Общие сведения о процессе сушки.
Процесс сушки – это пр-сс удаления из влажных твердых материалов путем перевода влаги в пар и отвода данных паров.
Движущей силой процесса сушки явл-ся разность парциальных давлений паров влаги в высушиваемом материале и окружающей среде.
Влажность – это отношение массы влаги содержащейся в образце к общей массе этого образца.
Влажность никогда не превышает 1 или 100%
Влагосодержание – это отношение массы влаги содержащейся в образце к массе абсолютно сухой части образца
mт – масса абсолютно сухой части образца
Влагосодержание может превышать 1 или 100%
Между влажностью и влагосодержание существует связь:
Относительная влажность φ
Сп, Спн – концентрация паров влаги в воздухе и концентрация паров влаги в воздухе, находящейся в насыщенном состоянии
Р- парциальное давление паров влаги
Рнас – парциальное давление паров влаги в насыщенном сост. при одном и том же общем давлении и температуре
Тепловая сушка реализуется четырьмя основными методами:
1) конвективный метод
2) кондуктивный метод
3) волновой метод
4) сублимационный метод
Конвективный метод – характеризуется тем, что энергия или тепло к высушиваемому материалу подводится конвективным потоком горячего воздуха, топочных газов или перегретого пара. Внутри материала тепло распространяется за счет теплопроводности во время нагрева материала при движении теплового потока происходит испарение влаги за счет чего повышается парциальное давление паров влаги внутри материала и за счет разности парц. давлений паров влаги внутри материала и в потоке сушильного агента происходит вынос влаги из материала в поток сушильного агента.
Конвективный метод наиболее простой по аппаратурному оформлению и наиболее дешев из-за применяемых энергоносителей.
Кондуктивный метод – характеризуется тем, что энергоподвод (тепло) к высушиваемому материалу подводится кондукцией или теплопроводностью за счет контакта нагретых труб вальцев, пластин с влажным материалом. Если темп-ра в зоне котакта ниже темп-ры кипения жидкости, то перенос влаги происходит за счет разности парц. давлений паров влаги в зоне контакта и на открытой поверхности материала. Если температура в зоне контакта выше темп-ры в кипящей жидкости, то влага перемещается за счет разности давления паров в зоне контакта и на свободной поверхности. Интенсивность кондуктивной сушки при одинаковой темп-ре в 2-3 раза выше конвекивной.
Кондуктивным методом сушат листовые и волокнистые, а также пастообразные материалы.
Волновой метод – характеризуется тем, что энергия к высушиваемому материалу проводится с помощью электромагнитных и акустических волн различной длины.
Волновой метод делится: 1) терморадиационный; 2) метод СВЧ нагрева; 3) акустический метод.
Терморадиационный метод – характеризуется тем, что энергоподвод к материалу осуществляется с помощью волн инфракрасного излучения, излучаемых спец. генераторными лампами или нагретыми телами до температуры выше 600 град. Удаление влаги осуществляется за счет того, что электромагнитные волны нагревают материал на некоторой глубине от поверхности, в этой зоне происходит вскипание паров влаги, повышается давление и наблюдается вынос пара через капиллярные структуры материала. Интенсивность теплового потока при терморадиационном нагреве на порядки выше, чем при конвект. нагреве, поэтому для отвода паров влаги от поверхности материала используют обдув материала, т.е. искусственно создают конвекцию, поэтому на практике часто реализуется конвективно-терморадиационный метод. С помощью данного метода сушат материалы с большим внутридиффузионным сопротивлением влаги (различные полимерные материалы, пищевые продукты, кино- фотопленку и лакокрасочные покрытия).
Метод СВЧ нагрева – характеризуется тем, что энергия (тепло) выделяется во влажном материале в результате колебания дипольных молекул влаги в поле СВЧ. Данный метод характеризуется тем, что выделение тепла происходит во всем объеме влажного тепла одновременно, поэтому при данном методе может быть достигнута высокая интенсивность сушки на 2-3 порядка выше, чем при конвект. методе. При незначительных энерговодводах обеспечивается безградиентная сушка, т.е. темп-ра тепла по толщине практически одинакова, что не вызывает растрескивания и коробления материала. Данный метод дорогой, СВЧ энергия опасна для человека. Поэтому с помощью данного метода сушат дорогостоящие материалы (качеств. керамика, древесина для музык. инструментов и спортивн. инвентаря и большие объемы кусковых мат-лов (смерзшийся уголь и качественный кирпич)).
Акустический метод – характеризуется тем, что энергоподвод к высушиваемому материалу осуществляется с помощью акустических волн, к-ые вызывают нагрев и испарение влаги в капиллярах влажного тепла. Перенос влаги внутри материала осуществляется за счет разности давлений паров влаги в зоне испарения и на поверхности материала. Акустич. методом преимущественно сушат древесину с целью исключения ее растрескивания.
Формы связи влаги с материалом.
По энергии связи влаги с мат-лом вся влага подразделяется на 3 гр.:
1. Химическая связь влаги с мат-лом проявляется в 2-х формах: в форме ионной связи, характерной для хим. соединений и молекулярной связью, характерной для кристаллогидратов. Химически связанная влага удаляется при прокаливании, в процессе сушки не удаляется.
2.Физико-химическая связанная влага
1) Адсорбционная влага характеризуется связью моно- и полимолекулярных слоев влаги с внутр. и внешними поверхностями материала, энергия связи определяется:
R- универсальная газовая постоянная
Т- абсолютная температура материала
2) Осмотическая влага характеризуется связью влаги с полупроницаемыми мембранами влажного материала и характерна для коллоидно-образных тел. Энергия связи:
n- доля влаги в растворе
3. Механическая влага
1) капиллярная
Связь капиллярной влаги определяется размером капилляра и пониженным давлением паров влаги над мениском жидкостити в капилляре
Формула Томпсона-Кельвина:
σж, ρж – поверхностное натяжение и плотность жидкости
ρп – плотность пара
θ – угол смачивания
r – радиус капилляра
Капиллярная связь влаги имеет существенное значение для капилляров размером менее 10-9 м.
2) влага смачивания характеризуется связью за счет сил адгезии с поверхностью. Влага из крупных капилляров и влага смачивания могут удаляться механическими способами.
Классификация материалов как объектов сушки.
1. Классификация А.В.Лыкова
1) Капиллярно-пористые материалы характеризуется тем, что при сушке они не дают усадки. В сухом состоянии они легко разрушаются с помощью дробильно- размольного оборудования (керамика, фарфор, фаянс, силикогель, алюмосиликаты, некоторые полимерные материалы)
2) Коллоидные материалы характеризуется тем, что они неограниченно набухают при увлажнении, во влажном сост. явл-ся эластичными, при сушке сильно меняют свои размеры (желатин, кожа, лакокрасочные покрытия)
3) Капиллярно-пористые коллоидные характеризуется тем, что они обладают частичными свойствами первых двух гр. материалов (материалы растительного происхождения, практич. все полимеры, глины)
2.Классификация Б.С.Сажина
Основой классиф. Сажина явл-ся разделение материалов на группы по условному размеру пор, имеющихся в материале.
1) r > 100 мкм
2) 20 < r < 100 мкм
3) 2 < r < 20 мкм
4) r < 2 мкм
Равновесие в процессе сушки.
Условием равновесия между влажным материалом и окружающей средой явл-ся равенство парциальных давлений паров влаги в материале и окруж. воздухе.
Р - парц. давление паров влаги в окр. среде
Рм – парц. давление паров влаги в материале
1)Р = Рм – условие равновесия
2) Р < Рм – условие сушки
3) Р > Рм – условие увлажнения
Условия равновесия важны для обеспечения необходимых условий хранения и транспортировки готового продукта.
Для определения усл. равновесия влажного материала и сушильного агента строятся кривые равновесия, называемые кривыми сорбции и десорбции
В зоне влажного состояния материал характеризуется наличием свободной (несвязанной) влаги.
Зона гигроскопического сост. характеризуется наличием в материале только связанной влаги.