушки является равнодействующей многих факторов. Главными из них являются: 1) природные особенности высушиваемого вещества - его структура, характер

Кинетика сушки (1)

связи с водой, химический состав и т. д.; 2) общая поверхность высушиваемого материала, зависящая от размера кусков, толщины слоя. Чем больше поверхность высушиваемого материала, тем быстрее протекает сушка; 3) количество влаги, подлежащее удалению; 4) влажность и температура воздуха. Чем выше температура воздуха и ниже его относительная влажность, тем быстрее протекает сушка; 5) скорость движения теплоносителя. Чем с большей скоростью проходит теплый воздух в сушилках, тем интенсивнее теплообмен между ним и высушиваемым веществом; 6) интенсивность перемешивания высушиваемого материала. Чем лучше перемешивается материал, тем больше активная поверхность испарения и тем быстрее, следовательно, протекает сушка.

Теплоноситель - нагретый воздух -представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Принося с собой тепло, воздух отдает его влажному веществу. Одновременно в воздух переходят пары влаги, выделившиеся из высушиваемого вещества. Однако способность воздуха насыщаться водяным паром не беспредельна, а ограничена вполне определенными величинами при данной температуре и данном давлении. За пределами насыщения пары выпадают из воздуха в виде тумана, что влечет за собой увлажнение вещества.

Способность воздуха выполнить задачи сушки определяется следующими параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влаго-содержанием и теплосодержанием влажного воздуха.

Абсолютной (или объемной) влажностью воздуха называется масса в килограммах водяных паров, содержащихся в 1 м3 влажного воздуха.

Относительной влажностью воздуха называется отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству пара в 1 м3 воздуха при тех же температурах и давлении. Относительная влажность характеризует степень насыщения воздуха влагой.

Влагосодержанием воздуха (х) называется количество водяного пара в килограммах, приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха. Величина х характеризует относительный весовой состав влажного воздуха.

Теплосодержание влажного воздуха (/) представляет собой сумму теплосодержания сухого воздуха и водяного пара, находящегося в нем.

Приняв обозначения: γп-относительная плотность водяного пара, находящегося во влажном ненасыщенном воздухе, в кг/м2; уи- относительная плотность водяного пара при полном насыщении воздуха в кг/м3; Р„- парциальное давление водяного пара при фактическом содержании во влажном воздухе в Н/м2; Рн - парциальное давление водяного пара при полном насыщении влажного воздуха в Н/м2; Gn - масса водяного пара во влажном воздухе; GCB- масса сухого воздуха в том же объеме; Мп и Мс - величины молекулярных масс водяного пара и сухого воздуха; Р - полное давление влажного воздуха в Н/м2, можно составить следующие уравнения.

1. Для  относительной влажности  воздуха:

Кинетика сушки (2)

т. е. относительная влажность определяется как отношение плотностей или, поскольку плотность пара пропорциональна его парциальному давлению в смеси, как отношение парциального давления паров воды, находящихся в воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. 2. Для влагосодержания воздуха:

 

Кинетика сушки (3)

Из формулы относительной влажности следует:

Кинетика сушки (4)

Подставляя значение Рп и величины молекулярных масс, получим следующую зависимость влагосодержания воздуха от его относительной влажности:

Кинетика сушки (5)

где 0,622 представляет собой частное от деления 29,27 (газовая постоянная сухого воздуха) на 47,06 (газовая постоянная водяного пара). 3. Для теплосодержания   влажного   воздуха:

Кинетика сушки (6)

где t-температура влажного воздуха в °С; х- влагосодержание в кг влаги/кг сухого воздуха; 1000 - теплоемкость сухого воздуха; 1970 - теплоемкость водяного пара; 2493*103 -скрытая теплота парообразования при 0°С. Если за единицу количества тепла принята 1 ккал, эта формула примет вид:

Кинетика сушки (7)

где t - температура влажного воздуха в °С; 0,24 ккал/кг °С - теплоемкость сухого воздуха; 0,46 ккал/кг °С - теплоемкость водяного пара; х-влагосодержание в кг влаги/кг сухого воздуха; 595 ккал/кг - скрытая теплота парообразования при °С.

Параметр <р характеризует способность воздуха поглощать воду, испаряемую из влажного вещества, т. е способность воздуха уносить пары из сушилки. Совершенно очевидно, что нужно стремиться к тому, чтобы значение ф было наименьшим при входе воздуха в сушилку и наибольшим при выходе из нее. Однако значение ф не следует особенно близко подводить к единице во избежание опасности конденсации паров и, следовательно, отсыревания уже сухого вещества. Температуру, при которой воздух данного состояния, охлаждаясь при постоянном влагосо-держании, становится полностью насыщенным, называют точкой росы. При температуре точки росы дальнейшее охлаждение влажного воздуха ведет к выпадению из него влаги, что практически и наблюдается в виде росы, выпадающей на холодных предметах. Параметром j характеризуется количество тепла, доставляемое воздухом, которое расходуется на нагревание вещества и испарение содержащейся в нем влаги. Параметр х является основным при расчете сушилок.



27.06.2015