ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Основы кинетики сушки

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса:

а) сушка (десорбция влаги из материала) - если парциальное давление пара над поверхностью материала Рпм превышает его парциальное давление в окружающей среде Рпс (Рпм > Рпс);

б) увлажнение (сорбция влаги материалом) - если Рпм < Рпс.

В процессе сушки величина Рпм уменьшается и приближается к пределу Рпм = Рпс. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответст­вует предельное влагосодержание материала Пр, называемое равновесным.

Основным способом исследования процесса сушки является эксперименталь­ное получение изотерм сорбции материалов, которые дают возможность установить связь между влагосодержанием материала и относительной влажностью воздуха, а также определить равновесное влагосодержание при сушке.

Скорость сушки характеризуется изменением влагосодержания высушиваемо­го материала в единицу времени:

* = - d-U,

dt

где U - влагосодержание материала (кг влаги/кг сухого), t - продолжительность сушки.

Средняя скорость сушки за весь ее период

* =

mc

где тв - масса испаренной влаги, mc - масса абсолютно сухого материала.

Различают два периода сушки:

1. Период постоянной скорости, когда влага испаряется со всей поверхности материала. В этом периоде скорость сушки определяется только интенсивностью массоотдачи с поверхности материала в окружающую среду.

2. Период падающей скорости, когда поверхность испарения влаги постепенно уменьшается и скорость все больше определяется интенсивностью перемещения влаги изнутри материала к его поверхности. В конце второго периода испарение влаги с поверхности материала может прекратиться совсем и переместиться в его

внутренние слои. В таких случаях второй период разделяют на две стадии: равно­мерно и неравномерно падающей скорости сушки.

В первом периоде сушки и на первой стадии второго из материала удаляется механически связанная влага, на второй стадии второго периода - адсорбционно и осмотически связанная. Двум основным периодам предшествует относительно ко­роткий период прогрева материала до температуры сушки (АВ на рисунках 5.1, 5.2).

Кинетика сушки обычно изучается экспериментально - путем взвешивания об­разца высушиваемого материала через определенные промежутки времени и расче­та его влагосодержания. По результатам эксперимента строят т. н. кривую сушки (рисунок 5.1), которая позволяет выделить периоды процесса и определить их про­должительности.

Первый период (ВК1)- это изменение влагосодержания материала от начально­го инач до критического икр. Температура материала 9 в течение всего первого пе­риода соответствует температуре мокрого термометра ґм сушильного агента. Во втором периоде (К1С) температура материала повышается до конечной температуры сушильного агента t2, а влагосодержание падает до равновесного ир и далее не ме­няется (CD). Если второй период состоит из двух стадий, то выделяется участок равномерно падающей скорости сушки (К1К2) и отмечается второе критическое влагосодержание С'кр. Путем графического дифференцирования кривой сушки, т. е. проведения касательной к ней и определения тангенса угла ее наклона к оси t (угол а на рисунке 5.1), можно вычислить мгновенную скорость сушки и на основе ре­зультатов дифференцирования построить кривую скорости сушки (рисунок 5.2). С
помощью этой зависимости устанавливается целесообразное конечное влагосодер­жание высушиваемого материала.

Скорость сушки в первом периоде можно определить из уравнения массоотдачи

тв =Р-F-АГср - т,

где b - коэффициент массоотдачи от влажной поверхности к потоку сушильного агента (кг/м2/с),

F - поверхность испарения высушиваемого материала,

где f - удельная поверхность абсолютно сухого материала (м2/кг).

Коэффициент массоотдачи Р можно определить из критериального уравнения

Nu’ = B • Ren • (Pr’ )0 333 • Gu0135 . (5.3)

В этом уравнении: Nu’ = b-l/D - массообменный критерий Нуссельта,

Re = w-l/n - критерий Рейнольдса,

Pr’ = n/D - диффузионный критерий Прандтля,

Gu = (T1 - Тм)/Т1 - критерий Гухмана.

Значения коэффициентов B и n зависят от значения критерия Рейнольдса, например при Re > 6000 B = 0.35, n = 0.65. В выражения для вычисления критериев входят следующие величины:

l - определяющий размер (длина поверхности испарения в направлении дви­жения сушильного агента),

D - коэффициент диффузии паров воды в среде сушильного агента (м2/с), w - скорость движения сушильного агента, n - его кинематическая вязкость,

Т1, Тм - абсолютные температуры сушильного агента на входе в сушилку и мокрого термометра.

По известному значению N может быть приблизительно найдена продолжи­тельность сушки т = т1 + т2, где длительность первого периода

U нач Uкр

т =---------------- --

1N

а длительность второго

Формула (5.5) получена в результате решения дифференциального уравнения, характеризующего процесс изменения влагосодержания внутри частицы материала при следующих допущениях:

- частицы материала имеют форму шара;

- поры в частице и влага в них распределены равномерно;

- все сопротивление массопереносу сосредоточено внутри частицы, т. е. подво­димая к ее поверхности влага отводится моментально.

Замечание: значения критического икр и равновесного ир влагосодержания ма­териала определяются экспериментально, с помощью кривой сушки и изотерм сорбции, а его конечное влагосодержание ик определяется требованиями стандар­тов или технических условий на продукт. Обычно икр< ик <ир, причем соответст­вующая ик скорость сушки не должна быть слишком низкой (проверяется по кри­вой скорости сушки).