4.6.2. Масопередача

Перенесення маси в межах однієї фази до границі розподілу фаз або від неї називають масовіддачею, а загальний процес пе­ренесення маси з однієї фази в іншу — масопередачею. Зако­номірності масопередачі визначаються властивостями фаз, що беруть участь у процесах.

У рухомих фазах (рідкій і газовій) маса переноситься всіма ви­дами дифузії.

180

Всередині шпар твердої фази діє, як правило, лише механізм молекулярної дифузії. При цьому швидкість перенесення зале­жить від шпаруватості твердого тіла, геометрії капілярів, співвідношення розмірів капілярів і молекул і характеризується коефіцієнтом масопровідності , пропорційним коефіцієнту мо­лекулярної дифузії, але меншим від нього за величиною

(4.33)

Для визначення швидкості масовіддачі в газовій або рідкій фазах потрібно рівняння конвективної дифузії розв'язати спільно з рівнянням руху і нерозривності потоку за заданих граничних і початкових умовах. Через надзвичайну складність (немож­ливість) розв'язання такої системи диференціальних рівнянь на практиці використовують рівняння масовіддачі, запропоноване О.Н. Щукарьовим у кінці XIX сторіччя

, (4.34)

де — коефіцієнт масовіддачі, м/с;

С — різниця концентрацій на границі розділення фаз і в ядрі

потоку.

Це рівняння дає можливість всю складність фізичної картини перенесення маси приховати за величиною коефіцієнта ма­совіддачі. Розрахунок коефіцієнтів масовіддачі ґрунтується на те­оріях масопередачі.

Термодифузія. Розглянуті вище основні закони дифузії одер­жані за умови дії лише однієї рушійної сили — градієнта концен­трацій розглядаємого компонента системи. В реальних умовах масопередачі є звичайно і градієнти інших інтенсивних пара­метрів: температури, тиску, концентрації решти компонентів си­стеми. Встановлено, що швидкість дифузії даного компонента більшою чи меншою мірою залежить також від усіх зазначених градієнтів. Так, наприклад, для молекулярного перенесення в бінарній суміші можна записати

, (4.35)

де — термодифузійний коефіцієнт;

— бародифузійний коефіцієнт.

У цьому рівнянні перша складова величина характеризує кон­центраційну дифузію, друга — термодифузію (ефект Cope), третя —

181

бародифузію. Звичайно бародифузією нехтують. Що ж до термо-дифузії, то вона у ряді випадків відіграє помітну роль (наприклад, у процесах сушіння матеріалів). Коефіцієнт термодифузії додатний для більш важких компонентів і від'ємний — для легших. Отже, важкі компоненти переміщуються в бік зниження температури.

Дія термодифузії являється переважно в газах і до деякої міри в рідинах. Проектуючи апарати, треба прагнути, щоб напрями термодифузії і концентраційної дифузії збігалися.

4.6.3. Сушіння

Загальні відомості

У багатьох видах речовин міститься багато води. Під час тех­нологічної обробки нерідко відбувається зволоження напівпро­дуктів виробництва. Але в готових продуктах повинна бути точно нормована кількість вологи. Вологу з матеріалів можна вилучати різними способами: механічним, фізико-хімічним і тепловим.

При механічному способі вологу віджимають на пресах або в центрифугах. У цьому випадку вилучається лише частина вологи з матеріалу.

Фізико-хімічний спосіб ґрунтується на застосуванні різних водовідбірних засобів і застосовується переважно в лабораторній практиці. Зневоджуючи засобами є сірчана кислота, хлористий кальцій та ін.

При тепловому способі вологу з матеріалу вилучають випаро­вуванням, випарюванням і конденсацією. Цей спосіб широко за­стосовується у тому випадку, коли треба максимально вилучити вологу.

Вилучення вологи з матеріалів, при якому використовують теплову енергію для її випаровування та відведення пари назива­ють сушінням. Якщо виходити з цього означення, сушіння прин­ципово не відрізняється від випарювання, але по суті воно є од­ночасно і дифузійним процесом, оскільки волога з матеріалу в навколишнє середовище переходить при поверхневому випаро­вуванні, а також у процесі її дифузії з внутрішніх шарів до по­верхні матеріалу. Розрізняють природне і штучне сушіння. Природне відбувається на відкритому повітрі без штучного нагрівання і без відведення сушильного агента (повітря). При­кладом природного сушіння може бути сушіння кухонної солі у відкритих морських джерелах, сушіння фруктів в країнах з тепли­ми і жаркими кліматами. Цей спосіб відрізняється значною три-

182

валістю сушіння, причому процес цей не регулюється і одержува­ний кінцевий матеріал ще досить вологий.

У промисловості майже всюди застосовують штучне сушін­ня, тобто сушіння нагрітим сушильним агентом (димові гази, повітря, водяна пара та ін.), який після поглинання ним вологи з матеріалу відводять за допомогою спеціальних витяжних прист­роїв (вентиляторів). Для більшості виробництв сушіння є кінце­вою стадією технологічної обробки, тому цей процес застосову­ють майже в усіх виробництвах.

Принцип дії повітряної сушарки, вологий матеріал надходить у сушильну камеру повітряної сушарки, схему якої наведено на рис. 4.31 через завантажувальний бункер 3 і за допомогою транс­портних пристроїв переміщується вздовж сушильної камери 5. Висушений матеріал видаляють через бункер б. Вентилятором 4 у калорифер 1 засмоктують холодне повітря, де воно підігрівається до певної температури, а потім проходить вздовж сушарки. Кон­тактуючи з висушуваним матеріалом, повітря поглинає з нього вологу і виходить з камери висушування. На рисунку зображено основну схему сушильного процесу, що характеризується однора­зовим використанням сушильного агента. У промисловості вико­ристовують різні варіанти сушіння і відповідно різні апарати для штучного сушіння. У деяких випадках встановлюють додатковий калорифер 2, змонтований в самій сушильній камері. Така схема дає можливість значно знизити температуру сушіння, що дуже важливо для матеріалів, які треба сушити в точно заданих пара­метрах середовища. Як і в інших процесах, розрізняють дві сторо­ни процесу сушіння — його статику і кінетику.

183

Статика сушіння встановлює зв'язок між початковими і кінце­вими параметрами речовин (матеріалу і сушильного агента), які бе­руть участь у процесі сушіння, на підставі рівнянь матеріального і теплового балансів. Із статики сушіння визначають зміну вмісту во­логи у матеріалі, витрату сушильного агента і витрати теплоти.

Кінетика сушіння простежує зміну вологості матеріалу у часі. Для розрахунку режимів процесу сушіння і створення конст­рукцій сушильних установок потрібне спільне вивчення статики і кінетики сушильного процесу.

Параметри вологого повітря. Як сушильний агент широко використовують нагріте повітря або суміш повітря з продуктами згоряння палива. Як правило, перед початком сушіння будь-який сушильний агент є не що інше, як суміш сухого газу з водяною парою, тобто вологий газ. Виходячи з цього вологим повітрям називають бінарну суміш сухого повітря з водяною парою. Вологе повітря (газ) характеризується вісьмома параметрами в т. ч. тиском, вологістю і ентальпією (тепловмістом).

Тиск. За законом Дальтона, тиск суміші ідеальних газів, що займають певний об'єм, дорівнює сумі парціальних тисків в усіх компонентах суміші. Відповідно до цього барометричний тиск вологого повітря дорівнюватиме

(4.36)

Де — парціальний тиск сухого повітря і водяної пари.

Стан вологого повітря визначають за 1-х діаграмою і він харак­теризується на діаграмі перетином чотирьох ліній: сталих темпера­тури t, вологовмісту х, відносної вологості та ентальпії I. Для виз­начення стану повітря достатньо знати будь-які два параметри.

За допомогою діаграми вологи повітря (1-х — діаграма) яку наведено в додатку 1, можна визначити точку роси (границю охолодженого повітря) і температуру мокрого термометра (гра­ницю охолодження вологих тіл). Точка роси для повітря даного стану визначається ізотермою, що проходить через точку перети­ну ліній заданого вологовмісту з лінією відносної вологості . Границю охолодження вологих тіл або температуру мокрого тер­мометра знаходимо, як ізотерму, що проходить через точку пере­тину ліній сталої ентальпії повітря даного стану з лінією . Лінії будуть геометричним місцем точок з незмінною температурою мокрого термометра. Ці лінії на деяких діаграмах також нанесені і йдуть трохи пологіше, ніж лінії І = const.

184