Тривалість процесу сушіння

У сушарках періодичної дії сушіння є нестаціонарним процесом: вологість матеріалу в процесі сушіння змінюється в просторі (по перетину і товщині матеріалу) і в часі. Швидкість зменшення вологості матеріалу (¶ ω^с/¶ t) може бути виражена найбільш загальним диференціальним рівнянням вологообміну

                                                         (137)

       де Ѳ (w^с), Ѳ (t) - оператори Лапласа відповідно для вологості і температури, що виражають суму других похідних даної перемінної по осях координат.

Припущення: для матеріалу у вигляді плоских пластин можна прийняти, що волога переміщається в ньому тільки в одному напрямку (наприклад, по осі х), зводимо рівняння до одномірної задачі.

Коефіцієнт вологопровідності не залежить від вологості матеріалу (k_вн=const).

Зневажаємо термовологопровідністю для конвективної сушарки.

Рівняння прийме вигляд:                                                          

                                                                             (138)

    Це диференціальне рівняння можна вирішувати, знаючи закон розподілу вологості в матеріалі (початкові умови) на початку сушіння і вираз для щільності потоку вологи з поверхні матеріалу в навколишнє середовище (граничні умови).

У період постійної швидкості сушіння вологу можна вважати рівномірно розподіленої по перетині матеріалу, тобто при t=0 w^c=const, для цього періоду коефіцієнт вологопровідності k_вн і інтенсивність випару вологи з поверхні матеріалу m є постійними. І так інтегруючи це рівняння для вище перерахованих умов і заміняючи вологість w^c, виражену в кг/кг сухої речовини, вологістю w, вираженої в %, одержують вираз для швидкості сушіння в I період:

                                                      (139)

де m - інтенсивність сушіння;

G_св - маса абсолютно сухого матеріалу;

F - поверхня випару;

w₁ і w_ко1 - початкова вологість і 1 критична вологість матеріалу відповідно;

t_до1 - тривалість сушіння за I період при зміні вологості від w₁ до w_ко1.

Отримане рівняння є рівнянням прямої ВС на кривій швидкості сушіння.

З нього визначається тривалість сушіння за I період (Рис.18):

                                                                                  (140)

або при сушінні до деякої кінцевої вологості w₂ маємо:

                               при                                 (141)

Для періоду падаючої швидкості розрахунок швидкості сушіння значно ускладнюється внаслідок складної і різної конфігурації кривих швидкості сушіння. Тривалість сушіння в цей період може бути визначена приблизно за допомогою коефіцієнта швидкості сушіння k_c.

Для розрахунку k_c використовують експериментальну криву швидкості сушіння даного матеріалу, заміняючи в ній криволінійний відрізок (відповідний II періоду сушіння) похилою прямою, проведеної з крапки w_р до горизонтальної прямолінійної ділянки (Рис.18).

Верхній кінець цієї прямої відповідає приведеній критичній вологості w_к.п, що заміняють у першому наближенні першу критичну вологість w_кр1.

При цьому рівняння кривої швидкості сушіння для другого періоду може бути визначене у вигляді:

                                                                (142)

де  - коефіцієнт швидкості сушіння.

N - швидкість сушіння в перший період.

У результаті інтегрування цього рівняння в межах від w_к.п до w₂ (кінцева вологість матеріалу після сушіння) одержуємо:

                                                                           (143)

Відкіля тривалість сушіння за другий період визначають по рівнянню:

                (144)

Загальна тривалість сушіння складе:

                  (145)

Цей метод розрахунку тривалості сушіння з використанням коефіцієнта швидкості сушіння k_c, запропонований А. В. Ликовим, найбільш розповсюджений. Перевага його в тім, що цим методом приблизно враховуються реальні умови сушіння, що протікає в другому періоді при перемінному режимі. Більш точна зміна стану сушильного агента в процесі сушіння і застосування коефіцієнта вологопровідності зі зміною вологості матеріалу можна врахувати, розбиваючи другий період сушіння на кілька етапів і підсумовуючи їхньої тривалості для визначення часу сушіння за весь період.

Запропоновані також інші наближені емпіричні рівняння, що дозволяють з тим чи іншим ступенем точності розрахувати тривалість сушіння. Їх загальний недолік - ці рівняння придатні тільки для тих матеріалів і умов, для яких вони були отримані.

У багатьох випадках, з огляду на складність визначення швидкості і тривалості сушіння в різні періоди процесу, робочий обсяг конвективних сушарок V_p знаходять приблизно, користаючись середньою дослідною величиною напруги обсягу сушарки по волозі А [кг/м³год] - параметром, що виражає кількість вологи, що видаляється при подібних умовах в одиниця об'єму сушильної камери. При цьому робочий обсяг сушарки визначається простою залежністю:                                                                                               (146)

W - загальна кількість вологи, що видаляється за весь процес сушіння.

Конструкції сушарок

Конструкції сушарок відрізняються по ряду ознак:

1) по способу підведення тепла (конвективні, контактні і т.д.);

2) по виду використовуваного теплоносія (повітряні, газові, парові);

3) по величині тиску в сушильній камері (атмосферні і вакуумні);

4) по способу організації процесу (періодичні і неперервні);

5) по взаємному напрямку руху матеріалу і сушильного агента в конвективних сушарках (прямотечія, протитечія, перехресний тік).

Конвективні сушарки з нерухомим чи щільним шаром матеріалу, що рухається

- Камерні сушарки. Ці сушарки є апаратами періодичної дії, що працюють при атмосферному тиску. Вони використовуються у виробництвах невеликого масштабу для матеріалів, що допускають невисоку температуру сушіння, наприклад барвники.

- Тунельні сушарки. Ці сушарки відрізняються від камерних тим, що в них з'єднані один з одним вагонетки повільно переміщаються по рейках уздовж дуже довгої камери прямокутного перетину. На вході і виході коридор має герметичні двері, що одночасно періодично відкриваються для довантаження і вивантаження матеріалу: вагонетка з висушеним матеріалом видаляється з камери, а з протилежного кінця в неї надходить нова вагонетка з вологим матеріалом. Сушильний агент рухається прямотіком чи протитоком до матеріалу, що висушується.

Тунельні сушарки звичайно працюють з частковою рециркуляцією сушильного агента і використовуються для сушіння великих кількостей штучних матеріалів (керамічних виробів).

По інтенсивності сушіння тунельні сушарки мало відрізняються від камерних. Їм властиві основні недоліки останніх (тривале і нерівномірне сушіння, ручне обслуговування).

- Стрічкові сушарки. У цих сушарках сушіння матеріалів проводиться беззупинно при атмосферному тиску. Сушіння здійснюється гарячим повітрям чи топковими газами, що рухаються протитечією чи перехресним струмом до напрямку руху матеріалу.

Водно-стрічкових сушарках із суцільною стрічкою звичайно спостерігається нерівномірне висушування матеріалів: у внутрішній частині шару, зверненої до стрічки, кінцева вологість вище, ніж у його зовнішній частині, яку омиває газами чи повітря.

Більш ефективне застосування багатострічкових сушарок зі стрічками з металевої сітки. Стрічкові сушарки можуть працювати по різних схемах сушильного процесу. Стрічкові сушарки громіздкі і складні в обслуговуванні головним чином через перекоси і розтягання стрічок. Вони не придатні для сушіння пастоподібних матеріалів, тому для цих цілей їх використовують у комбінації з вальцовими сушарками.

Петлеві сушарки. Сушіння пастоподібних матеріалів, а також тонких листових (папера) роблять у безупинно діючих петлевих сушарках, що працюють при атмосферному тиску. У них сушіння здійснюється в шарі невеликої товщини (5…20 мм) при двостороннім омиванні стрічки гарячим повітрям і прогріві запресованого матеріалу металевим каркасом (сіткою), нагрітими вальцями. Це забезпечує велику швидкість сушіння в порівнянні з камерними сушарками. Разом з тим петлеві сушарки відрізняються складністю конструкції і вимагають значних експлуатаційних витрат.

Конвективні сушарки з перемішуванням шару матеріалу

Барабанні сушарки. Ці сушарки широко застосовуються для безупинного сушіння при атмосферному тиску кускових, зернистих і сипучих матеріалів (мінеральних солей, фосфоритів і ін.).

Типи промислових барабанних сушарок різноманітні: сушарки, що працюють при протитечії сушильного агента і матеріалу, з використанням повітря як сушильного агента, контактні барабанні сушарки й ін.

 

Конвективні сушарки з псевдозрідженим шаром матеріалу

Сушарки з киплячим шаром. Ці сушарки є одним із прогресивних типів апарата для сушіння.

Процес у киплячому шарі дозволяє значно збільшувати поверхню контакту між частками матеріалу і сушильним агентом, інтенсифікувати випар вологи з матеріалу і скоротити (до декількох хвилин) тривалість сушіння.

Сушарки з киплячим шаром у даний час успішно застосовуються в хімічній технології не тільки для сушіння сильно сипучих зернистих матеріалів (мінеральних і органічних солей), але і матеріалів, підданих комкованню (для ПВХ, поліетилену і т.д.), а також пастоподібних матеріалів (пігментів, анілінових барвників), розчинів, розплавів і суспензій. Найбільш поширені однокамерні сушарки беззупинної дії.

Однак застосовуються і багатокамерні сушарки. Вони більш складні по конструкції, вимагають великих питомих витрат сушильного агента й електроенергії. Крім того, процес у них трудніше піддається автоматизації. Їхнє застосування доцільне лише для матеріалів зі значним опором внутрішньої дифузії вологи, що вимагають тривалого сушіння, а також матеріалів, що потребують у регулюванні температурного режиму сушіння (у запобіганні перегріву). У них зручно сполучати процеси сушіння й охолодження матеріалів.

Для матеріалів, мало чуттєвих до нагрівання, застосовують двох і трьох секційні ступенево-протитічні сушарки з киплячим шаром. За рахунок протитоку матеріалу і сушильного агента досягається більш високий ступінь насичення газу вологою, але висушений матеріал стикається з найбільш гарячим теплоносієм.

За допомогою сушарок з киплячим шаром при раціональному апаратурному оформленні процесу досягається економічне сушіння з високим вологозйомом з одиниці об'єму сушильної камери. Тому при сушінні деяких продуктів (солей) сушарки з киплячим шаром витісняють барабанні і менш ефективні сушарки інших типів.

Розпилюючі сушарки. У цих сушарках досягається висока інтенсивність випару вологи за рахунок тонкого розпилення матеріалу, що висушується, у сушильній камері, через яку рухається сушильний агент (нагріте повітря чи потокові гази). При сушінні в розпиленому стані питома поверхня випару досягає дуже великої величини, і процес висушування завершується швидко (15-30 сек.). У цих сушарках досягається швидке сушіння в м'яких температурних умовах, що дозволяє одержати якісний порошкоподібний продукт, добре розчинний і не потребуючий подальшої зміни. Можливе сушіння і холодним теплоносієм, коли розпилюючий матеріал попередньо нагрітий. Однак устаткування дуже громіздке і дороге в експлуатації.

 

Конвективні сушарки з пневмотранспортом матеріалу

Для сушіння в зваженому стані зернистих (не сліпаються) і кристалічних матеріалів застосовують пневматичні сушарки.

Витрата енергії в пневматичних сушарках значний, причому він знижується зі зменшенням розміру часток матеріалу, що не повинний перевищувати 8-10 мм. Для сушіння матеріалів з великими частками, а також для видалення з матеріалу зв'язаної вологи пневматичні сушарки комбінують із сушарками інших типів. Таким чином, незважаючи на компактність і простоту пристрою, область застосування пневматичних сушарок обмежена.

 

Контактні сушарки

Вакуум-сушильні шафи використовують для сушіння малотоннажних продуктів у виробництвах з різним асортиментом продукції, де застосування високопродуктивних механізованих сушарок безупинної дії економічно не виправдано. Вони придатні для сушіння легкоокислюючихся, вибухонебезпечних і виділяючих шкідливі чи коштовні пари речовин. Однак вони малопродуктивні і малоефективні, оскільки сушіння в них відбувається в нерухомому шарі при наявності погано провідних тепло зазорів між листами і плитами, що гріють.

Грибкові вакуум-сушарки. У цих контактних сушарках періодичної дії швидкість сушіння трохи збільшується за рахунок перемішування матеріалу повільно обертовою горизонтальною мішалкою з грибками; разом з тим вони не вимагають ручного завантаження і вивантаження матеріалу. Продуктивність таких сушарок залежить від температури пари, що гріє, величини розрідження і початкової вологості матеріалу. Вони придатні для сушіння чуттєвих до високих температур, а також токсичних і вибухонебезпечних речовин, для одержання висушених продуктів підвищеної чистоти, а також у тих випадках, коли необхідне уловлювання (конденсація) пари неводних розчинників, що видаляються з матеріалів.

Вальцові сушарки. У них здійснюється беззупинне сушіння рідин і текучих пастоподібних матеріалів при атмосферному тиску чи при розрідженні. У вальцових сушарках можливе ефективне сушіння в тонкому шарі (плівці) матеріалів, що не витримують тривалого впливу високих температур (барвників). Тривалість сушіння регулюється числом оборотів вальців. Однак у сушарках без досушувателів часто не досягається необхідна низька кінцева вологість матеріалу.

Процес контактного сушіння не можна інтенсифікувати при використанні топкових газів унаслідок низьких коефіцієнтів тепловіддачі від газів до стінок вальців. Однак підвищення температури поверхні, що гріє, можливо у випадку використання для нагрівання високотемпературних теплоносіїв (дифенильної суміші).

Спеціальні види сушіння і типи сушарок

Розрізняють терморадіаційні, високочастотні і сублімаційні сушарки.

Терморадіаційні - у них необхідне для сушіння тепло повідомляється інфрачервоними променями. У такий спосіб до матеріалу можна підводити питомі потоки тепла, у десятки разів перевищуючі відповідні потоки при конвективному чи контактному сушінню. Тому при цьому процесі сушіння значно збільшується інтенсивність випару вологи з матеріалу. Однак при висушуванні товстошарових матеріалів швидкість сушіння може визначатися не швидкістю підведення тепла, а швидкістю внутрішньої дифузії чи вологи вимогами, пропонованими до якості матеріалу, що висушується, (неприпустимість дороблення, порушення структури і т.д.). терморадіаційне сушіння ефективне в основному для висушування тонколистових чи матеріалів лакофарбових покрить.

4. Холодильні процеси

 

Ряд процесів хімічної технології проводять при температурах, значно нижчих, чим ті, котрі можна одержати, використовуючи як охолоджуючі агенти повітря, воду і лід.

Штучне охолодження завжди зв'язане з переносом тепла від тіла з більш низькою температурою до тіла з більш високою температурою. Такий перенос, відповідно до другого закону термодинаміки, вимагає витрати енергії. Тому введення енергії в систему є необхідною умовою одержання холоду.

Способи виробництва штучного холоду в значній мірі визначаються необхідною температурою охолодження і масштабом установки.

Умовно розрізняють:

1) помірне охолодження (від кімнатної температури до -100°C);

2) глибоке охолодження (нижче -100°C).

у свою чергу одержання температури < -100°C умовно класифікується:

а) техніка глибокого охолодження (-100°C ¸-218°C);

б) криогенна техніка (від 40 до 0,3°К);

в) техніка ультранизьких температур (до 0,00002(К).

Способи одержання температур вище 2(K знайшли технічні застосування. Одержання більш низьких температур відноситься до сфери лабораторної техніки.

Використання t, що відповідають глибокому охолодженню, дозволяє розділяти газові суміші шляхом їхнього часткового чи повного скраплення й одержувати багато хто технічно важливі гази (азот, кисень і т.д.).