ИПИ. Исследование режимов работы сушильных устройств (сушильные установки)
 Скачать 2.36 Mb.
|
|
ГЛАВА 3. КИНЕТИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ СУШКЕ ВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ Влажность твердых материалов В технике сушки имеется четыре способа для выражения содержания влаги в твердых материалах: относительная влажность, абсолютная влажность, влагосодержание и сухость. Относительная влажность WO представляет собой отношение массы влаги, содержащейся в материале, к общей массе влажного материала (сухой части и влаги), выраженное в процентах Wо = 100 ■ твл / (тсуХ + твл) , %. Понятием относительной влажности пользуются, например, в энергетике для выражения влажности топлива и в других отраслях промышленности для оценки содержания влаги в материале. Абсолютная влажность Wа представляет собой отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе абсолютно сухого материала, выраженное в процентах Wа = 100 ■ твЛ / тсух , % . Понятие абсолютная влажность используется, главным образом, в иностранной литературе. Влагосодержание материала - это отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе абсолютно сухого материала u = твл / тсух , кг вл. /кг сух. Термин влагосодержание используется, главным образом, в научной литературе или при расчетах сушильных установок. Сухость материала - это отношение массы сухой части материала к общей массе влажного материала (сухой части и влаги), выраженное в процентах S = 100 ■ тсух / (тсух + твл) , %. Понятие сухость используют в целлюлозно-бумажной промышленности при определении содержания сухого вещества в бумажном полотне. Это связано с тем, что понятия сухость и концентрация волокон в бумажной массе, поступающей в напорный ящик, равнозначны между собой. Очевидно, что WO + S = 100, %. Можно выполнить перерасчет одной влажности в другую по следующим формулам u = W() / (100 - Wо), кг/кг; u = Wа / 100, кг/кг; u = (100 - S) / S, кг/кг; Wа = 100 ■ Wо / (100 - Wo), %. Расход испарившейся влаги (в некоторых учебниках Мвл или W) рассчитывают, используя понятие влагосодержание Мвл = W = ^ ■ (ио - U2), кг/ч, где ио, и2 - начальное и конечное влагосодержание материала; G^ - производительность сушильной установки по сухой бумаге. Классификация форм связи влаги с материалом Все влажные материалы в зависимости от свойств можно разделить на три вида: коллоидные, капиллярно-пористые и капиллярно-пористые коллоидные тела. Коллоидные тела при удалении влаги сжимаются, но сохраняют свои эластичные свойства, например, желатин, мучное тесто. Капиллярно-пористые тела при удалении влаги мало сжимаются и становятся хрупкими, например, древесный уголь, кварцевый песок. Капиллярно-пористые коллоидные тела обладают свойствами первых двух, стенки их капилляров эластичны и при поглощении влаги набухают, например, древесина, торф, картон, целлюлоза. Согласно классификации академика П. А. Ребиндера, формы связи влаги с материалом делятся на химическую, физикохимическую и физико-механическую. Химическая связь характеризуется связью влаги с материалом в строго определенном отношении (стехиометрическая связь). К ней относятся ионная и молекулярная связи. В процессе сушки химически связанная влага из материала не удаляется. Физико-химическая связь влаги с материалом образуется в различных не строго определенных соотношениях. К ней относятся адсорбционная и осмотическая связи. Адсорбция - это присоединение молекул жидкости поверхностью твердого тела под действием молекулярных сил. Процесс адсорбции влаги сопровождается некоторым набуханием тела и значительным выделением теплоты. Так, для целлюлозы теплота набухания составляет 1600 кДж/кг. Общая толщина адсорбированного слоя влаги в сотни раз превышает размер молекул. При этом тончайший слой воды, состоящий из нескольких рядов молекул и непосредственно примыкающий к поверхности тела, оказывается сильно уплотненным. Вода, находящаяся в этом слое, не растворяет веществ, температура ее замерзания значительно ниже 0 °С. К осмотически связанной влаге относят жидкость, находящуюся внутри замкнутой клетки, захваченную при образовании тела, а также жидкость, проникшую внутрь клетки через стенку под действием односторонней диффузии (осмоса). К физико-химической связи можно отнести влагу микрокапилляров. Микрокапилляры (с радиусом менее 10-5 см) поглощают влагу в виде пара из окружающего воздуха. Это обусловлено тем, что давление пара над вогнутым мениском в микрокапилляре ниже, чем над плоской поверхностью свободной воды. Высота поднятия жидкости в капилляре (рис. 3.1) определяется формулой Жюрена 2а- cos 0 r • g-(Рж-Рп ) ’ где рж, рп - плотности жидкости и пара; g - ускорение свободного падения; г - радиус капилляра, а - сила (коэффициент) поверхностного натяжения; 0 - угол смачивания (краевой угол).  h Рис. 3.1. Поднятие смачивающей жидкости в микрокапилляре В капиллярах с радиусом г = 10-6 см возможное капиллярное поднятие равно 1,5 км, а всасывающая сила равна 15 МПа. Под физико-механически связанной влагой понимают жидкость, находящуюся в макрокапиллярах и порах, и влагу смачивания, поглощенную телом при непосредственном соприкосновении с водой. Эта влага находится в материале в свободном состоянии и легко удаляется при сушке. Изотермами сорбции и десорбции влажных материалов называется графическая зависимость между равновесным влагосодержанием материала и относительной влажностью окружающего воздуха при его постоянной температуре. В состоянии термодинамического равновесия материал приобретает равновесное влагосодержание, которое зависит от температуры, влажности воздуха и способа достижения равновесия. Если материал поглощает влагу, то равновесие достигается за счет сорбции, или увлажнения, если же материал отдает влагу, то равновесие достигается за счет десорбции, или сушки. Диаграмма (рис. 3.2) разделена на область гигроскопического и сверхгигроскопического (влажного) состояния материала. Гигроскопическая влага адсорбируется материалом из воздуха, поглощение сверхгигроскопической влаги возможно лишь при непосредственном контакте с водой. Равновесное влагосодержание материала, соответствующее относительной влажности воздуха ф = 100 %, называется максимальным сорбционным или гигроскопическим влагосодержанием. Несовпадение кривых сорбции и десорбции называется сорбционным гистерезисом. По характеру изотерм сорбции и десорбции можно судить о связи влаги с материалом. При сушке материала на первой стадии процесса удаляется сверхгигроскопическая (физико-механически связаная влага), в том числе влага смачивания, влага пор и макрокапилляров. Затем удаляется гигроскопическая влага: влага микрокапилляров, осмотически и адсорбционно связанная влага.  Рис. 3.2. Изотермы сорбции и десорбции и формы связи влаги с материалом Практическое значение изучения закономерностей изотерм сорбции и десорбции заключается в том, что нецелесообразно сушить материал до влагосодержания ниже равновесного, если он в дальнейшем при транспортировке, хранении или плохой упаковке может вследствие гигроскопических свойств поглотить влагу из окружающего воздуха. Кинетика сушки влажных материалов Под кинетикой процесса сушки понимают изменение среднего влагосодержания и средней температуры материала в процессе сушки при постоянных режимах. Из приведенного на рис. 3.3 графика следует, что кинетическая кривая u = f (т) и термограмма t = f2 (т) состоят из трех участков: периода прогрева влажного материала, постоянной скорости (первый период сушки) и падающей или уменьшающейся скорости (второй период сушки). В периоде прогрева испарение влаги незначительно, и влагосодержание материала можно считать постоянным, а VV А_ температура материала увеличивается от начальной 1о до температуры смоченного термометра 1м (при конвективной сушке). Совместное решение уравнений теплового баланса dQ6 Осух (ссп + Cw Uo) dt и теплообмена dQx ак (1в - 1м) F dT^ позволяет получить длительность периода прогрева тпр влажного материала где Gсух - масса сухого материала; ^ - теплоемкость влаги; ио - начальное влагосодержание материала; F - поверхность теплообмена; ак - конвективный коэффициент теплоотдачи; 1в - температура греющего воздуха; 1о - начальная температура материала; 1м - температура материала, равная температуре смоченного термометра. Рис.3.3. Кинетическая кривая u = f (т) и термограмма t = f (т) конвективной сушки влажного материала Т  |