Сушка твердых сыпучих материалов. Равновесие при сушке. Материальный и тепловой балансы сушки. Кинетика процесса сушки

11. Сушка твердых сыпучих материалов

Процесс удаления влаги из твердых и пастообразных материалов путем ее испарения широко используется в химической технологии. При этом высушиваемым материалам удается придать необходимые свойства (например, уменьшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), удешевить их транспортировку, а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении и последующей обработке этих материалов.

В химических производствах, как правило, применяется искусственная сушка материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка на открытом воздухе - процесс слишком длительный.

По своей физической сущности сушка является сложным тепло- и массообменным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению теплоты и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различаются следующие виды сушки:

1)  конвективная - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом;

2)  контактная - путем передачи теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3)  радиационная - путем передачи теплоты инфракрасными лучами;

4)  диэлектрическая - путем нагревания;

5)  сублимационная - сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

11.1. Равновесие при сушке

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса: а) сушка (десорбция влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала , превышающим его парциальное давление в воздухе или газе , т.е. при ; б) увлажнение (сорбция влаги материалом) при .

В процессе сушки величина  уменьшается и приближается к пределу . При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью .

Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом  или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха  (где  - давление насыщенного водяного пара при данной температуре).

Зависимость  устанавливается при постоянной температуре и является изотермой.

11.2. Материальный и тепловой балансы сушки

Для составления материального баланса введем обозначения:  - количество влажного материала, поступающего на сушку, ;  - количество высушенного материала, ;  и  - начальная и конечная влажность материала, %;  - количество удаляемой при сушке влаги, .

Тогда условие материального баланса запишется следующим образом:

для всего материала:

,                                                                  (11.1)

для абсолютно сухого вещества:

.                                          (11.2)

Обычно целью составления материального баланса является определение количества влаги , удаляемой при сушке:

.                                                                  (11.3)

Используя соотношение (11.2), уравнение для расчета количества влаги (11.3) можно записать в виде

.                                                           (11.4)

Если количество влаги  известно, то из уравнения (11.4) можно определить количество высушенного материала .

Остановимся на тепловом балансе сушки. Пусть на сушку поступает   исходного материала, имеющего температуру   В сушилке из материала испаряется   влаги и из сушки удаляется   высушенного материала при температуре , с теплоемкостью  , причем теплоемкость влаги составляет  .

В сушилку подается влажный воздух, содержащий   абсолютно сухого воздуха. Перед калорифером воздух имеет энтальпию   сухого воздуха. После нагрева, т.е. на входе в сушилку, энтальпия воздуха повышается до   сухого воздуха. В процессе сушки в результате передачи теплоты материалу, поглощения испаряющейся из материала влаги и потерь теплоты в окружающую среду, энтальпия воздуха изменяется и на выходе из сушилки энтальпия отработанного воздуха равна   сухого воздуха. Теплоту, подводимую в калорифер, обозначим как . Тогда с учетом потерь теплоты сушилкой в окружающую среду  имеем

.                       (11.5)

Из этого уравнения можно определить общий расход теплоты на сушку:

.                            (11.6)

Разделив обе части последнего уравнения на , получим выражение для общего расхода тепла на  испаренной влаги:

,                                    (11.7)

где

.     (11.8)

11.3 Кинетика процесса сушки.

Кинетика процесса сушки химических продуктов характеризуется скоростью удаления влаги, т.е. изменением влагосодержания продукта во времени. Знание кинетических зависимостей и их параметров необходимо при проектировании аппаратов и управлении процессом сушки.

Обычно при оценке кинетических параметров используются кривые сушки, получаемые экспериментально и представляющие собой зависимость влагосодержания от времени.

Кривые сушки кристаллогидратов можно разделить на несколько участков