Кинетика сушки

Кинетика сушки устанавливает связь между изменением влажности мате-риала во времени и параметрами процесса. Уравнения кинетики сушки характе-ризуют процесс удаления влаги из материала во времени и предназначены для определения продолжительности и режима сушки.

Изменение во времени средней по объему влажности материала , определяется по опытным данным для каждого конкретного процес-са, но обычно имеет вид кривой, изображенной на рис. 5.1, которая называется кривой кинетики сушки.

На кривой кинетики сушки можно выделить три участка: период прогре-ва (АВ); период постоянной скорости сушки (ВС) - I период; период падаю-щей скорости сушки (СD) – II период, которые также отображены на графи-ческой зависимости скорости сушки от влажности материала , называемой кривой скорости сушки (рис. 5.2). Кривая скорости сушки может быть получена методом графического дифференцирования кривой кинетики сушки. Численно скорость сушки равна тангенсу угла наклона касательной к кривой кинетики сушки.

Рис. 5.1 Рис. 5.2

Период прогрева незначителен по времени по сравнению с другими пе-риодами. В течение этого периода осуществляется нагрев материала от началь-ной температуры до температуры мокрого термометра t _м практически без изменения влажности материала. Скорость сушки при этом возрастает от нуля до некоторого значения в первом периоде.

После периода прогрева наступает период постоянной скорости сушки (ВС) или внешней диффузии (поверхностного испарения), который соответст-вует изменению влажности материала в пределах w_н - w_кр. В этот период по-верхность материала покрыта влагой, что обеспечивается высокой влажностью материала в начале сушки и возмещением испаряющейся влаги вследствие диффузии из ее внутренних слоев. Пар у поверхности материала будет насы-щенным. Скорость диффузии влаги равна скорости испарения воды с поверх-ности высушиваемого материала, что означает, что подвод воды к поверхности твердого тела полностью компенсирует ее удаление с этой поверхности. Ско-рость суммарного процесса переноса влаги от поверхности в окружающую сре-ду ограничивается только скоростью отвода молекул пара от поверхности. Фак-торами, определяющими скорость сушки в первый период, являются: влаж-ность, температура, скорость воздуха, состояние поверхности материала. В этом периоде вся теплота, подводимая к телу, затрачивается на интенсивное поверх-ностное испарение влаги, и температура материала остается постоянной и прак-тически равной температуре испарения жидкости со свободной поверхности.

Кинетическое уравнение для первого периода конвективной сушки мате-риала может быть записано в виде:

, (5.11)

где W_I - количество испаренной из материала влаги в I периоде сушки; β_х – ко-эффициент массоотдачи по газовой фазе; F - поверхность массообмена; τ_I - продолжительность I периода сушки; х_нас и х – влагосодержания насыщен-ного воздуха в поверхностном слое и в потоке сушильного агента соответствен-но.

Разность влагосодержаний х_нас и х представляет собой движущую си-лу процесса сушки в I периоде:

∆ х = х _нас - х.

При движущемся потоке сушильного агента рассчитывают среднюю дви-жущую силу процесса сушки по уравнению

, (5.12)

где ∆ х_б = х _нас - х ₁ – большая разность влагосодержаний на входе сушильно-го агента в сушилку, кг вл./кг с. в.); ∆ х_м = х _нас - х ₂ - меньшая разность влаго-содержаний на выходе сушильного агента из сушилки, кг вл./кг с.в.).

В этом случае кинетическое уравнение (5.11) будет иметь вид:

. (5.13)

Второй период (СD) – период падающей скорости сушки или период внутренней диффузии. В этот период подвод влаги к внешней поверхности вы-сушиваемого материала оказывается недостаточным для компенсации испа-ряющейся с нее влаги из-за глубины ее извлечения. Явление переноса влаги внутри материала носит название влагопроводности; оно происходит за счет градиента влажности внутри материала и на его поверхности. Изменение ско-рости сушки в этот период зависит от того, насколько быстро по сравнению со скоростью испарения будет подходить влага из внутренних слоев к наружным.

Это изменение зависит от формы связи влаги с материалом, структуры твердого тела, его геометрических размеров и т.д. Экспериментально установлено, что чаще всего на участке СD скорость сушки изменяется по линейному закону.

Кинетическое уравнение для второго периода конвективной сушки может быть записано в виде:

, (5.14)

где W _II - количество испаренной из материала влаги в II периоде сушки; К - коэффициент скорости сушки; w - влажность материала в текущий момент вре-мени; w^* - равновесная влажность материала с окружающей средой; τ_II - про-должительность II периода сушки.

Этот кинетический закон описывает процесс сушки во втором периоде лишь приближенно. Действительное изменение скорости сушки в пределах из-менения влажности w_кр - w _к может и не следовать линейному закону, а линия СD принимать различный вид в зависимости от факторов указанных выше. Температура материала в период падающей скорости сушки непрерывно повы-шается и при достижении равновесного влагосодержания в материале стано-вится равной температуре сушильного агента.

Процесс сушки может протекать лишь в том случае, если давление пара над поверхностью высушиваемого материала больше парциального давления в

окружающей его газообразной среде.

Дата добавления: 2015-10-28