Урок 18. ПиАХТ Сушка

Процессы и аппараты химической технологии

Урок 18. Сушка. Назначение и способы ведения. Свойства влажного воздуха. Диаграмма влажного воздуха

Сушка (высушивание) — тепломассообменный процесс удаления жидкости из твёрдых, жидких веществ или их смесей с помощью испарения. Чаще всего в качестве удаляемой жидкости выступают влага или летучие органические растворители. Для сушки необходимо к высушиваемому материалу подводить теплоту, за счет которой происходит испарение влаги. Процесс сушки широко используется во многих отраслях народного хозяйства. Его назначение – улучшение качества продукта, его сохраняемости, удешевление транспортировки и т.д.

В самом общем случае процесс сушки происходит следующим образом: нагретый газовый поток, отдавая тепло обрабатываемому материалу, вбирает в себя испаряемую им жидкость, удаляя её из общей массы вещества. Часто сушка является последним этапом в процессе производства, непосредственно предшествующим продаже или упаковке продукции^[1].

Существует множество вариантов классификации способов сушки в зависимости от используемого процесса. Непосредственный выбор метода зависит от физического состояния сырья, его химического состава, требуемых свойств конечного продукта и экономичности процесса.

• Естественная сушка — сушка на открытом воздухе при естественном освещении, без влияния человека на факторы интенсифицирующие процесс (температуры продукта и сушильного агента (воздуха), давление, скорость движения сушильного агента, влажность и т. д.).

• Искусственная сушка — производится в специальных аппаратах (сушильных установках), с принудительным изменением факторов, влияющих на интенсивность процесса (температура, давление влажность, геометрические размеры объекта сушки и т. д.).

• Атмосферная — сушильным агентом является, как правило, атмосферный воздух с отклонением давления в сушильной камере не выше 49 МПа.

• Вакуумная — сушка производится в вакууме.

• Под избыточным давлением.

1) контактная сушка – теплота от теплоносителя к материалу передается через разделяющую их систему;

2) конвективная сушка – теплота передается при непосредственном соприкосновении высушиваемого материала с сушильным агентом;

3) радиационная сушка – теплота передается инфракрасными лучами;

4) диэлектрическая сушка – теплота выдается в материале под воздействием токов высокой частоты;

5) сублимационная сушка – материал высушивается в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

• Прямоточные — направление движения высушиваемого материала и сушильного агента совпадает;

• Противоточные — направление движения высушиваемого материала и сушильного агента противоположное;

• Перекресточные — направление движения высушиваемого материала перпендикулярно направлению сушильного агента.

• Аппараты, использующие нагретый воздух;

• Установки, использующие дымовые или инертные газы;

• Установки, используемые смесь воздуха с дымовыми газами;

• Установки, используемые перегретый или насыщенный пар;

• Установки, использующие жидкий теплоноситель;

• Установки, использующие электрической ток.

• Установки с паровыми калориферами;

• Установки с огневыми калориферами;

• Установки с топками на жидком топливе;

• Установки с топками на газовом топливе.

• С однократным использованием нагретого воздуха;

• С многократным использованием нагретого воздуха.

• Для твердых материалов (крупных, мелких, пылевидных);

• Для гибких материалов (нитей, плёнок, тканей, нетканых материалов);

• Для жидких материалов;

• Для пастообразных продуктов.

• Периодического действия;

• Непрерывного действия.

Различают сушилки с неподвижным, взвешенным и перемешиваемым слоем материала.

Камерные, шнековые, пневматические трубные, тарельчатые, роторные, барабанные, ленточные, шахтные, вихревые, кипящего слоя, аэрофонтанные, вальцовые, вибрационные, распылительные и т.д.

Связь влаги с материалом

Форма связи влаги с материалом определяет в значительной степени механизм процесса сушки. Чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. Различают три основных формы связи влаги с материалом.

1. Химическая (гидратная или кристаллизационная влага). Химически связанная влага в процессе сушки не удаляется.

2. Физико-химическая (адсорбционная и осмотическая влага). Адсорбционная влага находится в микропорах и прочно связанна с материалом адсорбционными силами. Осмотическая влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага обоих видов с трудом удаляется в процессе сушки.

3. Механическая (влага смачивания). Влага смачивания заполняет микропоры, наименее прочно связанна с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически.

Применительно к процессу сушки влагу разделяют на свободную (легкоудаляемую при сушке) и связанную (адсорбционную, осмотическую, влагу из микропор).

Свободная влага характеризуется легкостью обхождения от высушиваемого материала при температуре (если влага вода) с той же скоростью, с какой влага испаряется с поверхности жидкости.

Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности воды.

Влагосодержание материала на границе свободной и связанной форм называется критическим влагосодержанием.

Если все материалы обезводить и привести в соприкосновение с атмосферным воздухом, то они начинают поглощать влагу из воздуха и насыщаться ею до определенного равновесного состояния в соответствии с температурой и влажностью окружающего воздуха. Это влагосодержание материала называется равновесным (гигроскопическая влага). Следовательно, если известны гигроскопическая точка материала, то известен целесообразный предел удаления влаги. Это особенно важно для сильно гигроскопических материалов (текстиль, табак, многие соли и др).

Изменяя влажность воздуха при температуре t=const (когда материал и влажный воздух имеют одинаковую температуру), можно получить кривую равновесной влажности материала в виде изотерм (рисунок 1).

Рисунок 1 - Кривые равновесной влажности

При глубокой сушке материалов расчет сушилок необходимо вести с учетом энергии связи влаги с материалом.

При выборе способа сушки необходимо учесть:

1) основные требования, предъявляемые к продукту;

2) физико-химические свойства высушиваемого материала;

3) вид высушиваемого материала – твердый, пастообразный, жидкий;

4) скорость сушки;

5) допустимую температуру сушки;

6) начальную и конечную влажность материала;

7) заданную производительность установки.

Основные параметры влажного воздуха

При любом способе сушки высушиваемый материал находится в контакте с влажным воздухом (газом), от параметров которого зависит эффективность сушки.

Влажный воздух (газ) представляет собой смесь сухого воздуха (газа) и водяного пара и характеризуется основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и теплосодержанием (энтальпией) и плотностью.

Абсолютная влажность — это масса водяного пара, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха при заданных условиях (t и р). Содержание водяного пара как компонента газовой смеси может быть выражено через парциальное давление — р_п или плотность ρ_п, кг/м³.

Относительная влажность — это отношение абсолютной влажности воздуха ρ_п при данных условиях (температуре t и общем барометрическом давлении В) к максимально возможной абсолютной влажности ρ_max при тех же условиях (плотности насыщенного пара р_н):

С достаточной для технических расчетов точностью можно считать, что влажный воздух подчиняется законам идеальных газов. Тогда в соответствии с законом Менделеева — Клапейрона получим:

где М_п — масса 1 кмоль водяного пара, 18 кг/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, 8,31 кДж/кмоль-К; Т — температура, К. Подставляем выражение (12.2) в формулу (12.1) и получим

Если температура воздуха ниже или равна температуре насыщения (t = 99,4°С), соответствующей общему барометрическому давлению (В = 745 мм рт. ст.), то р_нас определяется из свойств сухого насыщенного пара при данной температуре t и равна давлению насыщения:

Если температура t 99,4°С, то максимально возможное давление водяного пара будет равно В. В этом случае:

Влагосодержание — это масса водяного пара (в кг), отнесенная к 1 кг абсолютно сухого воздуха:

где т_п и m_св — масса водяного пара и абсолютно сухого воздуха в данном объеме воздуха, кг; р_{с в} — плотность абсолютно сухого воздуха, кг/м³.

Установим связь между х и . Для этого выразим р_п и р_св из уравнения Менделеева — Клапейрона и подставим в формулу (12.5):

где М_св — масса 1 кмоль абсолютно сухого воздуха, кг/кмоль; р_{с в} — парциальное давление сухого воздуха.

По закону Дальтона:

С учетом выражений (12.3) и (12.7) уравнение (12.6) будет иметь вид

Энтальпия I, Дж/кг влажного воздуха, — это энтальпия, отнесенная к 1 кг абсолютно сухого воздуха при данной температуре t. Определяется как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха С_с._в • t и водяного парах- i_n:

гдеС_с в — средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, Дж/кг • К; i_n — энтальпия водяного пара, Дж/кг.

Водяной пар в процессе сушки находится в перегретом состоянии в смеси с воздухом. Если обозначить через i₀ энтальпию пара при 0°С, то

где С_п — средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара, С_п ~ 1,97-10³ Дж/кг-К.

Плотность влажного воздуха ρ_вв равна сумме плотностей абсолютно сухого воздуха ρ_{с в} и водяного пара ρ_п. С учетом этого и уравнения (12.5) получим:

Поскольку

то и плотность ρ_{в в} также зависит от температуры Т и парциального давления водяного пара р_п.

I—х-диаграмма влажного воздуха графически связывает все параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: энтальпию, влагосодержание, температуру, относительную влажность, парциальное давление водяных паров.

Диаграмма построена в косоугольной системе координат, что позволяет расширить область ненасыщенного влажного воздуха и делает диаграмму удобной для графических построений.

По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпии I, кДж/кг сухой части воздуха, по оси абсцисс, направленной под углом 135° к оси I, отложены значения влагосодержания х, г/кг сухой части воздуха.

Поле диаграммы разбито линиями постоянных значений энтальпии I = const и влагосодержания х = const.

На него нанесены также линии постоянных значений температуры t = const, которые не параллельны между собой — чем выше температура влажного воздуха, тем больше отклоняются вверх его изотермы.

Кроме линий постоянных значений I, d, t, на поле диаграммы нанесены линии постоянных значений относительной влажности воздуха φ = const.

В нижней части I—х-диаграммы расположена кривая, имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает влагосодержание х, г/кг, с упругостью водяного пара p_п, кПа.

Ось ординат этого графика является шкалой парциального давления водяного пара p_п.