Химическая энциклопедия - сушка

удаление жидкости (чаще всего влаги-воды, реже иных жидкостей, напр. летучих орг. р-рителей) из в-в и материалов тепловыми способами. Осуществляется путем испарения жидкости и отвода образовавшихся паров при подводе к высушиваемому материалу теплоты, чаще всего с помощью т. наз. сушильных агентов (нагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар). С. подвергают влажные тела: твердые-коллоидные, зернистые, порошкообразные, кусковые, гранулированные, листовые, тканые и др. (эта группа высушиваемых материалов наиб. распространена); пастообразные; жидкие-суспензии, эмульсии, р-ры; о С. газов и газовых смесей см. Газов осушка.

Цель С., широко применяемой в произ-вах химико-лесного комплекса, с. х-ве, пищевой, строит. материалов, кожевенной, легкой и др. отраслях народного хозяйства,-улучшение качества в-в и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является последней технол. операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми мех. способами, окончательно-тепловыми.

Естественную С. на открытом воздухе из-за значит. продолжительности используют крайне редко и гл. обр. в районах с теплым климатом. В хим. произ-вах применяют, как правило, искусственную С., проводимую в спец. сушильных установках, в состав к-рых входят: сушильный аппарат, или сушилка, где непосредственно протекает процесс; вспомогат. оборудование-теплообменные аппараты (калориферы), тяго-дутьевое устройство (вентилятор, воздуходувка) и система пылеочистки (см. Пылеулавливание) соотв. для нагревания сушильного агента, пропускания его через сушилку и отделения от высушенного продукта.

По способу подвода теплоты к влажному телу различают след. виды С.: конвективную (в потоке нагретого сушильного агента, выполняющего одновременно ф-ции теплоносителя и влагоносителятранспортирующей среды, в к-рую переходит удаляемая влага, и в ряде случаев способствующего созданию необходимой гидродинамич. обстановки); контактную (при соприкосновении тела с нагретой пов-стью); диэлектрическую (токами высокой частоты); сублимационную (вымораживанием в вакууме; см. также Сублимация); радиационную (ИК излучением); акустическую (с помощью ультразвука). В народном хозяйстве используют преим. первые два вида, в хим. произ-вах-конвективную. Остальные виды применяют весьма редко и наз. обычно специальными видами С.

При любом виде С. ее влажный объект находится в контакте с влажным газом (в осн. с воздухом). Поэтому знание их параметров необходимо при описании процессов С. и их расчетах. Осн. параметры: влажного тела-влагосодержание и(отношение массы влаги к массе абс. сухой части); влажного газа-т-ра t, влагосодержание x(отношение массы паров к массе абс. сухой части), относит. влажность f (отношение массы пара в данном объеме к массе насыщ. пара в том же объеме при одинаковых условиях), уд. энтальпия I, равная сумме уд. энтальпий абс. сухой части и паров (см. также Влажность), росы точка, т-ра мокрого термометра (т-ра адиабатич. насыщения).

Статика сушки Под cтатикой С. обычно понимают, состояние термо-динамич. равновесия в системе влажное тело-газ, а также материальный и тепловой балансы сушилок в установившемся режиме работы. Исследования указанного, равновесия важны для определения форм связи влаги с материалом и его внутр. структуры, а также движущей силы С.

Формы связи влаги с материалом в значит. степени определяют механизм и скорость С.: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При С. связь влаги с материалом нарушается. Различают след. формы связи (в порядке убывания ее энергии): химическую, физико-химическую, механическую.

Химически связанная влага (гидратная, или кристаллизационная, влага комплексных соединений) соединена с материалом наиб. прочно и при С. обычно удаляется частично или вообще не удаляется.

Физ.-хим. связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (напр., в Коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмол. взаимод. на пов-сти пор материала в виде монослоя или неск. слоев (см. Адсорбция). Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотич. силами (см. Осмос). Влага этих видов связи с трудом удаляется при С.

Механическая, или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10^-7 мм) и микрокапилляров (менее 10^-7 мм). Влага макрокапилляров наим. прочно связана с материалом и м. б. удалена не только при С., но и механически.

Применительно к С. влагу классифицируют в более широком смысле на свободную (легко удаляемую) и связанную (адсорбционную, осмотич., микрокапилляров). Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости испарения воды со своб. пов-сти жидкости. Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с пов-сти воды. Расчет сушилок необходимо проводить с учетом энергии связи влаги с материалом. Суммарный расход теплоты на С.:

где Q исптеплота парообразования, расходуемая на испарение своб. влаги; Q св теплота, расходуемая на преодоление связи влаги с материалом.

Изотермы сорбции-десорбция. Их изучение-один из наиб. распространенных методов исследования термодинамич. равновесия в системе влажное тело-газ. Эти изотермы зависят от формы связи влаги с материалом, его структуры и св-в. В состоянии равновесия при t= const определенному значению относит. влажности воздуха fp соответствует вполне определенное равновесное влагосодержание материала u р. Изотермы сорбции и десорбции представляют собой зависимости u р =f(fp).

Линии постоянных т-р (t = const) вместе с линиями постоянных влагосодержания (х= const), относит. влажности (f = const) и энтальпии (I = const) влажного воздуха наносят на психрометрия, диаграмму I Ч x(см. Газов увлажнение), с помощью к-рой обычно изучают С. и связанные с ней нагревание, охлаждение, увлажнение и смешение воздуха разных параметров.

Варианты конвективной сушки и их изображение на I-x -диаграмме. При определенном сочетании параметров сушильного агента (t и f) и скорости его движения относительно материала достигается соответствующий режим С. Кроме этих факторов на него влияет также давление, если оно значительно отклоняется от атмосферного (вакуум-С.). Для обеспечения заданных режимов С. чаще всего используют след. ее варианты: 1) основной, или нормальный,-сушильный агент однократно нагревается в калорифере до требуемой т-ры и поступает в сушилку, из к-рой выбрасывается в атмосферу; 2) с рециркуляцией отработанного сушильного агента-часть его из сушилки возвращается в калорифер (на его вход или выход), где смешивается со свежим воздухом; 3) с промежуточным подогревом сушильного агента в неск. калориферах; сначала он нагревается в первом калорифере, затем контактирует с высушиваемым материалом в первой части сушилки, снова нагревается во втором калорифере, соприкасается с материалом во второй части сушилки и т. д.; 4) с ретуром сухого продукта-часть его возвращается в сушилку для досушки, а также для придания влажному материалу на входе в аппарат необходимой сыпучести.

Осн. вариант С. изображен на рис. 1,а: точки А, В и С соответствуют состоянию воздуха перед калорифером, за ним и на выходе из сушилки; вертикальный отрезок АВ (х= x0) отвечает нагреву воздуха в калорифере, линия ВС- процессу С. Вариант с рециркуляцией части сушильного агента изображен на рис. 1,5; линия AM соответствует смешению перед калорифером атмосферного и части отработанного воздуха (рецикла), вертикальный отрезок МB -нагреву воздуха в калорифере, линия ВС- процессу С. На этом рис. процессу С. в основном варианте (без рецикла) отвечает линия AB'C. По сравнению с ним вариант с рециклом отличают большее влагосодержание воздуха, менее высокие температура (режим С. мягче) и расход энергии на нагрев воздуха.

Материальный и терловой балансы позволяют находить параметры, необходимые для расчета сушилок. Материальный баланс составляют как по всему кол-ву материала, так и по одному из компонентов С.-массе абсолютно сухого в-ва или массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале; в результате определяют расход сушильного агента и кол-во испаренной влаги.

Тепловой баланс. Согласно закону сохранения энергии, приход в к.-л. сушилку теплоты равен ее расходу. В случае конвективной С. теплота вносится в сушилку с нагретым в калорифере (топке) сушильным агентом, влажным материалом, находящейся в нем жидкостью и транспортными устройствами (вагонетки и др.); удаляется теплота с отработанным теплоносителем, высушенным материалом и транспортными устройствами; часть теплоты безвозвратно теряется в окружающую среду; из этого баланса находят общий расход теплоты на С. В случае контактной С. из теплового баланса находят расход водяного пара, теплота ик-рого затрачивается на нагрев высушиваемого материала, испарение жидкости и компенсацию потерь теплоты.

Рис. 1. Изображение на I-х -диаграмме вариантов сушки: а-основного; б- с рециркуляцией сушильного агента (х нас, x см -влагосодержания насыщ. воздуха в смеси свежего воздуха с частью отработанного).

Теслои массоперенос при сушке Закономерности С. определяются совместным влиянием одновременно протекающих теплои массопереноса. В соответствии с их ур-ниями в ходе С. система влажное тело-газ стремится к фазовому равновесию, при к-ром наблюдается равенство хим. потенциалов жидкости и ее пара.

По достижении указанного равновесия С. прекращается. Следовательно, С.-существенно неравновесный процесс, движущей силой к-рого является разность хим. потенциалов. Последние определяются через градиенты параметров материальных потоков, участвующих в С. Напр., при конвективной С. движущую силу можно выразить разностью: парциальных давлений Dp=p м Чp п (р м -давление паров влаги у пов-сти материала, р п -парциальное давление водяных паров в воздухе); влагосодержаний Dx = х нас Ч x(х нас -влагосодержание воздуха, насыщ. водяными парами вблизи пов-сти материала, x-влагосодержание ненасыщ. воздуха); т-р Dq = q с Ч q М (q с -т-ра среды, окружающей материал, q м -т-ра пов-сти влажного материала, принимаемая равной т-ре мокрого термометра) и т. д. Поскольку на входе в сушилку и выходе из нее значения Dp, Dx и Dq будут различны, в расчетах используют среднюю движущую силу С.

Различают обычно внеш. и внутр. перенос влаги и теплоты. Внеш. перенос (теплои массообмен) происходит между влажным телом и сушильным агентом и характеризуется коэф. теплои массоотдачи, для к-рых известны многочисл. эмпирич. корреляции; внутр. перенос-движение влаги во внутр. слоях материала.

Динамика С. Для описания внутр. теплои массопереноса во влажном теле нужно рассматривать нестационарные поля т-р и влагосодержаний, т. е. зависимости q = q (c, т) и и=и(x, т), где х- радиус-вектор точки пространства (в любой точке рабочего пространства сушильной камеры влагосодержание xизменяется как во времени т, так и с изменением местоположения рассматриваемой точки). Такие поля находят решением на ЭВМ сложной системы фено-менологич. ур-ний с кинетич. коэффициентами, или коэф. переноса К ik (см. также Переноса процессы):

где K11 = D-коэф. диффузии; K12 = Dd (d-термоградиентный коэф., характеризующий степень влияния т-ры на поток влаги в высушиваемом теле); К 13 = К ф. п./r т (К ф. п. -коэф. фильтрац. переноса влаги, отражающий степень влияния давления на поток влаги в материале, r т -его плотность); К 21 = Q испED/C вл[ Е- критерий фазового превращения, определяемый отношением потока пара во влажном теле к суммарному потоку влаги в виде жидкости и пара (О E1; если перемещаемая влага-жидкость, Е =0, если-пар, то Е=1); С -уд. теплоемкость влажного материала]; К 22 = а -коэф. температуропроводности; К 23 = = EQ испD^-1 x K' ф. п. /С вл ( К' ф. п. -относит. коэф. фильтрац. переноса влаги, характеризующий влияние давления на поток теплоты в теле через поток влаги); K31 = Ч ED/Ce (С е -коэф. теплоили массоемкости влажного газа в пористом теле); К 32 = -ED/Ce; К 33 = К ф. п./Сеr т EDK ф. п./Ce.

Рис. 2. Кривые кинетики: а-кривые сушки (т) и нагрева влажного материала (т); б-кривые скорости сушки для материалов тонколистовых пористых (1), коллоидных (2), капиллярно-пористых (3), керамических (4), нек-рых полимерных (5).

Система (8) справедлива при постоянстве коэф. переноса, т. е. лишь для отдельных зон сушильного аппарата.

Кинетика С. отражает изменения во времени средних по объему высушиваемого материала его влагосодержания и т-ры . Знание кинетики С. позволяет рассчитать время т с С. материала от начального (u н) до конечного (u к) влагосо-держаний. На рис. 2, аизображены кривая наз. кривой С., и кривая нагрева тела Поскольку при С. влагосодержакие в каждой точке влажного материала стремится к равновесному u р, кривая u(т) стремится к горизонтальной асимптоте . Что касается кривой нагрева материала, то т-ра всех его точек чаще всего в начальный момент одинакова и равна q н; если т-ра среды равна q с, то именно к этому равновесному значению стремится т-ра . Поэтому

В общем случае кривая С. состоит из неск. участков, соответствующих разл. периодам процесса: кривая АВ- периоду прогрева материала, кривая ВС- периоду постоянной скорости (I период продолжительностью т I), кривая CD- периоду падающей скорости (II период продолжительностью т II). В период прогрева теплота, подводимая к материалу, расходуется на его нагрев от нач. т-ры q н до т-ры мокрого термометра q , а также на испарение влаги; в этот период скорость С. обычно возрастает от куля до постоянной ее скорости N в I период; продолжительность периода прогрева, как правило, незначительна по сравнению с др. периодами.

При q = q м. т. I период описывается ур-нием (знак минус указывает на уменьшение u) или после дифференцирования:

где -начальное значение uпри т = 0 ( -конечное значение в период прогрева; если он мал, то ). Выражению (9) соответствует время С. в I период;

где u кр -критич. влагосодержание в конце этого периода. Скорость С. в данный период определяется скоростью подвода теплоты к материалу:

где a-коэф. теплоотдачи от сушильного агента к материалу; f уд = F/G с. м.; F-межфазная пов-сть; G с. м. -масса сухого материала.

Физически I период заканчивается при удалении из материала своб. влаги (и= и кр); во II периоде начинается удаление связанной влаги. Для расчета u кр используют ряд корреляций, однако на практике его определяют экспериментально.

Скорость С. во II периоде часто аппроксимируют ур-нием, учитывающим приближение к и р:

где К с -коэффициент С., зависящий от ее режима и св-в материала. Этот параметр часто представляют в виде: К c = xN, где x-относит. коэффициент С., определяемый гл. обр. св-вами материала. Ур-нию (12) соответствует выражение для времени С. материала во II периоде при изменении влагосодержания от u р до u к:

Процесс С. (особенно во II периоде) удобно изображать в координатах {[du/dт], u} (рис. 2,б). В них зависимость (12) изображается прямой линией. Для ряда материалов кинетика С. в этих координатах имеет более сложный вид.

При пренебрежении продолжительностью периода про-грева влажного материала необходимое время его С. определится равенством:

В последнее время разработан новый метод расчета С. Было экспериментально установлено, что для одного и того же материала при разных режимах С. и одинаковом u н величина Nт определяется лишь текущим влагосодержанием . Поэтому в координатах кривая С. не зависит от ее режима. Т. обр., если опытным путем построить такую кривую, наз. обобщенной кривой С., для одного режима, можно, зная N[из ур-ния (11)], построить соответствующие кривые для др. режимов. Выведено единое кинетическое уравнение для описания сразу всех периодов С.: