Виды связи влаги с материалом

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается.

П.А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая.

Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из материала сушке.

В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров (капилляров со средним радиусом приблизительно больше и меньше 10^-5 см). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов.

Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют в более широком смысле на свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. Следовательно, при наличии в материале свободной влаги р _м = р _н, где р _н - давление насыщенного пара воды над ее свободной поверхностью. Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения воды со свободной поверхности р _м < р _н.

Скорость сушки влажного материала зависит от влажности материала, при этом наблюдается несколько периодов сушки:

1) период постоянной скорости сушки. В этот период из материала удаляется только свободная влага, процесс сушки описывается законами диффузии жидкости от поверхности материала к газу; величина диффузионного сопротивления внутри материала меньше величины сопротивления в газовой фазе, т.е. скорость сушки в период постоянной скорости определяется диффузией в газовой фазе.

2) период падающей скорости сушки. В этот период влажность материала достигает критического значения.

Диффузионное сопротивление в газовой фазе становится соизмеримым с сопротивлением внутри материала, а в дальнейшем – значительно меньше, скорость сушки в этот период определяется скоростью массопроводности внутри материала.

Основные технологические схемы и типовое оборудование для проведения процесса сушки

Сушка с частичным подогревом воздуха в сушильной камере

В этом процессе во внешнем калорифере K₁ (рисунок 1.1) воздуху сообщается лишь часть тепла, а другая часть передается с помощью дополнительного кало­рифера K₂, установленного в сушильной камере.

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема конвективной сушилки непрерывного действия (основной вариант процесса сушки)

 

Сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам

Сушилка, работаю­щая по этой схеме (рисунок 1.2), состоит из ряда зон, в каждой из которых уста­новлен дополнительный калорифер. Такой многократный, или ступенчатый, подогрев воздуха в сушильной камере позволяет не только вести сушку в мягких условиях – при небольшом перепа­де температур в камере, но и обеспечивает более гибкие усло­вия сушки. Воздух проходит последовательно все зоны, в каждой из которых осуществляется процесс сушки но основной схеме.

Рисунок 1.2 – Сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам

Сушка топочными газами

Используется для неорганических и органических материалов. Температура топочных газов зна­чительно выше температуры воздуха, нагреваемого перед сушкой. В ре­зультате влагопоглощающая способность газов во много раз больше влагопоглощающей способности воздуха и следовательно по­тенциал сушки больше. Процессы протекающие при такой сушке приведены на рисунке (1.3)

 

Рисунок 1.3 – Построение на I–x-диаграмме процесса сушки топочными газами

В качестве сушильного агента применяют газы, полученные либо сжиганием в топках твердого, жидкого или газообразного топлива, либо отработанные газы котельных, промышленных печей или других установок. Используемые для сушки газы должны быть продуктами полного сгорания топлива и не содержать золы и сажи, загрязняющих высуши­ваемый материал в условиях конвективной сушки. С этой целью газы под­вергаются сухой или мокрой очистке перед поступлением в сушилку. Обычно температура топочных газов превышает предельно допустимую для высушиваемого материала и поэтому их разбавляют воздухом для получения сушильного агента с требуемой температурой.