Теоретические основы сушки

Статика

Влажный материал может не только отдавать влагу путем испарения в окружающую среду, но при определенных условиях и поглощать ее.

Среда, окружающая влажный материал, представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров {влажный воздух). Обозначим через Р_п парциальное давление водяного пара в воздухе или давление чисто го пара. Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное равновесное давление водяного пара над высушиваемым материалом Р_м. Для проведения сушки давление паров влаги у поверхности высушиваемого материала Р_м должно быть больше Р_п, т. е. условием удаления влаги из материала должно быть неравенство Р_м > Р_п.

Давление водяного пара над высушиваемым материалом Р_м зависит от влажности материала, характера связи влаги с ним и температуры. С ростом влажности материала и температуры значение Ям возрастает.

В течение определенного времени сушки влажность материала приближается к некоторому пределу, соответствующему равенству Р_м = Р_п. При этом наступает равновесие обмена влагой между материалом и окружающей средой. Этому состоянию соответствует некоторая устойчивая влажность материала, называемая равновесной, при которой процесс сушки прекращается.

Различают несколько форм связи влаги с материалом: механически удерживаемую (поверхностная влага смачивания, в крупных капиллярах), физико-химическую (адсорбционная в микрокапиллярах, осмотическая влага набухания), химически связанную (кристаллизационная, гидратная).

Влага, заполняющая макрокапилляры, которые пронизывают суховоздушный растительный материал или гранулят, механически связана с ним и наиболее легко удаляется.

Влажность материала может быть обусловлена адсорбцией воды на наружной поверхности пористого материала и на внутренних стенках микрокапилляров и пор. Внутри структуры материала она также удерживается осмотическими силами. В этих двух случаях связь влаги с материалом имеет физико-химическую природу и удалить ее значительно труднее.

Влагу, прочно связанную с материалом, называют гигроскопической. При сушке (при данной температуре и влажности воздуха) она полностью не удаляется. Влага, удаляемая из высушиваемого материала при тепловой сушке, называется свободной. Влажный материал вначале отдает менее прочно связанную влагу смачивания - поверхностную или внешнюю, а также из крупных капилляров. Затем удаляется часть гигро-

скопической из мелких капилляров - адсорбционно связанная и осмотически удерживаемая за счет набухания, внутриклеточная влага.

Химически связанные молекулы воды при сушке не удаляются. Связь влаги с материалом нарушается только в результате химического взаимодействия или прокаливания. Периоды сушки, соответствующие различным видам связи молекул воды с молекулами вещества трудно разграничить. Поэтому на основе экспериментальных данных строят изотермы сорбции, позволяющие установить связь между влажностью материала и воздуха, а также определить равновесную влажность.

Поскольку сушка зависит не только от свойств материала, но и от свойств окружающей среды, необходимо знать свойства сушильного агента - воздуха (его параметры и характер их изменений). Воздух выполняет двойную роль: 1) он является горячим теплоносителем, с помощью которого удаляется влага из материала; 2) средой, в которую она переходит.

Свойства влажного воздуха

Воздух как сушильный агент характеризуется температурой, влажностью (абсолютной и относительной) влаго- и теплосодержанием.

Температура воздуха. Влажный материал можно сушить холодным воздухом, однако горячий воздух создает высокий температурный напор (Δt = t_возд – t_м) и способствует более быстрому прогреву материала и легкому испарению влаги.

Влажность воздуха. Количество водяных паров, содержащихся в 1 м³ влажного воздуха, называется абсолютной влажностью. При понижении температуры или увлажнении воздуха, находящийся в нем пар становится насыщенным. Отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству пара в 1 м³ воздуха, при той же температуре и данном барометрическом давлении, называется относительной влажностью (φ). Она характеризует степень насыщения воздуха влагой. Относительную влажность воздуха можно выразить отношением плотностей пара ρ_п к ρ_н или отношением давлений:

φ =	ρ п	÷	P п
ρ н	P н

где Р _п - парциальное давление пара, соответствующее его плотности ρ _п, Н/м²; P _н - давление насыщенного пара при той же температуре, Н/м².

При повышении температуры φ уменьшается, при понижении - увеличивается. Доводить значение φ до единицы (100%) не следует во избежание выделения капельножидкой фазы (точка росы). Влагосодержани-ем воздуха (х) называется количество водяного пара в 1 кг, приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха. Величина характеризует относительный состав по массе влажного воздуха.

Если обозначить G _п - массу водяного пара во влажном воздухе, G _с.в. - массу сухого воздуха в том же объеме, то влагосодержание при общем давлении Р составит:

x =	Gн	=	Mн	·	Pн
Gс.в	Mс.в	P - Pн

Из формулы относительной влажности P_н = φ · P_н величины молекулярных масс водяного пара и сухого воздуха M_п и M_с.в получаем следующую зависимость от его относительной влажности:

x =		·	φPн
	P - φPн

При φ = 1 уравнение принимает вид:

x =	0,622	·	φPн
P - φPн

Величина х не зависит от температуры и характеризует процесс массообмена. Между влажностью и влагосодержанием существует прямая зависимость, в процессе сушки она возрастает. Контроль тепловой сушки ведут по барометрическому давлению Р, давление насыщенного пара при данной температуре Р_н и относительной влажности.

Теплосодержание. Влажный воздух как теплоноситель характеризует энтальпией (теплосодержанием), равной сумме энтальпии сухого воздуха и водяного пара:

H = c_с.в.t + xi_п

где c_с.в. - средняя теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг ·°С); t - температура воздуха,°С; i_п – энтальпия перегретого пара, кДж/кг; Н - энтальпия влажного воздуха, кДж/кг.

Если за единицу количества тепла принята ккал, а удельная теплоемкость сухого воздуха и теплоемкость пара (в ккал/кг ·°С) равны соответственно 0,24 и 0,47, а постоянный коэффициент примерно равен энтальпии пара при 0°С и составляет 595, то формула принимает вид:

H = 0,24 • t + (595 + 0,47 • t) х

Без учета тепловых потерь теплосодержание воздуха в процессе сушки остается постоянным. Воздух отдает тепло материалу на испарение влаги. Пар переходит в воздух (увеличивается его влагосодержание) и приносит то же количество тепла, которое затрачено на его испарение.

Кинетика

Под кинетикой процесса сушки обычно понимают изменение влагосодержания и температуры воздуха с течением времени. Закономерности кинетики позволяют определить количество влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени τ и продолжительность периодического процесса сушки. Таким образом, скорость сушки представляет собой отношение:

U =	W
F τ

где U - скорость сушки, кг/м²•с.

Скорость массообменного процесса высыхания материала можно представить уравнением массопере-дачи

U = kF(P_н – P_п)

где k - коэффициент массопередачи; P_н – P_п - разность давления паров влаги у поверхности материала Р_м и парциального давления паров в воздухе Р_п, движущая сила процесса сушки, Н/м².

В большинстве случаев скорость высыхания существенно изменяется в зависимости от влажности материала. В начале процесса влага из толщи материала перемещается к поверхности раздела фаз за счет массопроводности, а затем передается в газовый поток за счет конвективной диффузии. При этом сушка протекает с постоянной и падающей скоростью.

Рис. 6.2. Диаграмма процесса сушки.

Объяснение в теисте.

На рис. 6.2 представлена диаграмма процесса сушки. Отрезок АВ - прогрев влажного материала, температура материала повышается до постоянной, влажность снижается незначительно W_a. Отрезок BK₁ - период постоянной наибольшей скорости процесса, когда удаляется свободная влага. Скорость сушки постоянна и определяется скоростью внешней диффузии. Влага испаряется со всей поверхности материала так же, как с зеркальной поверхности открытого водоема. Температура материала постоянна. Точка K₁ называется первой критической точкой, а влажность материала в этой точке - первой критической влажностью W'_кр, при которой на поверхности материала появляются высушенные участки.

Во второй период скорость удаления влаги определяется внутренним передвижением паров воды - перемещением их изнутри материала к поверхности. С начала второго периода поверхность высушиваемого материала покрывается коркой, поверхность испарения влаги уменьшается, что приводит к уменьшению скорости сушки. В зависимости от структуры высушиваемого материала и толщины его слоя испарения влаги с поверхности в конце второго периода может происходить в глубине материала или прекращаться. Поэтому второй период часто складывается из стадий равномерно и неравномерно падающих скоростей (отрезки К₁К₂, К₂С). Точка К₂ называется второй критической точкой, а соответствующая ей влажность материала - второй критической влажностью W»_кр. К концу второго периода температура материала повышается и достигает температуры окружающей среды, влажность снижается до равновесной W_p, скорость сушки становится равной нулю.

Процесс сушки влажного материала не всегда складывается из двух периодов. В отдельных случаях он укладывается в интервале влажности W_нач - W'_кр, что соответствует только первому периоду, а иногда в интервале W'_кр - W»_кp, т. е. заканчивается этапом равномерно падающей скорости.

СУШИЛКИ

Дата добавления: 2015-10-28