Глава 11. СУШКА ТВЁРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Глава 11. СУШКА ТВЁРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сушка (высушивание) твердых материалов (сокращенно ТМ) состоит в удалении влаги (более или менее полном) из влажных материалов путем ее диффузии из твердого материала и испарения. Необходимость удаления влаги из материала может быть обусловлена разными причинами, например:

— влажный продукт может портиться при хранении, так как влага вредно воздействует на товарные свойства некоторых материалов: слеживание; смерзание в зимнее время; образование плесени (на поверхности пищевых и других продуктов);

— влажность полупродуктов может быть вредна на последующих стадиях их переработки: действовать как каталитический яд; ухудшать качество конечных продуктов (например, влага в волокнообразующих полимерах существенно снижает качество нити при продавливании расплавов полимеров через отверстия фильеры);

— перевозки высушенного материала потребителю, особенно на дальние расстояния, обходятся дешевле, нежели влажного — более тяжелого.

Сушке подвергают не только твердые влажные материалы; в химической и ряде смежных отраслей промышленности влагу нередко удаляют также из суспензий и растворов.

При большом содержании влаги в исходном материале частичное ее удаление возможно механическими методами — осаждением, фильтрацией, центрифугированием; экономически (по затратам энергии) они значительно выгоднее сушки и, где возможно, их следует применять. Однако достаточно полного удаления влаги с их помощью добиться не удается, более глубокое удаление влаги требует использования сушки с большими затратами теплоты на испарение влаги.

Сушка влажных материалов — энергоемкий процесс: на удаление 1 кг влаги требуется затратить по крайней мере теплоту ее испарения (далее увидим, что обычно в 1,5-2,0 раза больше). В стране 12-13% топлива расходуется на высушивание твердых материалов. Чтобы осуществить процесс сушки с максимальной эффективностью, в том числе — с приемлемыми затратами и получением конечного продукта заданной влажности, необходимо знать физико-химические основы процесса, представлять себе принципы работы сушильных аппаратов, владеть методами технологического расчета.

В химической технологии наиболее широко распространено высушивание материалов от воды. Поэтому в дальнейшем рассмотрение сушильных процессов строится на примере обезвоживания твердых материалов; переход к построению схемы процесса и к расчету удаления какой-либо иной влаги принципиальных затруднений не вызывает. Объектом последующего изложения являются в основном непрерывные процессы сушки: они более производительны, проще в управлении, позволяют получать стабильный конечный продукт.

Сушка твердых материалов — один из наиболее распространенных десорбционных процессов. Разработка методики ее расчета первоначально велась вне связи с технологическими расчетами других массообменных процессов. И по настоящее время материальные и тепловые расчеты, определение расходных показателей (то, что традиционно именуется статикой сушки) базируется на специфической основе, не используемой при рассмотрении других процессов переноса вещества, нередко даже с символикой, отличающейся от общепринятой в массообменных процессах. Такой подход сохраняется в известной степени потому, что в большинстве сушильных процессов речь идет о переносе одного и того же вещества — воды и сушильный агент один и тот же — воздух. Расчет кинетических характеристик процесса (здесь проблемы, связанные со скоростью и продолжительностью сушки) ведется на общей основе.

Различают две группы методов сушки. Первая — конвективные методы — основана на контакте высушиваемого материала с потоком газа — сушильного агента (СА) и переносе теплоты от СА к ТМ, испарении влаги и переходе ее из ТМ в СА. При этом в качестве сушильного агента чаще всего используется нагретый воздух или топочные газы, реже — другие СА. На долю конвективных методов приходится свыше 90% промышленных сушильных процессов. В некоторых случаях материал не допускает длительного контакта с горячим СА — тогда используют иные методы сушки, объединяемые общим термином — специальные. Они отличаются от конвективных способами подвода теплоты на испарение влаги и характеризуются обычно повышенными энергетическими затратами и (или) сложностью аппаратурного оформления. Применяются специальные методы сушки, как правило, в малотоннажных производствах для высушивания дорогостоящих ТМ, чаще всего — как вынужденная мера при неприемлемости конвективных методов (например, для термолабильных материалов). Специальные методы сушки нередко используют в пищевой и фармацевтической промышленности, вообще в биотехнологии.

Ниже рассмотрены устройство и принцип действия типовых сушильных аппаратов для конвективных и специальных методов сушки. Рассмотрение физико-химических основ и методов технологического расчета представлено в учебнике для конвективной сушки — наиболее распространенной в химической технологии и смежных с ней отраслях промышленности. Для знакомства с методами расчета специальной сушки следует обратиться к литературе по сушильным процессам.

Устройство и принцип работы сушильных аппаратов

Конструкции сушильных аппаратов (сушилок) крайне разнообразны. Можно назвать две основные причины такого разнообразия: различие в свойствах высушиваемых материалов и в постановке технологической задачи; недостаточные успехи проектировщиков в разработке единой оптимальной конструкции. В случае сушильных аппаратов определенно преобладает первая причина. Это является следствием широкого разнообразия определяющих факторов:

— консистенция высушиваемого исходного сырья (изделия; ленты; пленки; нити; зернистые материалы, хорошо и плохо сыпучие; пасты; суспензии и даже растворы);

— размер и форма ТМ (крупные и мелкие; сферические и близкие к ним либо сильно отличающиеся от шарообразных; дробленые, игольчатые, чешуйчатые и т.п.);

— устойчивость к высоким температурам: стабильность к очень высоким (на уровне топочных газов) или достаточно высоким температурам либо, наоборот, термолабильность и потому ограниченность температур при сушке;

— виды связи влаги с материалом и необходимая глубина высушивания;

— скорость сушки (существуют материалы, портящиеся при быстрой сушке);

— механическая прочность (устойчивость к сжатию и истиранию) и т.п.

Ниже приведены отдельные (наиболее распространенные и интересные в методическом отношении) сушильные аппараты и рассмотрены принципы их работы. Изложение ведется в соответствии с градацией методов сушки: конвективные сушилки; специальные сушилки.

Условие сушки

Рассмотрим в общем плане конвективную сушку материала, расположенного на некоторой поверхности (рис. 11.14). Влажность ТМ будем обозначать символами или (см. разд. 11.2.3). Над материалом движется поток сушильного агента, парциальное давление паров влаги в нем равно Он отдает материалу теплоту, за счет которой испаряется влага, переходящая в поток СА. Непосредственно над влажным ТМ давление паров влаги равновесно с ее концентрацией в материале (, ) и составляет (Индекс «м», традиционно используемый при рассмотрении процессов сушки, означает «непосредственно над материалом»; он абсолютно идентичен верхнему индексу «р», означающему "равновесный" при изучении других массообменных процессов.). Выделим в потоке СА модельный пограничный слой III — в нем происходит падение концентрации влаги от равновесного значения до величины характерной для ядра потока СА. Разность может трактоваться как одно из выражений движущей силы процесса сушки. В зависимости от знака этой движущей силы (или, что то же самое, знака равенства-неравенства ) перенос влаги может идти от ТМ к СА или в обратном направлении.

Если , то происходит высушивание влажного материала — этот процесс составляет предмет рассмотрения в настоящей главе, а само неравенство есть условие сушки.

Рис. 11.14. Условие сушки: I — высушиваемый твердый материал, ii — сушильный агент, iii— пограничная пленка в потоке сушильного агента над твердым материалом

Если то происходит адсорбция влаги из СА и увлажнение ТМ. Этот процесс, обратный сушке ТМ, имеет вполне определенный технологический смысл: осушка газов.

Случай означает динамическое равновесие влаги в системе ТМ-СА, процесс межфазного переноса влаги в целом не идет.

Из изложенного следует, что для процесса сушки ТМ необходимо создать и поддерживать в технологическом аппарате условие .

В дальнейшем нам придется оперировать величинами с указанием их принадлежности к определенному рабочему телу. В целях сокращения записи введем следующие обозначения: АСВ — абсолютно сухой воздух, вл.В — влажный воздух, СМ — сухой материал, вл.М — влажный материал, Вл — влага, уд.Вл — удаляемая (удаленная) влага.

Свойства влажного воздуха

Последующее изложение ведется применительно к использованию воздуха в качестве СА (переход к другому газу, как будет показано ниже, затруднений не вызывает).

Воздух трактуется как смесь его абсолютно сухой части и содержащихся в нем водяных паров. Поэтому общее давление воздуха , согласно закону Дальтона, есть сумма парциальных давлений сухой его части и водяных паров

(а)

На практике чаще всего конвективная сушка ведется под атмосферным давлением, так что для европейской части страны в среднем м м рт. ст. Па = 1 б (бар).

Величина может изменяться от нуля (абсолютно сухой воздух или другой СА) до максимально возможного значения , отвечающего давлению насыщенных паров при данной температуре СА.

При (пересыщенные пары) система нестабильна; при каком-либо небольшом возмущении избыток влаги выпадает в виде конденсата, а в газовой фазе устанавливается равенство .

Значения в зависимости от температуры приводятся в таблицах насыщенных паров.

Концентрация влаги в воздухе

Концентрация влаги в воздухе может быть представлена в форме абсолютной влажности выражаемой количеством водяных паров (ВП) в 1 м³ влажного воздуха: кг ВП/м³. Очевидно (это ясно и из размерности) есть плотность водяных паров при их парциальном давлении . Естественно, в том же 1 м³ при своем парциальном давлении находится и абсолютно сухая часть воздуха (далее обозначено АСВ) — его плотность

Рис. 11.15. Влияние температуры на абсолютную влажность в насыщенном состоянии

Величина может изменяться от нуля (когда воздух не содержит водяных паров) до максимально возможного значения отвечающего насыщению воздуха водяными парами при данной температуре:

(б)

Состояние неустойчиво: избыточная сверх р„ влага выпадает в виде конденсата.

Значения при различных температурах приводятся в справочниках. Изменение с температурой, соответственно уравнению Клапейрона-Клаузиуса, носит экспоненциальный характер; качественно оно иллюстрируется на рис. 11.15. Для характерно . Пусть температуре отвечает максимальная абсолютная влажность ; очевидно, что при температуре эта влага (точка А) находится в перегретом состоянии (относительно температуры своего насыщения ). Пусть температуре отвечает максимальная абсолютная влажность ; очевидно, что эта влага (точка А) при любой температуре (в том числе и при ) будет находиться в ненасыщенном состоянии (относительно абсолютной влажности при насыщении ). Таким образом, ненасыщенные пары — перегреты.

Использование абсолютной влажности не вполне наглядно, поскольку по названной цифре трудно судить о близости системы ВП-АСВ к насыщению. Поэтому вводится понятие о степени насыщения , называемой относительной влажностью воздуха:

(в)

Значение отвечает отсутствию влаги в воздухе, — полному его насыщению водяными парами при данной температуре. В случае избыток влаги выпадает в виде конденсата, после чего состояние воздуха соответствует .

На практике нередко указывают в %; в технологических расчетах следует пользоваться (это выдержано в дальнейшем изложении) выражением в долях — соответственно левому из соотношений (в).

При увеличении температуры достаточно быстро понижается — не столько из-за медленного уменьшения (рост объема влажного воздуха), сколько из-за существенного возрастания .

Относительную влажность можно выразить через давления паров и . Воспользуемся для этого уравнением Клапейрона-Менделеева:

и (г)

Здесь — плотность при давлении и абсолютной температуре , — молярная масса влаги (воды для системы «вода-воздух»); смысл остальных символов очевиден.

Запишем правое из выражений (г) применительно к воздуху, не насыщенному и насыщенному водяными парами при одной и той же температуре:

Поделив первое выражение на второе, получим соотношения, полезные для последующего анализа:

и (д)

В ходе процесса сушки влага переходит из ТМ в СА; поэтому поток последнего не остается постоянным, он возрастает от входа СА в сушилку к выходу из нее. С целью перехода к постоянному потоку газовой фазы (это удобно в технологических расчетах) следует, оперировать относительными концентрациями влаги в СА. Такие концентрации в процессах сушки именуются влагосодержанием, обозначаются символом и имеют размерность кг Вл/кг АСВ (для СА сокращения «Вл» и «ВП» — тождественны). При таком подходе в качестве потока СА в расчетах фигурирует его абсолютно сухая часть (кг АСВ/с), остающаяся неизменной в ходе процесса сушки. Принятое выражение концентраций следует понимать так: 1 кг АСВ несет с собой долей кг Вл (в виде паров); общее количество влажного воздуха в расчете на 1 кг АСВ составляет . При этом поток несет с собой поток влаги и поток влажного воздуха кг вл.В/ с. В таком представлении концентраций и потоков уравнения материальных балансов и ряд других расчетных выражений получаются достаточно простыми.

Расчет влагосодержания ведется на основе уравнения Клапейрона-Менделеева, записанного для паров влаги (индекс «п») и сухого СА (индекс «СА»):

(е)

Поделив одно выражение на другое, после сокращения на , и (поскольку речь идет об одном и том же объеме (потоке) и одинаковой температуре для парогазовой смеси) получим

(11.1)

Для рассматриваемой в учебнике системы "вода-воздух" молярные массы кг/моль, кг/моль, так что при имеем с учетом (а):

окончательно, используя (д), получаем:

(11.1а)

Из последнего выражения следует:

— влагосодержание возрастает с ростом относительной влажности

— предельное (максимальное) значение получается при :

(11.1б)

Влагосодержание может изменяться в пределах

(ж)

При этом значению (при ) отвечает абсолютно сухой воздух, значению (при ) — полностью насыщенный водяными парами. При избыток влаги выпадает в виде конденсата.

Из формулы (11.16) ясно: повышается с ростом температуры благодаря возрастанию Вместе с тем понижается с увеличением давления сушки Это обстоятельство нечасто становится актуальным при реализации сушильных процессов, но важно для работы компрессоров: при сжатии влажного газа вполне возможно при повышении возникновение ситуации тогда необходимо предусмотреть устройство для отделения сконденсировавшейся влаги.

Объемный поток влажного воздуха

Подача СА в сушильную установку осуществляется с помощью вентиляторов, газодувок; это машины объемного действия, и подбираются они по объемной производительности . Между тем в технологических расчетах фигурирует массовый поток сушильного агента . Связь объемного и абсолютного массового потоков устанавливается с помощью удельного объема : , где выражается в м³ на 1 кг смеси, т.е. влажного воздуха. Однако здесь важна связь объемного потока с относительным массовым потоком : где — относительный удельный объем, выражающий объемное количество воздуха, приходящееся на 1 кг сухого воздуха,— в м³/кг АСВ.

Расчетные выражения для составим также на основе уравнения Клапейрона-Менделеева, записанного для влажного воздуха, т.е. для смеси водяных паров и сухого воздуха. С этой целью найдем число молей, приходящихся на 1 кг АСВ: это молей сухой части и молей водяных паров. Сумма этих величин есть число молей, движущихся с 1 кг АСВ, а с кг АСВ/с — в раз больше. Тогда при общем давлении

Рис. 11.16. Номограмма для определения относительного удельного объема системы "вода — воздух" при атмосферном давлении. Пример: ºС, кг Вл/кг АСВ; результат: м³ /кг АСВ

Отсюда определим :

(11.2)

По этой формуле построена номограмма (рис. 11.16), позволяющая по известным и () определить для системы "водяные пары-воздух" в наиболее часто встречающемся случае сушки под атмосферным давлением .

Относительная энтальпия влажного воздуха

Технологические расчеты сушильного процесса требуют знания тепловых характеристик влажного воздуха. Использование энтальпии влажного воздуха (абсолютной — на 1 кг вл.В, т.е. в Дж/кг вл.В) здесь неудобно по указанным выше причинам: поток влажного воздуха изменяется в ходе процесса. Поэтому в тепловых расчетах, как и в материальных, целесообразно оперировать величинами, приходящимися на 1 кг АСВ. Эти величины называют относительными энтальпиями и обозначают заглавным символом I; соответственно физическому смыслу их единица измерения — Дж/кг АСВ. Поскольку энтальпия влажного воздуха отнесена к 1 кг смеси (т.е. влажного воздуха), а относительная энтальпия I — к 1 кг АСВ, то . В дальнейших расчетах будем оперировать величинами I; тогда поток теплоты запишется в виде причем в ходе сушки .

Расчет I при температуре и влагосодержании ведется по формуле, прямо следующей физическому смыслу этой величины:

(11.3)

где — теплоемкость сухого воздуха, — энтальпия паров влаги.

В (11.3) первое слагаемое представляет собой энтальпию сухого воздуха, а второе — вклад энтальпии водяного пара в I с учетом его доли , приходящейся на 1 кг АСВ.

В широком диапазоне температур можно (с погрешностью не более 2-3% до 500 ºС) считать к Дж/(кг АСВ∙К). Энтальпию пара можно представить как сумму теплоты испарения при 0 ºС (при этой температуре вода принимается в жидком состоянии) и теплоты нагрева водяных паров до рабочей температуры , где кДж/(кг ВПА) — теплоемкость водяного пара в весьма широком диапазоне температур.

Диаграмма

Определение величин и по достаточно простым формулам (11.1а) и (11.3) затруднений не вызывает. Однако в ходе расчета сушильного процесса ими приходится пользоваться многократно. Для облегчения расчетных операций по этим формулам построена диаграмма . В отечественной литературе используется диаграмма Рамзина, изображенная на рис. 11.17 в косоугольных прямолинейных координатах: вертикальная — наклонная (под 135º) — . Диаграмма построена для давления мм. рт. ст. = 10⁵Па. Естественно, линии постоянных значений координат расположены параллельно соответствующим осям: линии вертикальны (параллельны оси ординат , т.е. линии ), линии — наклонны (параллельны оси абсцисс , т.е. линии ). Значения отложены на вертикальной оси; значения должны быть отложены на наклонной оси, для удобства они перенесены на горизонтальную линию.

Линии постоянных температур в диаграмме — прямые, что следует из линейной связи и при ; это ясно из уравнений (11.1а), (11.3) и выражения для . Эти линии практически параллельны друг другу (они были бы строго параллельными при независимости и от Для более высоких температур линии располагаются выше, отвечая более высоким значениям при одинаковых .

Линии постоянных относительных влажностей — кривые, так как , а значит, и нелинейно зависят от . Верхней границе соответствует нижняя кривая %, ниже этой линии — нерабочая область диаграммы. Для более низких значений относительной влажности линии располагаются выше.

Автор диаграммы допустил погрешность, воспроизведенную впоследствии в ряде учебных пособий и монографий: при достижении температуры кипения влаги для давления (в диаграмме Рамзина — чуть ниже 100 ºС при 750 мм рт.ст Па) линии претерпевают излом и направляются вертикально вверх (показано вертикальным пунктиром на рис. 11.17). Приводимые объяснения весьма неубедительны. В действительности излома линий при ºС быть не должно, эти линии остаются плавными и выше ºС при давлении сушки, асимптотически приближаясь к определенным температурным прямым. Так, линия (100 %) в бесконечности () стремится к линии температуры кипения воды ºС, линия (50 %) асимптотически приближается в бесконечности к температурной кривой, отвечающей удвоенному значению ( ºС), линия (20 %) — к температурной прямой ºС. Вообще, линия асимптотически стремится к той температуре, отвечающей давлению , при которой обращается в нуль знаменатель выражения (11.1а), т.е. и одновременно стремятся к бесконечности.

Рис. 11.17. Диаграмма для влажного воздуха

Диаграмма вычерчена в косоугольных координатах с целью удобства ее использования. В декартовых координатах линии пошли бы гораздо круче, и вся расчетная область расположилась бы в левой верхней части диаграммы; ее середина и правое нижнее поле оказались бы пустыми. Кроме того, линии с различными сблизились бы, их стало бы трудно различать, что тоже неудобно при расчетах. Косоугольная диаграмма лишена этих недостатков.

В оригинальной диаграмме Рамзина из начала координат проведена прямая, показывающая изменение парциального давления водяных паров в зависимости от . В практических расчетах величина используется весьма редко, поэтому свободное правое нижнее поле целесообразно занять номограммой для определения , т.е. рисунком 11.16 (так и сделано нами в учебных диаграммах ).

Из четырех параметров , , и достаточно знать два, чтобы определить положение точки в диаграмме и отсчитать по ней значения остальных двух параметров. На практике чаще всего задают температуру (измеряется термометром, термопарой и т.п.) и относительную влажность (измеряется психрометром или каким-то другим влагомером); по и находят точку на диаграмме и определяют (по вертикали ) и (по наклонной линии ).

С помощью диаграммы весьма просто решается ряд технологических задач; приведем два простых примера (рис. 11.18).

Первый: пусть имеется влажный воздух известных параметров, например , (точка А, рис. 11.18, а). Требуется определить точку росы, представляющую собой температуру, при которой влажный газ (здесь — воздух), в процессе его охлаждения становится насыщенным. В ходе охлаждения воздуха при отсутствии конденсации влаги в нем не изменяется ни количество влаги, ни количество абсолютно сухой части; поэтому процесс охлаждения идет при и в диаграмме изображается нисходящей вертикальной прямой. Для определения точки росы необходимо из исходной точки (точка А) провести вертикаль до линии насыщения (100%) и в точке пересечения отсчитать температуру — это и будет точка росы . Охлаждение до более низкой температуры пойдет по линии % (воздух будет оставаться насыщенным) с понижением влагосодержания — влага будет выпадать в виде конденсата.

Второй пример: требуется определить количество теплоты в расчете на 1 кг абсолютно сухого воздуха, необходимой для нагрева исходного воздуха заданных параметров (точка В на рис. 11.18, б, найденная по известным и ) до температуры . Нагрев влажного воздуха, как и его охлаждение, изображается в диаграмме вертикальной прямой (разумеется, здесь — восходящей). Конечная точка получается пересечением этой вертикали с температурной линией точка С. Отсчитав значения относительных энтальпий в начальной и конечной точках и , найдем искомое количество теплоты: Дж/кг АСВ (реально в диаграмме не Дж, акДж).

Рис. 11.18. Решение простейших задач с помощью диаграммы .
а — определение точки росы, б — определение расхода

Диаграммы для влажного воздуха в наиболее распространенных вариантах изготовлены для умеренных температур — до 150, до 200 ºС или несколько выше. В ряде случаев сушка проводится при значительно более высоких температурах — до 400 и даже до 700 ºС. В таких случаях пользуются диаграммами для высоких температур. Эти диаграммы вполне пригодны для расчетов процесса сушки топочными газами, поскольку основной составляющей как воздуха, так и топочных газов является азот — примерно в одинаковых количествах (70-80 %), а остальные составляющие (по крайней мере — основные) мало различаются по своим теплофизическим свойствам.

Простая сушка

Из

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: