|
Специальные сушильные аппаратыИспользование специальных сушилок связано, как правило, со специфическими свойствами высушиваемых материалов, в первую очередь — с их термолабильностью либо нежелательностью контакта с кислородом воздуха. Поэтому для получения качественного продукта технологи вынуждены идти на повышенные энергозатраты и использовать сложное оборудование — это характерно для специальных сушилок. Ниже рассмотрены устройство и принцип работы лишь отдельных специальных сушильных аппаратов. На рис. 11.10 демонстрируются контактные сушилки. Теплота на удаление влаги здесь передается за счет непосредственного контакта высушиваемых материалов с горячими поверхностями. На рис. 11.10, а показана полочная контактная сушилка (в простейшем варианте — вакуум-сушильный шкаф), где ТМ лежит на противнях 2, положенных на поверхности 3, обогреваемые теплоносителем II (паром, горячей водой). Для понижения температуры процесса в сушильной камере 1 создается вакуум: смесь воздуха и водяных паров отводится (I) через конденсатор к вакуум-насосу. Эти сушилки характеризуются низкой производительностью: необходимо немало времени для создания вакуума и прогрева материала (его теплопроводность чаще всего невелика), а также на загрузку и выгрузку ТМ. Вакуум-сушильные шкафы достаточно широко применяются в лабораториях и малотоннажных производствах.
Рис. 11.10. Контактные сушилки: а — вакуум-сушильный шкаф: 1 — сушильная камера, 2 — полки с ТМ, 3 — обогревающие поверхности; I - водяные пары, II - теплоноситель; б — цилиндрическая сушилка (фрагмент, схема): 1 — вращающиеся обогреваемые цилиндры, 2 — движущаяся лента; I — влажная лента (пленка, ткань, нить), II — высушенная лента; в — двухвальцовая сушилка: 7 — сушильная камера, 2 — обогреваемые вращающиеся вальцы, 3 — устройство подвода и распределения жидкости, 4 — ножи, 5 — наклонные стенки, 6 — шнек; I — исходный раствор (суспензия), II — высушенный ТМ, III — вывод водяных паров
На рис. 11.10, б схематически показан фрагмент цилиндрической контактной сушилки, предназначенной для сушки пленок, лент, тканей, бумаги, нитей. Основной рабочий орган — вращающиеся цилиндрические барабаны 1, обогреваемые внутри каким-либо горячим теплоносителем. Эти барабаны приводят в движение ленту 2, которая попеременно контактирует с горячей поверхностью то одной, то другой стороной — происходит ее высушивание от исходного состояния (вход I) до конечного (выход II). На рис. 11.10, в дана схема двухвальцовой контактной сушилки. Исходные раствор или суспензия (I) разбрызгиваются с помощью устройства 3 (в других конструкциях — просто подается по трубе в зоне устройства 3) на поверхность валков 2, обогреваемых изнутри. Валки медленно вращаются навстречу друг другу, жидкость смачивает горячую наружную поверхность валков, получает от нее теплоту и обезвоживается. Образовавшаяся пленка высушенного материала срезается ножами 4 и по наклонным стенкам 5 перемещается в нижнюю часть аппарата, откуда ТМ шнековым питателем 6 выводится из сушилки в приемник. Сушилка может работать под атмосферным давлением и под вакуумом. В последнем случае паровоздушная смесь отводится (III) через конденсатор к вакуум-насосу. Заметим: в контактных сушилках теплота в идеале расходуется только на испарение влаги (реально, конечно, и на потери в окружающую среду) — в отличие от конвективных сушилок, где соизмеримое количество теплоты расходуется еще и на подогрев СА. К недостаткам контактных сушилок относятся ограничения в температуре горячей поверхности (при сушке термолабильных материалов), возможная неплотность прилегания высушиваемого материала к этой поверхности, длительность прогрева малотеплопроводных материалов, а также высокая металлоемкость большинства контактных сушилок. Рис. 11.11 иллюстрирует принцип работы терморадиационной сушилки.
Рис. 11.11. Схема терморадиационной сушки:1 — поверхность с высушиваемым ТМ, 2 — ТЭН'ы, 3 — отражатели
Рабочий орган — излучатели 2, работающие в диапазоне инфракрасного (теплового) излучения. Оно направляется (непосредственно от излучателей 2 и с помощью отражателей 3) на ТМ, находящийся на поверхности 1. Применение лампы в качестве излучателя приводит к образованию на поверхности материала светового пятна с неравномерной интенсивностью теплового потока. Поэтому предпочтительнее использование трубчатых электронагревателей (ТЭН'ов): внутри цилиндрических труб — спираль из нихрома или какого-нибудь другого материала с высоким электрическим сопротивлением; изоляция от стенок трубы обеспечивается наполнителем — электроизолятором (кварцевый песок, MgO, Al2O3 и т.п.). ТЭН'ы дают более равномерные полосы тепловых потоков. Существуют и другие способы организации направленного ИК-излучения (электронагрев керамических блоков; обогрев излучателей газовым пламенем). Поверхность 1 может представлять собой ленту конвейера, тогда процесс можно проводить как непрерывный. Возможно также движение высушиваемого материала по наклонным плоскостям с излучателем над ними. Особенность терморадиационной сушки — слабая проницаемость излучения вглубь высушиваемого материала. Поэтому их чаще всего применяют для термического воздействия (высушивания) на поверхностную влагу и тонкие прослойки сыпучих материалов. Терморадиационные сушилки достаточно производительны и компактны, однако их энергетические характеристики весьма неблагоприятны: затраты энергии в 3-4 раза превышают теплоту испарения жидкости. Сушка токами высокой частоты представлена на рис. 11.12, причем на виде (а) иллюстрируется принцип ее работы. Между обкладками конденсатора 2, присоединенными к электрогенератору высокой частоты 3, находится зона высушиваемого материала 1. Пусть в данный момент времени верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, нижняя — отрицательно. Тогда соответствующим образом ориентируются полярные молекулы материала и влаги. Спустя малый промежуток времени (порядка 10-4 с) заряд пластин изменяется на противоположный, вслед за этим происходит переориентация молекул. В результате многократной переориентации молекул в единицу времени происходит тепловыделение, причем достаточно равномерное по объему твердого материала. За счет этой теплоты влага удаляется из материала. На рис. 11.12, б демонстрируется работа сушильной установки, сконструированной по принципу ленточной сушилки. Отличительная особенность здесь — отсутствие СА и наличие обкладок конденсатора. Потоки и основные узлы ясны из рисунка (разумеется, предусмотрен и отвод водяных паров — на рисунке не показан). В заключение — сублимационная сушилка (рис. 11.13). Смысл процесса — в замораживании влаги и возгонке льда без перевода в жидкое состояние. Метод особенно актуален для лекарственных препаратов и ряда пищевых продуктов, отличающихся высокой чувствительностью к повышению температуры.
Чтобы обеспечить сублимацию льда без его таяния, необходимо вести процесс сушки в весьма глубоком вакууме (остаточное давление на уровне 5 — 200 Па). В сушильной камере 1 располагаются обогреваемые (часто — теплой водой III— IV) полости 2, на которых размещают противни 3 с замороженным высушиваемым материалом. Температуру сублимации при указанном давлении удается выдержать в пределах 15-50 ºС ниже нуля; Водяные пары отводятся (I) через конденсатор 4, охлаждаемый (V, VI) низкотемпературным хладоагентом (например, рассолом); сконденсировавшаяся влага отводится (II) из аппарата. Вакуум создается и поддерживается вакуум-насосом 5; вакуумируемые газы выбрасываются в атмосферу. Затраты теплоты в сублимационной сушилке невелики, тем более что используется сравнительно дешевый теплоноситель, да еще низкого потенциала — теплая вода. Основные энергетические затраты приходятся на выкуумирование (поскольку вакуум — достаточно глубокий) и холод в конденсаторе.
Рис. 11.13. Сушка с замораживанием влаги и сублимацией льда: 1 — сушильная камера, 2 — обогреваемые полости, 3 — противни с высушиваемым ТМ, 4 — конденсатор, 5 — вакуум-насос; I — паровоздушная смесь, II — конденсат, III, IV — теплая вода (теплоноситель), V, VI — хладоагент
11.2 Физико-химические основы процесса конвективной сушки Условие сушки Рассмотрим в общем плане конвективную сушку материала, расположенного на некоторой поверхности (рис. 11.14). Влажность ТМ будем обозначать символами Если
Рис. 11.14. Условие сушки: I — высушиваемый твердый материал, ii — сушильный агент, iii— пограничная пленка в потоке сушильного агента над твердым материалом
Если Случай 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
На практике чаще всего конвективная сушка ведется под атмосферным давлением, так что для европейской части страны в среднем Величина При Значения Концентрация влаги в воздухе Концентрация влаги в воздухе может быть представлена в форме абсолютной влажности
Рис. 11.15. Влияние температуры на абсолютную влажность в насыщенном состоянии
Величина
Состояние Значения Использование абсолютной влажности не вполне наглядно, поскольку по названной цифре
Значение На практике При увеличении температуры Относительную влажность можно выразить через давления паров
Здесь 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:
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 Расчет влагосодержания
Поделив одно выражение на другое, после сокращения на
Для рассматриваемой в учебнике системы "вода-воздух" молярные массы окончательно, используя (д), получаем:
Из последнего выражения следует: — влагосодержание — предельное (максимальное) значение
Влагосодержание
При этом значению Из формулы (11.16) ясно: Объемный поток влажного воздуха Подача СА в сушильную установку осуществляется с помощью вентиляторов, газодувок; это машины объемного действия, и подбираются они по объемной производительности Расчетные выражения для
Рис. 11.16. Номограмма для определения относительного удельного объема системы "вода — воздух" при атмосферном давлении. Пример:
Отсюда определим
По этой формуле построена номограмма (рис. 11.16), позволяющая по известным 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 Расчет I при температуре
где В (11.3) первое слагаемое представляет собой энтальпию сухого воздуха, а второе — вклад энтальпии водяного пара в I с учетом его доли В широком диапазоне температур можно (с погрешностью не более 2-3% до 500 ºС) считать Диаграмма Определение величин Линии постоянных температур Линии постоянных относительных влажностей Автор диаграммы допустил погрешность, воспроизведенную впоследствии в ряде учебных пособий и монографий: при достижении температуры кипения влаги для давления
Рис. 11.17. Диаграмма
Диаграмма В оригинальной диаграмме Рамзина из начала координат проведена прямая, показывающая изменение парциального давления водяных паров Из четырех параметров С помощью диаграммы Первый: пусть имеется влажный воздух известных параметров, например ![]() ![]() Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право... ![]() ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала... ![]() Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)... ![]() 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:
|