Сушка

ОБЕЗВОЖИВАНИЕ
Процесс обезвоживания материала за счет испарения влаги и отвода ее паров - сушка.
Все тела обладают способностью поглощать влагу, отдавать влагу и интенсивно удерживать влагу.
Количество влаги в теле меняется в значительных пределах в зависимости от условий.

Влажность материала
Баланс влажного материала:
Относительная влажность
Абсолютная влажность

Влажность материала
Влажность материала меняется.
Влага, содержащаяся в материале в различных количествах, неоднородна по интенсивности связи с твердой фазой, по своим свойствам, по характеру воздействия на свойства влажного материала.

Формы связи влаги с материалом
Химическая связь влаги с материалом – влага входит в состав кристаллических решеток материала;
Физико-химическая связь – осуществляется адсорбционными и осмотическими силами:
адсорбционная и осмотическая;
Физико-механическая связь –влага, заполняющая макро- и микрокапиляры, и влага смачивания;

Физико-химическая связь
Адсорбционная (гидратационная) связанная влага;
Осмотическая влага

Адсорбционная влага
Адсорбционная (гидратационная) – поглощается с выделением тепла; сорбируется внешней поверхностью за счет нескомпенсированного силового поля молекул из паровоздушной смеси и при непосредственном контакте с водой;
Образуется адсорбционный слой;
меняются физические свойства материала (пластифицирует);
плотность воды повышается, снижается теплоемкость и температура замерзания.

Осмотическая влага
Осмотическая влага проникает в капиллярно-пористое тело, состоящее из замкнутых пор, через стенки путем избирательной диффузии за счет сил осмотического давления.
Проникает в материал в основном при соприкосновении с жидкостью;
Энергия связи незначительна;
Свойства воды и материала не меняются.

Физико –механическая связь
Капиллярная влага;
Влага смачивания;

Капиллярная влага
Заполняет микрокапиляры, макро-капиляры тела, вследствие сил капилярного давления.
Механически удерживается (тонкий слой у стенок связан адсорбционно).
Поглощается из паровоздушной смеси и при непосредственном контакте с водой.

Влага смачивания
Находится на наружной поверхности и в макропорах. Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении с водой.
Удерживается прилипанием.
Поглощается при непосредственном контакте с водой.

Классификация влажного материала
Коллоидные тела – сохраняют эластичные свойства после удаления из них влаги (желатин), преобладает осмотическая форма связи;
Капиллярно-пористые тела – при удалении влаги становятся хрупкими (песок, древесный уголь), преобладает капиллярная форма связи;
Капиллярно-пористые коллоидные тела – характерны процессы набухания и усадки (торф, зерно, кожа).

Равновесная влажность
При долгом контакте материала с воздухом определенной t и φ, влажность материала постоянна – равновесная.
Температура материала равна температуре влажного воздуха, давление паров воды у поверхности материала равно парциальному давлению водяного пара в воздухе: pм =pпв

Равновесная влажность
Зависит
от свойств материала;
характера связи влаги с материалом;
параметров окружающей среды.
Равновесная влажность материала при контакте с воздухом φ=100% - гигроскопическая точка материала.

Гигроскопическая точка
Парциальное давление пара в воздухе и непосредственно над поверхностью материала равны парциальному давлению насыщенного пара при данной температуре: pм=pпв=pнас ;

Состояние материала
Если влажность материала больше влажности гигроскопической точки – материал находится во влажном состоянии: pм=pнас
Сушка материала, находящегося во влажном состоянии, протекает при любых параметрах окружающей среды до ее полного насыщения.

Состояние материала
Если влажность материала меньше влажности гигроскопической точки – материал находится в гигроскопическом состоянии: pм < pнас
Сушка материала, находящегося в гигроскопическом состоянии, зависит от давления водяного пара в окружающей среде и возможна только при влажности материала больше равновесной.

Равновесная влажность

Особенности тепло- массообмена
Если парциальное давление водяных паров у поверхности материала больше, чем в окружающем воздухе, материал отдает влагу воздуху.
Парциальное давление водяных паров у поверхности материала меньше, чем в окружающем воздухе, -материал сорбирует влагу из воздуха

Процесс сушки
При сушке жидкость испаряется и переходит в газовую фазу в виде пара, передавая от жидкости к воздуху (газу) тепло, равное теплоте испарения жидкости:
Т.к. сушка – массообменный процесс:
)

Влияние температуры
Чем выше температура материала, тем больше давление пара над материалом pм , т.е. для интенсификации процесса необходимо тепло.

Тепловая сушка
Контактная сушка;
Воздушная или газовая сушка;
Терморадиационная сушка;
Высокочастотная сушка

Тепло- массообмен
При тепловой сушке процесс передачи влаги (вещества) из одной фазы в другую сопровождается процессом теплопередачи.
Температура фаз не одинакова.
Количество тепла, передаваемого от газообразного сушильного агента к жидкости за счет конвекции при tг >Θм:

Теплообменное равновесие
Процесс испарения сопровождается передачей тепла от жидкости в окружающую среду;
Жидкость соприкасается с горячим теплоносителем и нагревается;
Когда Q1=Q2 наступает тепловое равновесие, идет испарение при постоянной температуре.

Температура, принимаемая жидкостью при испарении после достижения теплового равновесия, - температура мокрого термометра.
Процесс сушки при данных параметрах газа (воздуха) происходит до достижения равновесной влажности материала.

Кинетика процесса сушки
Влага перемещается от центра материала к периферии (границе контакта с воздухом) за счет массопроводности:
где k – коэффициент влагопроводности, м2/с;

Кинетика процесса сушки
С поверхности материала влага в виде пара передается в ядро газового потока за счет конвективной диффузии:
где
- критерий Био

Кривая сушки

Первый период сушки
Кинетический закон
Скорость процесса
Температура материала Θм=tм

Второй период сушки
Кинетический закон
Скорость процесса –равномерно падающая и неравномерно падающая
Температура материала повышается до tв

Кривая скорости сушки

Кривая скорости сушки
1- для тонких материалов с большой удельной поверхностью;
2 – для пористых материалов (ткань, кожа, бумага)
3 – для материалов с небольшой удельной поверхностью (керамика)

Кривая скорости сушки

Факторы, влияющие на скорость
Природа высушиваемого материала;
Размеры;
Начальная и конечная влажность материала;
Относительная влажность, температура и скорость воздуха:
1 период – скорость и направление движения
11 период – температура и относительная влажность воздуха
Характер и условия обтекания материала воздухом

Ускорение процесса сушки
Повышение температуры – возрастает парциальное давление водяных паров в материале и движущая сила процесса;
Уменьшение давления – снижается парциальное давление водяного пара и увеличивается движущая сила процесса;
Увеличение скорости газа – увеличивается коэффициент массоотдачи и скорость процесса;
Измельчение материала …..

Материальный баланс
По общим потокам
По абсолютно сухому веществу

Расход свежего воздуха
Расход свежего воздуха
Удельный расход воздуха

Тепловой баланс конвективной сушки
Затраты тепла на проведение процесса сушки:
Затраты тепла в калорифере

Схемы сушки
Простая схема;
С дополнительным подогревом;
С промежуточным подогревом;
С рециркуляцией отработанного воздуха;
С замкнутой циркуляцией сушильного агента.

Простая схема

С дополнительным подогревом

С промежуточным подогревом

С рециркуляцией отработанного воздуха