Способы удаления влаги и виды сушки. Классификация форм связи влаги с материалом. Статика и кинетика сушки

Влага может быть удалена различными способами:

1) механический (прессование, отстаивание, фильтрование, центрифугирование) – удаляется влага, не имеющая прочной связи с материалом;

2) физико-химический (поглощение гигроскопическими материалами (H₂SO₄, NaCl)) – удаление дорогое и сложное;

3) тепловое (испарение, выпаривание, конденсация) – используется при необходимости быстрого удаления влаги.

Процесс удаления влаги из материала с использованием тепловой энергии влаги и с отводом образующихся паров называется сушкой. Выделяют естественную и искусственную сушку.

Основным видом сушки является искусственная сушка. Процессы сушки и применяемые для них установки классифицируют по различным признакам. К наиболее существенным из них следует отнести способ подвода тепла, давления в рабочем пространстве, характер работы установки, направление движения материала и сушильного объекта, конструктивные признаки.

По способу подвода тепла различают сушку конвективную, контактную, радиационную, диэлектрическую (материал нагревается под действием электрического поля), сублимационную (при низких температурах и глубоком вакууме влага (в твёрдой фазе) испаряется без перехода в жидкое состояние).

По давлению в рабочем пространстве различают атмосферные сушилки (давление существенно не отличается от атмосферного) и вакуумные (давление значительно ниже атмосферного).

По характеру работы – непрерывного и периодического действия.

По направлению движения – прямоточные и противоточные сушилки.

По конструктивным особенностям сушилки бывают камерные, туннельные, шахтные, конвейерные.

Процесс перехода влаги, находящейся в твёрдом материале, из жидкой среды в газообразную может протекать лишь тогда, когда давление пара над поверхностью материала больше давления в окружающей среде.

Различают две стороны сушки – статику и кинетику. Статика сушки устанавливает связь между начальными и конечными параметрами участвующих в сушке веществ (материала и сушильного объекта) на основе уравнений материального и теплового баланса. Из статики определяется расход сушильного объекта, состав материала, расход тепла.

Кинетика сушки устанавливает связь между изменением материала во времени и параметрами процесса (свойства и структура материала, его размеры). Уравнения кинетики сушки характеризуют процесс удаления влаги из материала во времени и используются для определения длительности и режима сушки.

Для расчёта процессов сушки и создания рациональных конструкций сушилок необходимо совместное рассмотрение статики и кинетики процесса.

 

Материальный и тепловой баланс воздушной сушки

Материальный баланс сушки

m₁, m₂– количество влажного материала, поступающего в сушилку, и высушенного материала соответственно, кг/с

U₁, U₂ – влажность материала (U₁ и U₂ весовых долей соответственно)

W – количество испарённой влаги, кг/с

Материальный баланс по всему количеству материала: m₁=m₂+W, кг/с (1)

Баланс по абсолютно сухому веществу, количество которого не меняется в процессе сушки: mсух=m₁·(1-U₁)= m₂·(1-U₂) (2)

Из (1) и (2) определяют m₂ и W.

Для теплового расчёта сушилки необходимо знать расход воздуха на сушку, который определяется из баланса влаги. Если на сушку расходуется L кг абсолютно сухого воздуха, причём влагосодержание влажного воздуха в сушилке на входе Х₀ кг/кгсух.в., а сухого – Х₂ кг/кгсух.в., то с воздухом поступает (L·X0) кг влаги, с отработанным воздухом – (L·X2) кг, из материала испаряется W кг влаги. Тогда баланс влаги в сушилке: L·X₂=L·X₀+W.

Расход воздуха составляет: L=W/(X₂-X₀)

Удельный расход воздуха (на 1 кг влаги): l=L/W=1/(X2-X0), кгсух.в/кгвл (3)

Из (3) видно, что l зависит только от разности влагосодержаний отработанного и свежего воздуха. Расход воздуха тем выше, чем выше его Х₀, которое определяется температурой и относительной влажностью воздуха. Расход воздуха при других условиях выше.

Расход воздуха в летних условиях больше, чем в зимних, и устройства для перемещения воздуха (вентиляторы, газодувки) необходимо выбирать по расходу на самый тёплый месяц года. Значение t₀ и φ₀ зависят от условий района, где работает сушилка.

 

Тепловой баланс сушки

С, Св, С₂,Ст – средние удельные теплоёмкости: сушильного агента (на 1 кг сухого); влаги, удалённой из материала; высушенного материала; транспортных устройств сушилки, Дж/(кг·⁰С).

t₀, t₂ – температура сушильного агента до и после сушилки, ⁰С

θ₁, θ₂ – температура материала на входе и выходе из сушилки, ⁰С

mт – масса транспортных устройств, кг

 – температура транспортных устройств на входе и выходе из сушилки,  ⁰С

 – энтальпия водяного пара в свежем и отработанном виде, Дж/кг

Баланс тепла:

1) приход тепла: L·C·t₀

2) с высушенным материалом: m₂·C₂·θ₁

3) с влагой, испаряемой материалом: W·Св·θ₁

4) физическое тепло транспортных устройств: mт·Cт·

5) подводимое тепло: Q=Qн+Qдоб, где Qн – тепло нагревания сушильного объекта (в воздухонагревателе или топке), Qдоб – дополнительное тепло в сушильной камере (от дополнительных воздухонагревателей)

Расход тепла:

1) в сушильном агенте: L·C·t₂

2) с высушенным материалом: m₂·C₂·θ₂

3) с влагой, испаряемой материалом: W·

4) физическое тепло транспортных устройств: mт·Cт·

5) потери тепла в окружающую среду: Qп