Лекція 17.

Сушіння. Основні поняття  та визначення. Фізико-хімічні  основи сушіння. Класифікація сушильного устаткування. Властивості вологих  газів. І-х діаграма

Сушіння. Загальні відомості

 

     Видалення вологи з твердих і пастоподібних  матеріалів дозволяє зменшити вартість їх транспортування, додати їм необхідні властивості, а також зменшити корозію апаратури і трубопроводів при збереженні чи наступній обробці цих матеріалів.

     Теплове сушіння - випар вологи і відвід пари, що утвориться.

     У хімічних виробництвах, як правило, застосовується штучне сушіння матеріалів у спеціальних сушильних установках, тому що природне сушіння на відкритому повітрі процес занадто тривалий.

     По  своїй фізичній сутності сушіння  є складним дифузійним процесом, швидкість  якого обумовлена швидкістю дифузії вологи з глибини матеріалу, що висушується, у навколишнє середовище. Процес сушіння є сполученням зв'язаних процесів тепло- і масообміну, тому що видалення вологи при сушінні зводиться до переміщення тепла і речовини (вологи) усередині матеріалу і їхнього переносу з поверхні матеріалу в навколишнє середовище.

     По  способу підведення тепла до матеріалу, що висушується, розрізняють наступні види сушіння:

1. конвективне сушіння - шляхом безпосереднього зіткнення матеріалу, що висушується, із сушильним агентом, яким звичайно використовують нагріте повітря чи топічні гази;
2. контактне сушіння - шляхом передачі тепла від теплоносія до матеріалу через поділяючу їх стінку;
3. радіаційне сушіння - шляхом передачі тепла інфрачервоними променями;
4. діелектричне сушіння - шляхом нагрівання в полі струмів високої частоти;
5. сублімаційне сушіння - сушіння в замороженому стані при глибокому вакуумі.

     По  способу передачі тепла цей вид  сушіння аналогічний контактному, але своєрідність процесу змушує сублімаційне сушіння виділяти в особливу групу.

     Останні 3 види сушіння застосовуються відносно рідко і звичайно називаються  спеціальними видами.

  Основні параметри  вологого повітря

 

     При конвективному сушінні сушильний  агент передає матеріалу тепло  і несе вологу, що випаровується з матеріалу за рахунок цього тепла, тобто сушильний агент відіграє роль тепло - і вологоносія. При  інших методах сушіння вологий газ, що знаходиться в контакті з матеріалом (звичайно повітря), використовується лише для видалення вологи, що випарувалася, тобто виконує роль вологоносія.

     Вологе  повітря характеризується наступними основними параметрами: абсолютною і відносною вологістю, вологовмістом  і ентальпією (тепломісткістю).

     Абсолютна вологість - визначається кількістю  водяної пари (у кг), що міститься в 1 м³ вологого повітря. З достатньої для технічних розрахунків точністю можна вважати, що вологе повітря підкоряється законам ідеальних газів. Тому абсолютна вологість дорівнює масі 1 м³ пари, чи густини водяної пари r_n (кг/м³) при температурі повітря і парціальному тиску r_n.

     Відносною вологістю, чи ступенем насичення повітря  φ називається відношення маси водяної  пари в 1 м³ вологого повітря r_n за даних умов, температурі і загальному барометричному тиску до максимально можливої маси водяної пари в 1 м повітря r_н (густини насиченої пари) за тих самих умов:

φ= .           (1)

     Якщо  температура повітря нижче або  дорівнює температурі насичення, що відповідає загальному (барометричному) тиску (тобто нижче приблизно 100°С), то максимально можливий тиск водяної пари дорівнює тиску сухої насиченої пари, що може бути узяте з Міжнародних таблиць водяної пари при даній температурі повітря.

     Відносна  вологість φ є однією з найважливіших  характеристик повітря як сушильного агента, що визначає його вологоємність, тобто здатність повітря до насичення парами вологи.

     Кількість водяної пари (у кг), що міститься  у вологому повітрі і приходиться  на 1 кг абсолютно сухого повітря, називається вологовмістом повітря:

,         (2)

де m_п і m_с.в. – маса водяної пари і маса абсолютно сухого повітря в даному об'ємі вологого повітря, кг;

r_с.в. - густина абсолютно сухого повітря, кг/м³.

     Для встановлення зв'язку між вологовмістом x і відносною вологістю φ скористаємося  попереднім рівнянням і рівнянням Менделеєва-Клапейрона:

,          (3)

,          (4)

де Т – абсолютна  температура, °С;

М_п – маса 1 кмоль водяної пари, рівна 18 кг/кмоль;

R – універсальна  газова постійна 8314 Дж/(кмоль×град)»1,99  ккал/кмоль×град;

Р_н – тиск насиченої водяної пари при даній температурі (у °К ) і загальному барометричному тиску, Н/м²;

,        (5)

де р_с.в. - парціальний тиск абсолютно сухого повітря;

М_с.в. - маса 1 кмоль абсолютно сухого повітря, рівна 29 кг/кмоль.

     За  законом Дальтона р_с.в. дорівнює різниці загального тиску вологого повітря р_n і парціального тиску водяної пари в ньому:

.          (6)

     З іншого боку:

.           (7)

     Тоді:

.      (8)

     Ентальпія I вологого повітря відноситься до 1 кг абсолютно сухого повітря і визначається при даній температурі повітря t (у °С) як сума ентальпій абсолютно сухого повітря с_с.в. t і водяної пари xi_п:

,          (9)

де c_сп – середня питома теплоємність абсолютно сухого повітря, що може бути прийнята приблизно рівною 1000 Дж/(кг×град) [0,24ккал/кг×град];

i_п - ентальпія водяної пари, Дж/кг.

     Водяна  пара знаходиться в процесі сушіння в перегрітому стані в суміші з повітрям.

     Позначимо ентальпію водяної пари при 0°С через r₀ (r₀ = 2493 кДж/кг) і приймемо середню питому теплоємність перегрітої водяної пари С_п »1,97×10³ Дж/кг×град.

     Тоді  ентальпія перегрітої пари:

 Дж/кг.   (10)

     Тоді:

,        (11)

або

.      (12)

     Крім x, φ, I при розрахунках процесу сушіння необхідно знати густину чи  зворотну їй величину – питомий об’єм вологого повітря:

.        (13)

     Густина абсолютно сухого повітря з рівняння стану:

,          (14)

.         (15)

     З цього  рівняння видно, що при даному зовнішньому  тиску Р густина вологого повітря є функцією парціального тиску водяної пари р_п і температури Т.

 I-х діаграма вологого повітря

 

     Основні властивості вологого повітря можна  з достатньої для технічних розрахунків  точністю визначати за допомогою I-х діаграми, уперше розробленої Л.К. Рамзіним.

     Діаграма I-х побудована для постійного тиску Р = 745 мм рт.ст. (»99кН/м²), що по багаторічним статистичним даним, можна вважати середньорічним для центральних районів Європейської частини.

     Діаграма  має кут 135° між осями координат, причому на осі ординат відкладені у визначеному масштабі ентальпії I, а на похилій осі абсцис – вологовміст x, для зручності користування діаграмою, спроектовані на допоміжну вісь, перпендикулярну осі ординат.

     На  діаграмі нанесені:

1. лінії постійного вологовмісту (x = const) – вертикальні, прямі, паралельні осі ординат;
2. лінії постійної ентальпії (I = const) – прямі паралельні осі абсцис, тобто йдуть під кутом 135° до горизонту;
3. лінії постійних температур, чи ізотерми (t = const);
4. лінії постійної відносної вологості (φ = const)
5. лінія парціальних тисків водяної пари Р_п у вологому повітрі, значення яких відкладені в масштабі на правій осі ординат діаграми.

     Лінії постійних температур (ізотерми), що виражають залежність I від х при t = const, будуються за допомогою рівняння:

 Дж/кг.     (16)

     Задаються при даній температурі t₁ = const двома довільними значеннями х₁ і х_2, далі обчислюють по рівнянню відповідне кожному x значення I. Отримані точки (х_1, I₁) і (х₂, I₂) наносять на діаграму і проводять через них пряму, що є ізотермою t₁ = const. Нахил ізотерми трохи збільшується зі зростанням температури, тому що теплоємність водяної пари С_п, а отже, й i_п при цьому зростає.

     Лінії постійної відносної вологості  побудовані за допомогою рівняння, що виражає залежність між x і P_н при φ = const:

.          (17)

     Лінії φ = const утворюють пучок розбіжних кривих, що виходять з однієї точки (не показаної на діаграмі) з координатами t = -273°C і х = 0. Для того, щоб лінії φ = const не підходили дуже близько одна до одної, що затруднило б користування діаграмою I-х, остання побудована в косокутній системі координат.

     При температурах t ³ 99,4°С величина φ не залежить від температури і практично є величиною постійної, так само як і вологовміст повітря x. Тому при t = 99,4°С лінії φ = const мають різкий перелом і йдуть майже вертикально.

     

Рисунок 1. Діаграма I-x для вологого повітря 

     Лінія φ = 100% відповідає насиченню повітря водяною парою при даній температурі. Ця лінія обмежує знизу розташовану над нею робочу площу діаграми, що відповідає ненасиченому вологому повітрю, використовуваному як сушильний агент.

     Площа діаграми, розташована під лінією φ = 100%, відноситься до повітря, пересиченого водяною парою, і для розрахунків сушарок інтересу не представляє.

     Лінія парціального тиску водяної пари будується по рівнянню:

.           (18)

     На  діаграмі I-x по будь-яким двом відомим параметрам вологого повітря можна знайти крапку, що характеризує стан повітря, і визначити всі його інші параметри.

     При нагріванні вологого повітря в спеціальних  теплообмінниках (калориферах) - його відносна вологість φ зменшується, а вологовміст x залишається постійним. Тому на діаграмі I-x процес нагрівання повітря зображують відрізком АВ, проводячи з точки, що відповідає початковому стану повітря (t₀, x₀), вертикальну лінію х = const нагору до перетинання з ізотермою, що відповідає температурі нагрівання повітря t₁ (рисунок. 1.).

     Процес  охолодження повітря (що має початкову  температуру t₁) при постійному вологовмісті до його насичення зображується вертикально проведеною прямою з крапки В (що характеризує початковий стан охолоджуваного повітря) униз до перетинання з лінією φ = 100% (відрізок ВС Рис.) точка перетинання ліній х = const і φ = 100% (т. С) характеризує стан повітря в результаті його охолодження при х = const і називається точкою роси. Ізотерма, що проходить через цю точку, визначає температуру точки роси t_р. Подальше охолодження повітря нижче температури точки роси (наприклад до t = t_п) приводить до конденсації з нього частини вологи і відповідно - до зменшення його вологовмісту від х₀ до х_п. На діаграмі процес охолодження насиченого повітря збігається з лінією φ = 100% (крива СЕ), (Рис. 3.2).

     При адіабатичному сушінні волога з  матеріалу буде випаровуватися тільки за рахунок тепла, переданого матеріалу  повітрям. При цьому, якщо температура  матеріалу, що висушується, ( а отже, і вологи, що міститься в ньому,) не змінюється і дорівнює 0°С, то ентальпія повітря після сушіння I₂ буде дорівнює його ентальпії перед сушінням I₁, тому що все тепло, віддане повітрям на випар вологи, повертається назад у повітря з парами, що віддаляються з матеріалу. Одночасно знижується температура, збільшується вологовміст і відносна вологість повітря. Такий процес має назву теоретичного процесу сушіння ( I₂ = I₁ = I = const).