Барабанная сушилка

 

Температура воздуха	Динамическая вязкость воздуха	Кинематическая вязкость воздуха
	(Н×c / м2) x 10-5	(м2 / с) x 10-5
-20	1,63	1,17
0	1,71	1,32
5	1,73	1,36
10	1,76	1,41
15	1,80	1,47
20	1,82	1,51
25	1,85	1,56
30	1,86	1,60
40	1,87	1,66
50	1,95	1,76
60	1,97	1,86
70	2,03	1,97
80	2,07	2,07
90	2,14	2,20
100	2,17	2,29

 

     Основные физические свойства воздуха приведены в таблице 1.4[2].    

     Таблица 1.4 – Основные физические своства воздуха при различной температуре

 

Тем-пе-ра-тура	Плотность	Удельная теплоёмко-сть, Cp	Теплопроводность	Кинематичес-кая вязкость	Коэффициент температурно-го линейного расширения	Число Прандт-ля
	кг/м3	кДж / (кг . К)	Вт / (м. К)	(м2 / с) x 10-6	(1 / K) x 10-3	-
0	1,293	1,005	0,0243	13,30	3,67	0,715
20	1,205	1,005	0,0257	15,11	3,43	0,713
40	1,127	1,005	0,0271	16,97	3,20	0,711
60	1,067	1,009	0,0285	18,90	3,00	0,709
80	1,000	1,009	0,0299	20,94	2,83	0,708
100	0,946	1,009	0,0314	23,06	2,68	0,703

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Общая часть

 

 

2.1.Научные основы процесса сушки

 

     Удаление влаги из твердых или пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку,придать им необходимые свойства (например, уменшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

   Влагу можно удалять из  материалов механическими способами  (отжимом, отстаиванием, фильтрованием,  центрифугированием). Однако болем  полное обезвоживание достигается  путем испарения влаги и отвода  образующихся паров, то есть  с помощью тепловой сушки.

   Этот процесс широко используется  в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется болем дешевими механическими способами (например, фильтрованием), а окончательно – сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

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

   По своей физической сущности  сушка является сложным диффузионным  процессом, скорость которого  определяется скоростью диффузии  влаги из глубины высушиваемого  материала в окружающую среду. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и влаги внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и влагообмена.

   По способу подвода тепла  к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

1. конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы;
2. контактная сушка – путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;
3. радиационная сушка – путем передачи тепла инфракрасными лучами;
4. диэлектрическая сушка – путем нагревания в поле токов высокой частоты;
5. сублимационная сушка – сушка в замороженням состоянии при глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но своебразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.

     Последние три вида сушки применяются относительно редко и обычно    называются специальными видами сушки.

     Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случав воздухом). При конвективной сушке влажному газу принадлежит основная роль в процессе. Поэтому изучение свойства влажного газа необходимо при расмотрении процессов сушки и их расчетах

Равновесие  при сушке

     Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается.

П. А. Ребиндером предложена следующая  классификация форм связи влаги  с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая. Физико-химическая связь, в свою очередь, подразделяется на адсорбционную и осмотическую, к которой также относят и структурную влагу. Механическая связь может быть подразделена на связь в макрокапиллярах и микрокапиллярах.

     При сушке удаляется физико-химически и механически связанная влага. Химически связанная влага обычно не удаляется, т.к. это могло бы привести к разрушению материала. Задачей сушки в большинстве случаев является удаление влаги с сохранением всех ценных физико-химических свойств и качеств материала.

     Окружающая влажный материал среда содержит либо водяной пар, либо смесь водяного пара с газами. Обозначим парциальное давление водяного пара, если он в смеси с газами или без них является окружающей средой.

     Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное равновесное давление водяного пара над влажным высушиваемым материалом. Равновесное давление водяного пара над материалом зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом. Если p_м>p_n, то происходит процесс сушки, иначе имеет место увлажнение материала.

     С ростом температуры и скорости движения газа относительно влажного материала pм возрастает. Абсолютное значение этой величины зависит от характера связи влаги с материалом. Чем сильнее эта связь, тем меньше p_м .

     Влажность материала, отвечающая условию p_м = p_п, соответствует достижению равновесия.

     Различают несколько форм связи влаги с материалом. Рассмотрим их в порядке убывающей энергии связи.

     Химически связанная влага. Содержится в материале в виде химических соединений типа гидрооксидов или кристаллогидратов. Связь может быть нарушена при проведении химической реакции или прокаливании. При сушке эта влага не удаляется.

     Адсорбционно связанная влага. Влажность материала обусловлена адсорбцией воды наружной поверхностью материала поверхностью его пор.

     Осмотически связанная влага (влага набухания) содержится внутри структурного скелета материала и удерживается осмотическими силами.

     В этих двух случаях связь воды с материалом имеет физико-химическую природу.

     Капиллярно связанная влага находится в макро- и микрокапиллярах. Имеет механическую связь с материалом, поэтому наиболее легко удалима.

     Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом.

     Влажному материалу присущи все формы связи с водой. Трудно при этом разграничить периоды сушки, соответствующие различным видам связи молекул воды с молекулами вещества. Поэтому экспериментальным путем строят изотермы сорбции, т.е. зависимости влажности материала от относительной влажности воздуха при постоянной температуре: ω=f(φ)=f(p_м/p_s). Изотермы сорбции позволяют определять равновесную влажность при сушке(рис.2.1).

     Рисунок 2.1 – Зависимость равновесной влажности

материала от относительной влажности воздуха

 

     На рис.2.1. изображена петля гистерезиса при сушке и увлажнении материала. Нижняя кривая получена при испарении (десорбции) влаги из материала, т.е. при его сушке, и называется изотермой десорбции, верхняя кривая является линией адсорбции влаги высушенным материалом и называется  изотермой сорбции.

    Расхождение кривых (гистерезис) указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности материала влажность воздуха при увлажнении должна быть больше, чем при его сушке.

    Высушенный материал, содержащий до сушки сильно связанную влагу, может иметь после сушки равновесное парциальное давление водяного пара меньшее, чем в атмосферном воздухе. Такой материал способен поглощать влагу из атмосферного воздуха и называется гигроскопическим.

   Влажность материала может быть рассчитана по отношению к его общему количеству или по отношению к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества.

   Влажность, отнесенная к общему количеству вещества,%,[3]:

 

W=Gвл/(Gсух-Gвл)×100

(2.1)

 где G_вл – количество содержащейся в материале влаги, кг;

       G_сух – количество сухого материала,кг.

   Влажность, отнесенная к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества,[3]:

 

Wc=Gвл/Gсух

(2.2)

 

     Количество абсолютно сухого вещества не меняется в процессе сушки и   для упрощения расчетов обычно используют w^c .

   Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала, и влажность, рассчитанная на общее количество вещества, связаны между собой зависимостями,%,[3]:

 

wc=w/(1-w)×100 w=wc(1-wc)×100

(2.3) (2.4)

где w^c – влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала,%;

      w – влажность, рассчитанная на общее количество материала,%.

   При конвективной сушке процесс сводится к удалению влаги из материала за счет разности парциальных давлений паров над материалом p_м и в окружающей среде p_c сушка происходит при условии p_м>p_c . При равенстве (p_м=p_c) наступает состояние равновесия и процесс сушки прекращается. При этом в материале устанавливается влажность w_p, называемая равновесной. При p_м<p_c материал увлажняется. Этот процесс называется сорбцией. Обычно сушку ведут до равновесной влажности материала.

   Количество испарившейся жидкости со свободной поверхности можно определить по формуле А.В. Лыкова,[3]:

 

=A×

(2.5)

 

где W,μ – количество и молекулярный вес испарившейся жидкости соответственно;

       D – коэффициент диффузии водяного пара;

       T – средняя арифметическая температура между температурой на поверхности испаряющейся жидкости и температурой окружающего воздуха;

     l – размер поверхности испарения в направлении воздушного потока;

     p=p_м–p_c – движущая сила процесса испарения влаги

     А – величина, зависящая от гидродинамических условий (критерия Рейнольдса).

     Между количеством испарившейся жидкости и количеством затраченного на ее испарение тепла существует связь в виде зависимостей, Дж, [3]:

 

Q=Wr, Q=αF(T-Θ)

(2.6) (2.7)

  

      где Т – температура воздуха,;

            Θ – температура испаряющейся жидкости на поверхности,;

             r – удельная теплота парообразования воды,Дж/кг.

     При сушке испарение влаги с поверхности связано с диффузией влаги изнутри материала к этой поверхности. Эти два процесса должны находиться в строгом соответствии, в противном случае возможно пересыхание, коробление поверхности материала и ухудшение его качества.

     Процесс сушки характеризуется двумя периодами: постоянной скорости и падающей скорости (рис.2.2).

     В первом периоде удаляется поверхностная влага материала. При этом все тепло расходуется только на испарение влаги. Температура материала в этот момент постоянна и равна температуре мокрого термометра. После достижения критической влажности w_кр , которая соответствует началу удаления связанной влаги (гигроскопической), начинается второй период сушки (точка С), когда удаляется влага, перемещающаяся к поверхности за счет диффузии от внутренних слоев. Критическая влажность больше гигроскопической, т.к. при сушке материала влажность внутренних слоев больше, чем на его поверхности.