Кинетика процесса сушки

Процесс сушки – сложный диффузионный процесс, скорость протекания которого определяется тепло– и массообменными характеристиками высушиваемых материалов.

Движущей силой процесса является разность парциального давления пара над поверхностью материала и его парциальным давлением в воздухе.

При контакте влажного материала с сухим нагретым воздухом начинается испарение влаги с поверхности материала и диффузия образовавшихся паров через пограничный слой воздуха в окружающую среду.

При влажности материала, значительно превышающей его гигроскопическую влажность, скорость диффузии влаги из материала к поверхности испарения значительно больше, чем скорость испарения ее с этой поверхности. Влага полностью смачивает поверхность материала, а пар у ее поверхности будет всегда насыщенным и температура его будет равна температуре мокрого термометра. Скорость поверхностного испарения влаги из материала равна скорости испарения ее со свободной поверхности жидкости. Это период постоянной скорости сушки (1–ый период или период внешней диффузии), когда удаляется свободно связанная с материалом влага.

При испарении влаги с поверхности материала внутри его возникает градиент влажности, что и обеспечивает дальнейшее перемещение влаги из внутренних слоев материала к его поверхности (внутренняя диффузия). Явление переноса влаги внутри материала носит название влагопроводности. Когда количество влаги, подводимой к испаряющейся поверхности материала за единицу времени, становится меньше количества влаги, которая могла бы испариться с этой поверхности за это же время, скорость сушки начинает падать. На поверхности материала появляются сначала отдельные сухие участки (островки), а затем и вся поверхность окажется сухой. Определяющее значение для скорости сушки приобретает внутренняя диффузия влаги, наступает второй период сушки или период падающей скорости. Влажность материала, при которой начинается период падающей скорости, называется критической влажностью _кр. Температура материала в этот период непрерывно повышается и при достижении равновесного влагосодержания в материале становится равной температуре сушильного агента. Во втором периоде сушки начинает испаряться гигроскопически связанная влага (и влага набухания или осмотически связанная влага). В этих условиях большое влияние на скорость сушки оказывает форма связи влаги с материалом. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно больше затрат энергии, чем влага набухания. Химически связанная влага наиболее прочно связана с материалом и не может быть удалена в процессе сушки.

Скорость сушки определяется из кинетики сушки, которая характеризуется изменением во времени средней влажности материала, отнесенной к массе сухого материала.

Экспериментально кинетику сушки материала изучают, определяя изменение влажности материала () в зависимости от времени () сушки. По результатам эксперимента строят график в координатах  - (рис.11.1).

Рис. 11.1 Кривая сушки

В начале сушки в течение небольшого промежутка времени линия сушки (участок АВ) имеет вид кривой – это период прогрева материала. Затем начинается период постоянной скорости сушки (I период). В этот период линия сушки имеет вид прямой (участок ВС). В точке С, соответствующей определенной влажности материала, линия сушки становится кривой, асимптотически приближающейся к значению _Р – равновесной влажности в заданных условиях сушки. В этот период скорость сушки непрерывно уменьшается. Второй период называется периодом падающей скорости. Точка С, разделяющая два периода сушки, называется критической точкой, а влажность материала, соответствующая ей – критической влажностью. Пользуясь методом графического дифференцирования кривой сушки, строят кривую скорости сушки, представляющую собой зависимость скорости сушки от влажности (рис. 11.2). Численно скорость сушки равна тангенсу угла наклона касательной к кривой сушки.

Материалы, различающиеся по характеру связи влаги с материалом, дают различную форму кривой скорости сушки во втором периоде. Перегиб кривой скорости сушки соответствует теоретически равной гигроскопической влажности материала.

Рис. 11.2. Кривая скорости сушки

Материальный баланс.

При сушке материала любым методом и в любом аппарате происходит удаление требуемого количества влаги W, кг, но остается неизменным количество абсолютно сухого вещества G_С. Тогда количество влажного материала, поступающего на сушку:

G_вл = G_с + W (11.1)

Зная начальную и конечную влажность материала _Н и _К (% масс), составим материальный баланс по сухому веществу:

G_вл (100 - _н ) = G_с (100 - _к ) (11.2)

Откуда

G_с = G_вл ,

а количество испаренной влаги

W = G_вл (11.3)

Если в сушилку поступает воздух с влагосодержанием х_Н, кг/кг сухого воздуха, а из сушилки (при отсутствии потерь) выходит такое же количество воздуха с влагосодержанием х_К, то материальный баланс по влаге для идеальной сушилки будет иметь вид:

W + Zх_н = Zх_к (11.4)

Тогда расход сухого воздуха:

Z = (11.5)

Удельный расход воздуха, т.е. расход воздуха по испарению 1 кг влаги L, кг/кг можно определить:

= (11.6)

Тепловой баланс сушки.

В сушилку подается влажный воздух из окружающей среды (сушильный агент), содержащий Z, кг/ч абсолютно сухого воздуха. Нa входе в сушилку, т.е. перед калорифером, воздух имеет энтальпию j₀, Дж/кг сухого воздуха. На выходе из калорифера после нагрева энтальпия воздуха повышается до j₁, Дж/кг сухого воздуха. После процесса сушки энтальпия отработанного воздуха равна j₂, Дж/кг сухого воздуха.

Расход тепла в калорифере составляет:

Q_к = Z (j₁ - j₀) (11.7)

Суммарный расход тепла в сушилке вычисляется по уравнению теплового баланса:

Q_пр = Q_расх

Пренебрегая суммой расхода тепла на нагрев материала, транспортных средств и потерь в окружающую среду, получим уравнение теплового баланса для теоретической сушилки (j₁ =j₂).

Q_к = Q_теор = Z (j₂ - j₀) (11.8)

Удельный расход тепла, т.е. расход тепла на испарение 1 кг влаги:

q = L (j₁ - j_o) (11.9)