Принципиальные схемы конвективной сушки

Кроме простой однократной воздушной сушки, когда воздух нагревается и один проходит через сушильную камеру (см. рис. 14.6, г) существует ряд других вариантов.

Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха (рис. 14.8). Для осуществления процесса обычно принимают максимальные и минимальные значения температур воздуха t_max и t_min. Воздух предварительно нагревается калориферами 1 до t_max и после этого взаимодействует с влажным материалом в сушилке 2, охлаждаясь до температуры t_min. Затем воздух вновь нагревают до температуры t_max и направляют для взаимодействия с влажным материалом, температура воздуха понижается до t_min и т. д. Конечные параметры воздуха в этом случае определяются точкой В.

Рассмотренный вариант сушки характеризуется тем, что требуемое количество теплоты подводится к высушиваемому материалу при пониженной температуре воздуха. Пунктирные линии показывают, что для сушки без промежуточного подогрева воздуха потребовалось бы предварительное нагревание его до температуры t₁ (точка С), более высокой, чем t_max.

Сушка с частичным возвратом отработавшего воздуха (рис. 14.9). Исходный воздух смешивается с частью отработавшего воздуха,

который возвращается на вход в сушилку вентилятором 3 (линии АС и ВС), далее нагревается калорифером 1 до требуемой температуры t _D и после этого взаимодействует с высушиваемым материалом в сушилке 2. Особенностями этого варианта сушки по сравнению с сушкой при однократном проходе воздуха являются пониженная температура воздуха при контактировании его с влажным материалом, повышенное начальное влагосодержание воздуха, его больший объемный расход и линейная скорость воздуха в сушильной камере, приводящая к увеличению коэффициентов массоотдачи.

Сушка с замкнутой циркуляцией высушивающего газа (рис. 14.10, а). Применяется в тех случаях, когда в качестве высушивающего газа используют чистые и дорогостоящие газы, либо осуществляется сушка вредных, токсичных продуктов. В этих условиях отработав‑

ший газ не может отводиться в атмосферу, и появляется необходимость замкнутой его циркуляции с последующей утилизацией.

Процесс осуществляется следующим образом. Полностью насыщенный водяными парами газ нагревается калорифером 1 (это соответствует линии АВ на рис. 14.10, б), в результате чего резко снижается его относительная влажность и одновременно возрастает высушивающая способность. После этого газ взаимодействует с влажным материалом в сушилке 2 (этот процесс отражается линией ВС), насыщаясь влагой. Увлажненный газ охлаждается до точки росы в конденсаторе 3 (этому соответствует линия CD),

часть находящейся в нем влаги конденсируется в результате дополнительного охлаждения воздуха и собирается в сборнике 4 (кривая DA). Затем газ вновь направляется на нагревание и сушку, а сконденсированная жидкость отводится в сборник 5.

Следует подчеркнуть, что, используя тот или иной рабочий вариант сушки, можно лишь ускорить или замедлить процесс массопередачи, сделать более мягкими или более жесткими условия его проведения, но нельзя существенно повлиять на расход теплоты, поскольку она, как было показано, определяется только начальными и конечными параметрами высушивающего газа.

Контактная сушка

Контактная сушка, или сушка на греющих поверхностях, осуществляется при атмосферном давлении и под вакуумом, понижающим температуру сушки и увеличивающим ее скорость.

Материальный баланс контактной сушки можно описать уравнениями (14.8) и (14.9).

Тепловой баланс контактной сушки отражает два периода осуществления процесса: нагревание материала до начальной темпе­ратуры сушки и собственно сушка.

Соответственно расход теплоты на нагрев материала (первый период процесса контактной сушки) составит

где Q _с.в – количество сухого вещества, содержащегося в подаваемом на сушку влажном материале; с _с..в – теплоемкость сухого вещества; t_{c. н}, t_н – начальные температуры сушки и влажного материала; W — количество влаги, содержащееся в исходном материале и испаряющееся в процессе сушки; с_в – теплоемкость влаги; Q _{п. н} – потери в окружающую среду при нагревании материала.

Расход теплоты собственно на сушку (второй период) составляет

где t_{с. к} – конечная температура сушки; i – энтальпия водяных паров, образующихся при сушке; Q _{п. с} – потери теплоты в окружающую среду при сушке.

Радиационная сушка осуществляется подводом к материалу тепловой энергии потоком инфракрасных лучей. Поскольку удельные тепловые потоки к материалу в десятки раз превышают соответствующие величины при контактной и конвективной сушке, происходит интенсивный нагрев и испарение влаги из высушиваемых тел.

В качестве нагревающих устройств при радиационной сушке применяют либо специальные электролампы с увеличенными нитями накаливания, либо экраны или панели, нагреваемые газом или электрическим током. В современных установках эффективно используются излучающие насадки с беспламенными горелками. Радиационные сушилки компактны и эффективны для сушки тонколистовых материалов и окрашенных поверхностей.

Диэлектрическая сушка (сушка токами высокой частоты) предназначена для высушивания толстослойных материалов, когда необходимо регулировать скорость сушки, температуру и влажность не только на поверхности, но и в глубине материала.

Физические основы диэлектрической сушки заключаются в том, что под действием электрического поля ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением заряда электродов, полярные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются в результате смещения их зарядов. Эти процессы приводят к выделению теплоты, которая равномерно нагревает материал, способствуя перемещению влаги к периферийным слоями испарению ее с поверхности тела.

Таким образом можно сушить материалы, обладающие диэлектрическими свойствами. Однако диэлектрическая сушка требует расходов энергии, в несколько раз превышающих соответствующие расходы на контактную или конвективную сушку, а также более сложного и дорогого оборудования.

Сублимационная сушка – удаление влаги, находящейся в материале в виде льда, переводом в пар, минуя жидкое состояние. Теплота, расходуемая на испарение влаги, подводится к материалу излучением от обогреваемых теплоносителем (горячей водой) полых плит. Остаточное давление в сублимационных сушилках составляет 13... 133 Па (0,1... 1,0 мм рт. ст.), температура порядка -50°С.

Сушку производят при мягком обогреве замороженного материала, так как количество передаваемой теплоты не должно превышать ее расход на сублимацию льда без его плавления.

Способ сублимационной сушки дорогостоящ и целесообразен только в тех случаях, когда к высушенному продукту предъявляются высокие требования по сохранению свойств при длительном хранении (в частности, биологических).

Сублимационную сушку применяют для высушивания плазмы крови, лекарственных препаратов, высококачественных продуктов питания и т. д.

Конструкции сушилок

Современная техника сушки чрезвычайно разнообразна. Стремление к интенсификации процессов сушки и производительности единичного агрегата привело к созданию разнообразных конструкций сушильного оборудования.

Сушилки классифицируют:

· по принципу действия (периодические и непрерывные);

· по виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые);

· по величине давления (атмосферные, вакуумные);

· по направлению движения материала и сушильного агента для конвективных сушилок (противоточные, прямоточные, с перекрестным током);

· по состоянию высушиваемого слоя (неподвижный, движущийся, взвешенный и фонтанирующий);

· по способу подвода теплоты к высушиваемому материалу (контактные (кондуктивные), конвективные (воздушные и газовые), специальные).

Сушилки для контактной сушки используют в тех случаях, когда непосредственный контакт высушиваемого материала и сушильного агента недопустимы.

Сушильный шкаф – сушилка периодического действия (рис. 14.11), представляющая собой горизонтальный цилиндрический корпус 1 с греющими плитами 2, на которых располагается высушиваемый материал. Шкафы могут работать как при атмосферном давлении, так и под вакуумом. Образовавшиеся пары отводятся через патрубок 3.

К недостаткам сушильных шкафов относятся невозможность проведения непрерывных процессов, наличие ручных операций, малая производительность. Сушильные шкафы применяют в малотоннажных и штучных производствах, для сушки разнородных материалов.

Гребковые сушилки являются более сложными аппаратами (рис. 14.12). Обычно они имеют горизонтальный цилиндрический корпус 1, внутри которого находится гребковая мешалка 6. Аппарат снабжен загрузочным 4 и разгрузочным 3 люками, паровой рубашкой 2. Патрубок 5 служит для отвода паров, образующихся при сушке, либо в атмосферу, либо в вакуум-конденсационную систему. Высушиваемый материал заполняет обычно 0,2... 0,3 общего объема аппарата. Гребки мешалки расположены под углом к оси аппарата и могут вращаться в различных направлениях. Благодаря этому материал перемещается слева направо либо справа налево. В процессе сушки, а также выгрузки высушенного материала из аппарата направление вращения мешалки периодически изменяют.

Вальцовые сушилки применяются для сушки пастообразных и липких материалов. Сушка в них осуществляется на наружных поверхностях пустотелых вращающихся барабанов, в которые подается теплоноситель (насыщенный водяной пар). Образовавшийся ' в результате сушки за один оборот барабана тонкий слой материала снимается ножом.

Вальцовые сушилки могут быть как одно-, так и двухвальцовыми.

Все приведенные конструкции могут работать под вакуумом, что имеет ряд существенных преимуществ перед сушкой при атмосферном давлении: независимость процесса от атмосферных условий; создание стерильности среды; сушка при низких температурах, что особенно важно для обработки веществ, не выдерживающих высокотемпературного нагрева; быстрота сушки; меньший расход теплоты; меньшие габаритные размеры установки; возможность более полного улавливания ценных или вредных паров, выделяющихся при сушке; пожаробезопасность.

К недостаткам вакуум-сушки следует отнести более высокую стоимость сушильного агрегата (который включает кроме сушилки с нагревательными элементами конденсатор для конденсации отгоняющихся паров и вакуум-насос для создания разрежения в системе).

Конвективные (воздушные) сушилки как правило состоят из трех основных элементов: камеры, в которой происходит контакт высушиваемого материала с сушильным агентом, узлов подогрева и транспорта сушильного агента.

Камерные сушилки являются простейшими сушилками периодического действия. Высушиваемый материал располагается в камерной сушилке (рис. 14.13) на полках 2, смонтированных внутри камеры 1. Сушильный агент (горячий воздух) перемещается между полками над слоем высушиваемого материала. Свежий воздух засасывается вентилятором 4 через окно 5 и подогревается в калориферах 3. Отработавший воздух отводится в атмосферу через окно 7 либо возвращается в калорифер через окно 6.

Камерные сушилки применяют главным образом при высушивании материалов, требующих длительной сушки или сложного индивидуального режима, а также для высушивания небольших партий материалов.

Туннельные сушилки (рис. 14.14) представляют собой длинные камеры, внутри которых по рельсам перемещаются вагонетки 1 с высушиваемым материалом. Нагретый в калориферах 3 воздух, подаваемый вентиляторами 2, обтекает лотки или противни (размещенные на вагонетках) прямо- или противотоком (или перекрестным током). По сравнению с камерными сушилками, туннельные более удобны, так как в них сушка идет непрерывно, но затрачивается много ручного труда при их обслуживании (разгрузка, выгрузка и т.д.). Туннельные сушилки используются при сушке штучных изделий (кирпича, керамики), окрашенных и лакированных металлических поверхностей, пищевых продуктов и т. п.

Ленточные сушилки (рис. 14.15), предназначенные для сушки сыпучих материалов, представляют собой камеру 2, в которой расположены одна или несколько движущихся бесконечных лент 3. Пересыпание материала с ленты на ленту способствует его перемешиванию, что ускоряет процесс сушки. Загрузка матери‑

ала в сушилку осуществляется через бункер 1, выгрузка – через бункер 6. По отношению к материалу воздух, подаваемый вентилятором 4 и нагреваемый калорифером 5, может двигаться в этих сушилках прямотоком, противотоком, поперек движения ленты, а также направляться сквозь слой материала, лежащего на перфорированной ленте. Отвод отработавшего воздуха осуществляется через газоход 7.

Барабанные сушилки (рис. 14.16) применяют для сушки различных сыпучих материалов. Основным узлом этих сушилок является полый барабан 1, установленный под небольшим углом а к горизонту. Барабан снабжен бандажами 2, каждый из которых катится по двум опорным роликам 7 и фиксируется упорными роликами 6. Барабан приводится во вращение с помощью зубчатого колеса 10, насаженного на барабан. Влажный материал вводится в барабан через питатель 9. При вращении барабана высушиваемый материал пересыпается и движется к приемному бункеру 5. За время пребывания материала в барабане происходит его высушивание при взаимодействии с газообразным теплоносителем. Обычно теплоносителем являются топочные газы, которые поступают в барабан из топки 8.

Для равномерного распределения материала по поперечному сечению барабана и улучшения его взаимодействия с газом в барабане устанавливают распределительные насадки. Теплоноситель может двигаться по отношению к высушиваемому материалу как прямотоком, таки противотоком.

Отработавшие газы отсасываются через циклон 4 вентилятором 3.

Распылительные сушилки (рис. 14.17) применяют для сушки жидких пищевых продуктов, ферментов и растворов минеральных солей, красителей и т. д. Сушилки представляют собой камеру 5 (полую башню с диаметром до 5 м и высотой до 8 м), в верхней части которой распыливается высушиваемый материал через форсунки 1 или с помощью центробежных распылителей. Высушенный продукт в виде порошка шнеком 4 отводится из сушилки. Скорость сушки велика, время сушки снижается до сотых долей секунды.

Поскольку скорость сушильного агента составляет порядка 0,4 м/с, для улавливания унесенного им высушенного материала его пропускают через систему пылеуловителей: циклонный аппарат 2 и рукавный фильтр 3. Уловленный материал собирается шнеком 4. Поверхность контакта капель с воздухом достигает 300 м² на 1 дм³ высушиваемого материала. С помощью распылительных сушилок получают продукт однородного монодисперсного состава.

Сушилки со взвешенным (псевдоожиженным) слоем (рис. 14.18) применяют для сушки сыпучих материалов (зерна, минеральных солей, угля и т. п.), а также паст и растворов. Сырой материал с шнека питателя 3 поступает в корпус 2, через отверстия в решетке 1 поступает снизу газ, сухое вещество удаляется через разгрузочное устройство 4. В промышленности применяют аппараты круглого и прямоугольного сечения, одно- и многокамерные, аэрофонтанные, с кипящим, виброожиженным или с фонтанирующим слоем. В последнее время эти сушилки получают все большее применение.

Пневматические сушилки (рис. 14.19) применяют для интенсивного удаления свободной (поверхностной) влаги. Линейная скорость воздуха в сушильной трубе должна быть больше скорости уноса высушиваемых частиц. Практически принимают, что 1 кг воздуха перемещает по пневматической трубе от 8 до 20 кг высушиваемого материала.

Высушиваемый материал подается из бункера 4 дозатором 3 в вертикальную трубу 5, по которой движется воздух, подаваемый

вентилятором 1 и нагреваемый калорифером 2. Отделение высушенного в трубе 5 материала от сушильного агента осуществляется в циклоне 7 и фильтре 6, разгрузка – через устройство 8.

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются назначение и основные принципы процесса сушки?

2. Какие виды сушки различают по способу подвода теплоты к влажному материалу?

3. Какими параметрами определяется равновесие в процессе сушки?

4. Каким образом выражается концентрация влаги в различных материалах?

5. Какими периодами определяется кинетика процесса конвективной сушки?

6. Каково назначение диаграммы состояния влажного атмосферного воздуха (i – х)?

7. Какие существуют принципиальные схемы конвективной сушки и как они изображаются на диаграмме i - x?

8. Какие основные типы контактных и конвективных сушилок существуют?