Специальные сушильные аппараты

Использование 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.

Рис. 11.12. Сушка токами высокой частоты: а — к принципу работы: 1 — зона высушиваемого ТМ, 2 — обкладки (пластины) конденсатора, 3 — генератор высокой частоты; б — схема сушилки: 1 — сушильная камера, 2 — лента конвейера и вращающиеся барабаны, 3 — направляющая плоскость, 4 — пластины конденсатора; I — исходный ТМ, II — высушенный ТМ

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 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 % (возду

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

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

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

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