Кінетика процесу сушіння.
Оценка 4.6

Кінетика процесу сушіння.

Оценка 4.6
docx
20.11.2021
Кінетика процесу сушіння.
5.6.К_нетика суш_ння.docx

5.6. Кінетика процесу сушіння.

       Швидкість видалення вологи з матеріалу, або швидкість (інтенсивність) сушіння U визначається кількістю вологи dW (кг), що видаляється з 1 м2 поверхні F в одиницю часу dτ, тобто

  .                                                  (5.35)

       Якщо відома швидкість сушіння, то загальну тривалість процесу можна визначити за рівнянням

,                                          (5.36)

де Gc - кількість абсолютно сухої речовини в висушуваному матеріалі;  - початковий і кінцевий вологовміст матеріалу , кг/кг абсолютно сухої речовини. 
        Використання рівняння (5.36) в інженерних розрахунках можливе лише за умови, що швидкість сушіння незмінна в часі. Насправді, швидкість сушіння залежить від багатьох факторів: від природи висушуваного матеріалу і характеру зв'язку вологи з ним, величини питомої поверхні матеріалу, початкового і кінцевого вологовмісту матеріалу, умов обтікання матеріалу сушильним агентом, параметрів сушильного агента (
t, d) і його швидкості, конструктивних особливостей сушарки та ін. Швидкість сушіння безперервно зменшується у міру висушування матеріалів. 

       Якщо додатково до цього врахувати, що в реальних умовах параметри сушильного агента не залишаються постійними, а змінюються при взаємодії з вологим матеріалом, то практично використовувати теоретичні положення по тепло- і масообміну для вирішення задач промислового сушіння досить важко. У таких випадках зазвичай використовують дослідні дані, отримані для кожного конкретного випадку сушіння. Хід процесу сушіння при цьому встановлюється простим експериментом, у якому зразок матеріалу з відомим початковим вологовмістом зважується через визначені періоди часу. Через зміну маси зразка матеріалу визначають зміну його вологості. Отримана залежність вологості матеріалу від часу процесу виражається кривою сушіння, а залежність швидкості сушіння від часу – кривою швидкості сушіння . Типові криві процесу сушіння представлені на рис. 5.6.

       Припустимо, що конвективному сушінню піддається дуже вологий матеріал, в якому волога без опору переміщується всередині пористої структури. Випаровування рідини до певного моменту відбувається лише на зовнішній поверхні матеріалу, до якої нові порції вологи підводяться з внутрішніх шарів при нескінченно малому градієнті вологості матеріалу. Температура матеріалу в цей період стала по товщині і дорівнює температурі мокрого термометра, відповідної параметрам сушильного агента. Сушильний агент (повітря) подається в сушарку з великим надлишком, з постійною швидкістю і вологовмістом, який практично не змінюється при проходженні агента через сушарку. Тоді, при досить м'якому  режимі сушіння криві, які характеризують процес сушіння багатьох твердих матеріалів, будуть мати вигляд кривих, показаних на рис. 5.6.

 

 

Рис. 5.6. Типові криві зміни вологості (1), температури (2), швидкості сушіння (3) матеріалу.

 

       На початку процесу вологість матеріалу w1 знижується незначним чином. У цей проміжок часу відбувається нагрів (охолодження) матеріалу (якщо його початкова температура нижче або вище температури повітря) від початкової його температури tп до температури мокрого термометра tм. Ця частина процесу сушіння називається початковою стадією, або стадією прогрівання матеріалу. 

       У результаті випаровування вологість матеріалу зменшується. Однак поверхня дуже вологого  матеріалу ще залишається покритою вологою, тому що по мірі випаровування вона продовжує надходити з глибини матеріалу досить швидко. Така волога видаляється так само, як вона видалялась би з відкритої поверхні рідини, тобто за лінійним законом. Тому крива вологості на цій ділянці має вигляд прямої. Отже, швидкість сушіння на цій стадії процесу буде постійною, що відображено горизонтальною ділянкою кривої швидкості сушіння 3. Температура матеріалу в цей час не змінюється і дорівнює температурі мокрого термометра. Такий період сушіння називають першим періодом або періодом сталої швидкості сушіння.

       При деякій критичній вологості wкр матеріал переходить у гігроскопічний стан, на поверхні матеріалу з’являються сухі ділянки і швидкість сушіння починає знижуватися. Поверхня рідини, а відповідно і фронт випаровування, переміщуються углиб матеріалу і волога, що випаровується, дифундує через висушений шар матеріалу. Температура поверхні матеріалу, а слідом за нею і висушених шарів, підвищується. Межею цієї стадії є встановлення рівноважного вологовмісту в матеріалі й повітрі. У цьому стані швидкість сушіння дорівнює нулю, а температура матеріалу - температурі повітря. Цей період сушіння називають другим періодом або періодом cпадної швидкості сушіння
       Для різних матеріалів зменшення швидкості сушіння має неоднаковий характер. А. В. Ликов виділяє шість типових кривих швидкості сушіння в періоді падаючої швидкості, на рис. 5.6 наведені три найбільш типові криві. Крива типу характерна для волокнистих матеріалів (папір, тонкий картон). Крива спостерігається при сушінні тканин, шкіри, деяких харчових продуктів. Третій тип кривих характерний для сушіння пористих керамічних матеріалів.

       Тривалість першого періоду сушіння. Процес визначається зовнішньою масовіддачею і носить сталий характер. Тривалість першого періоду τ1 визначають з рівняння масовіддачі (4.27), яке для даного випадку вологовіддачі приймає  вид

                                           (5.37)

або 

,                                          (5.38)

де W1 - кількість рідини, яка випаровується в першому періоді сушіння, кг;     F - поверхня випаровування, м2; pн - тиск пари на поверхні матеріалу (в стані насичення), Па; p - дійсний парціальний тиск пари в повітрі, Па; dн - вологовміст насиченого повітря при температурі поверхні матеріалу, кг/кг сухого повітря; d - дійсний вологовміст повітря, кг/кг сухого повітря; βp - коефіцієнт масовіддачі, кг/(м2·с·Па); βd - коефіцієнт масовіддачі, кг/(м2·с· кг/кг сухого повітря).

        Для визначення β зазвичай використовують критеріальні або емпіричні рівняння, отримані на основі експериментальних даних. Наприклад, для розрахунку процесу вологовіддачі широко використовується узагальнене рівняння

,                                (5.39)

де  - критерій Гухмана, що представляє собою відношення потенціалу сушіння до температури середовища  (в 0К);  – температура мокрого термометра (температура вологи, що випаровується). Величини А і n визначаються в залежності від значення критерію Re.

       Для нерухомого шару матеріалу з частинками, за формою близькими до сферичних, при пронизуючому матеріал потоці повітря, використовують рівняння 

,                                   (5.40)

де ε - порозність шару.

        Тривалість другого періоду сушіння. Процес визначається внутрішньою масовіддачею (вологопровідністю матеріалу) і носить несталий характер. Для розрахунку тривалості другого періоду сушіння використовується наближений метод Шервуда - Ликова, заснований на припущенні, що крива швидкості сушіння в другому періоді може бути замінена прямою лінією. Тоді для кінетичного розрахунку використовується рівняння масопередачі, яке приймає вигляд

,                         (5.41)

де W2 - кількість вологи, випареної у другому періоді; – маса сухої частини висушуваного матеріалу,  - вологість матеріалу, кг/кг сухого матеріалу;  - рівноважна вологість матеріалу, кг/кг сухого матеріалу;  - коефіцієнт масопередачі при сушінні (коефіцієнт швидкості сушіння), кг/(м2·с· кг/кг сухого матеріалу). 

       Виконавши інтегрування рівняння (5.41) від wкр до w2, визначають тривалість другого періоду сушіння:

,                                     (5.42)

де  – критична вологість матеріалу,   - вологість матеріалу в кінці другого періоду сушіння.

      Таким чином, загальна тривалість процесу сушіння складає:

 ,                                       (5.43)

де  - тривалість періоду прогрівання матеріалу, як правило незначна у загальній тривалості процесу, залежить від початкових умов сушіння.

       Велике значення при організації виробничого процесу мають питання інтенсифікації процесу сушіння. Аналіз температурних кривих сушіння вказує на істотні можливості інтенсифікації процесу. У першому періоді сушіння температура матеріалу дорівнює температурі мокрого термометра, тому в цей період можна застосовувати теплоносій з більш високою температурою і невеликою вологістю. Так, при температурі повітря 200°С і вологовмісті  d = 0,008 кг/кг сухого повітря температура мокрого термометра, а отже і матеріалу, дорівнює 47°С. При підвищенні температури повітря з тим же вологовмістом до 450°С температура мокрого термометра піднімається тільки до 64°С. Це дозволяє вести процес сушіння у першому періоді при більш високих температурах навіть тих матеріалів, властивості яких значно змінюються при дії на них підвищених температур. У технології будівельних матеріалів цей прийом успішно застосовується для сушіння гіпсових виробів. В інших випадках більш ефективними можуть бути підвищення температури процесу, зниження тиску в робочій зоні, зниження вологовмісту сушильного агента і підвищення швидкості його потоку, перемішування матеріалу при сушінні.

 


 

Кінетика процесу сушіння.

Кінетика процесу сушіння.

Рис. 5 .6. Типові криві зміни вологості (1), температури (2), швидкості сушіння (3) матеріалу

Рис. 5 .6. Типові криві зміни вологості (1), температури (2), швидкості сушіння (3) матеріалу

Крива типу 3а характерна для волокнистих матеріалів (папір, тонкий картон)

Крива типу 3а характерна для волокнистих матеріалів (папір, тонкий картон)

Виконавши інтегрування рівняння (5

Виконавши інтегрування рівняння (5
Материалы на данной страницы взяты из открытых истончиков либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.