технол лек 1. Учебник соответствует учебной программе и предназначен для студентов фармацевтических высших учебных заведений и факультетов
 Скачать 11.39 Mb.
|
|
??????????????? ?, ??/?? ?????? ??????? ? ? ?? ???? ??? ? ?? ??? ? ? = 10% ? = 20% ? = 30% ? = 5% ? = Рис. 19.1. Диаграмма влажного воздуха і – x (б) По диаграмме і по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все его остальные параметры. Изображение процессов изменения параметров воздуха на диаграмме і–x В ходе сушки практический интерес представляет изменение состояния влажного воздуха в следующих процессах нагревание и охлаждение взаимодействие с влажным материалом в условиях постоянной энтальпии воздуха смешение двух потоков воздуха, имеющих различные параметры конденсация воды из паровоздушной смеси (t p ). 4 5 При нагревании влажного воздуха в специальных теплообменниках (калориферах) его относительная влажность уменьшится, а влагосодержание x останется постоянным. Поэтому на і–x-диаграмме процесс нагрева воздуха изображают отрезком АВ (риса. Из точки, соответствующей начальному состоянию воздуха А (t 0 , x 0 ), проводят вертикальную линию x = const вверх до точки В, соответствующей температуре нагрева воздуха Процесс охлаждения воздуха (имеющего начальную температуру t 1 ) при постоянном влагосодержании до температуры t 0 изобразится линией ВА (риса. При дальнейшем охлаждении воздуха при x = const до пересечения с ? = 100 отрезок АС) в точке С получают так называемую точку росы. Изотерма, проходящая через эту точку, определяет температуру точки росы t р. Дальнейшее охлаждение воздуха ниже температуры точки росы (например, до температуры t п) приведет к конденсации из него части влаги и соответственно – к уменьшению его влагосодержания от x 0 доп. На диаграмме процесс охлаждения насыщенного влагой воздуха совпадает с линией ? = 100 % (кривая СЕ). а б в Рис. 19.2. Основные процессы изменения состояния воздуха на і–x-диаграмме: а – нагревание и охлаждение воздуха б – теоретический процесс сушки; в – определение относительной влажности по показаниям психрометра При адиабатической сушке (рис. 19.2, б) влага из материала будет испаряться только за счет тепла, передаваемого материалу воздухом. В этом случае энтальпия воздуха перед сушкой і (точка А ) будет равна энтальпии воздуха і (точка В) после сушки. Такой процесс называется теоретическим процессом сушки и изображается на диаграмме линией АВ, лежащей на прямой і = После достижения равновесия между влажным воздухом и испаряющейся влагой температура последней примет постоянное значение, равное температуре мокрого термометрам. На диаграмме это соответствует линии ВС и температура в точке Сна пересечении сбудет соответствовать t м (температуре мокрого термометра 4 5 Разность между температурой воздуха t 1 (в точке Аи температурой мокрого термометрам характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала и носит название потенциала сушки = (t 1 – t м ). Потенциал сушки характеризует скорость испарения влаги из материала, которая зависит от состояния воздуха и температуры процесса, те. определяется совместным влиянием тепло- и массообмена. Когда воздух полностью насыщается влагой (t 1 = t м ), величина ? становится равной нулю. Величину t м определяют с помощью психрометра, который состоит из двух термометров. Шарик одного термометра обернут влажной тканью (рис. он называется мокрым. Второй термометр – сухой. воздуха. Для определения относительной влажности воздуха можно также пользоваться психрометрической формулой t P A P P ? ? = ? , (где Р м – давление насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра; Р н – давление насыщенного водяного пара при температуре сухого термометра, те. при температуре воздуха см температуры сухого и мокрого термометров; А – психрометрический коэффициент, величина которого зависит от условий опыта для скорости воздуха w > 0,5 мс + ? = 75 , 6 65 00001 , 0 , (где w – скорость воздуха, м/с; П – барометрическое давление, мм рт. ст. По разности показаний термометров сухого и мокрого можно приближенно определить ? по диаграмме і – x Рамзина (рис. 19.2, в). Помещенные в исследуемом воздухе термометры показывают разную температуру. Разность ?t = t см называется психрометрической разностью температур Чем меньше относительная влажность, тем интенсивнее происходит испарение воды на поверхности шарика мокрого термометра и тем сильнее он охлаждается. Поэтому с уменьшением относительной влажности воздуха повышается психро- метрическая разность температур. По наблюдаемой ?t, пользуясь психро- метрическими таблицами, определяют относительную влажность Рис. 19.3. Психрометр 4 5 Для этого находим на диаграмме точку пересечения изотермы мс линией ? = 100 % (точка А. Из этой точки, двигаясь по линии постоянной температуры мокрого термометрам доходим до пересечения с изотермой t сточка В. В точке пересечения В находим искомое значение ?. Если на диаграмме Рамзина не нанесены линии t м = const, то искомую относительную влажность воздуха можно приближенно определить, двигаясь от точки А по линии і = const до пересечения с изотермой t с. Линии ми і = const близки и при небольших значениях разности (t с – t м ) погрешность при таком приближенном определении невелика. Определение температуры материала, выходящего из сушилки, если его влажность выше критической, проводят по диаграмме Рамзина (риса. По заданным параметрам воздуха, выходящего из сушилки, t 2 и его влагосодержанию x 2 определяют точку А. Поскольку в первом периоде сушки температура влажного материала равна температуре мокрого термометрам, то, двигаясь от точки А по линии і = const до пересечения с линией ? = 100 получают точку В. Через эту точку проходит изотерма t м а б в Рис. 19.4. Определения с помощью диаграммы Рамзина: а – температуры материала б – парциального давления водяного пара; в смешения потоков воздуха с разными параметрами Для определения парциального давления водяного пара (рис, бот точки А, соответствующей параметрам воздуха, по линии x 1 = const вниз находят пересечение с линией парциальных давлений (точка В. Для точки В справа находим значение р 1 Смешение потоков воздуха с разными параметрами (рис. 19.4, в). Пусть воздушный поток в количестве 1 кг с параметрами і и точка А) смешивается с n кг воздуха, параметры которого – і и точка В. Для рассматриваемого процесса можно записать: і 1 + і = (1 + n)і С , (19.16) x 1 +n•x 2 = (С (или b a n n i i i i C = + = ? ? 1 ) ( ) ( 1 2 1 , (19.18) 4 5 9 b a n n x x x x C ? ? = + = ? ? 1 ) ( 1 2 1 . (Приравнивая уравнения (19.18) и (19.19), получим 2 1 1 2 1 x x x x i i i i C C ? ? = ? ? . (Равенство (19.20) представляет собой уравнение прямой в координатах і, проходящей через точки Аи В. Состояние смеси будет соответствовать точке С, делящей прямую АВ на две части в соотношении n CD AC 1 = . (Таким образом, точка С, характеризующая состав смеси, лежит на прямой АВ и делит ее на отрезки АС и СВ, величины которых обратно пропорциональны отношению количеств воздуха, характеризуемых точками Аи В. Равновесие при сушке В процессе сушки парциальное давление пара над материалом р м уменьшается и приближается к пределу р м = р п. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом пили пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха ? (см. уравнение) и определяется опытным путем. Формы связи влаги с материалом Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом чем прочнее эта связь, тем труднее протекает сушка. При сушке связь влаги с материалом нарушается. П.А. Ребиндер предложил следующую классификацию форм связи влаги с материалом химическая, физико-химическая и физико-механическая. Химически связанная влага наиболее прочно связана с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температурили в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена при сушке. При сушке удаляется в основном влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко удаляется механически связанная влага. Физико-химически связанная влага объединяет два вида влаги, которые отличаются прочностью связи с материалом адсорбционно 4 6 и осмотически связанную. Адсорбционная влага прочно удерживается на поверхности ив порах материала и требует для своего удаления большей затраты энергии, чем осмотическая. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. В процессе сушки влагу материала классифицируют на свободную и связанную. Свободной называют влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. Поэтому при наличии в материале свободной влаги р м р н, где р н – давление насыщенного пара воды над ее свободной поверхностью. Связанной называют влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения воды со свободной поверхности, при этом р м < р н. Изменение состояния влажного материала при сушке Влажность материала может быть рассчитана по отношению к его общему количеству G или по отношению к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества При этом = G c + G вл , где G вл – количество содержащейся в материале влаги, кг. Влажность, отнесенная к общему количеству материала (в %): 100 ?? ? = G G u . (Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала (в %): 100 ? ?? c ? = G G u . (Удобнее для расчетов относить влажность к количеству абсолютно сухого материала, которое не изменяется в процессе сушки. Указанные величины u и u c связаны между собой зависимостью вили. (Изменение влажности материала в процессе сушки представлено на рис. При изменении влажности материала от u 1 дог материал содержит свободную влагу (при этом р м р ни находится во влажном состоянии. Приуменьшении влажности от u г до u p материал содержит связанную влагу (здесь р м р ни находится в гигроскопическом состоянии. Точка А называется гигроскопической, а соответствующая ей влажность u г – гигроскопической влажностью. Во всей области влажного состояния ив точке Аир м = р н 4 6 1 19.4. Материальный и тепловой балансы сушки Материальный баланс по высушиваемому материалу является общим для конвективной, контактной и других видов сушки. Для составления баланса обозначим – количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/ч; G 2 – количество высушенного материала, кг/ч; u 1 , u 2 – начальная и конечная влажности материала соответственно (считая на общую массу материала, %; W – количество влаги, удаляемой из материала при сушке, кг/ч. Тогда материальный баланс будет иметь следующий вид: по всему материалу, подвергаемому сушке = G 2 + W; (по абсолютному сухому веществу в высушиваемом материале 100 100 100 2 2 1 1 u G u G ? ? = ? ? . (Из уравнения (19.27) следует 2 2 1 100 100 u u G G ? ? ? = , (19.28) 2 1 1 2 100 100 u u G G ? ? ? = . (Обычно целью составления материального баланса является определение количество влаги W, удаляемой при сушке. Из уравнения (19.26) находим = G 1 – G 2 . (Подставляя в выражение (19.30) значение G 2 из уравнения, получим Свободная влага будет удаляться из материала при любой относительной влажности, меньшей ? = 100 Удаление связанной влаги (после точки А) возможно лишь при влажности окружающей среды меньше равновесной. На рис. 19.5 вся область, где материал может сушиться, заштрихована. В зоне над кривой равновесной влажности ОАВ сушка невозможна, возможно только увлажнение материала. Рис. 19.5. Изменение влажности материала в процессе сушки I – зона удаления свободной влаги – зона удаления связанной влаги – зона увлажнения материала 4 6 2 2 2 1 1 2 1 1 1 100 100 100 u u u G u u G G W ? ? = ? ? ? ? = . (При подстановке в выражение (19.30) значения G 1 из уравнения (19.28) определим количество удаляемой влаги 2 1 2 100 u u u G W ? ? = (19.31а) Если количество влаги W известно, то из уравнения (19.31а) можно определить количество высушенного материала Уравнения (19.31) и (а) являются основными уравнениями материального баланса процессов сушки. Влажность материала часто удобно выражать по отношению к массе не всего материала, а к массе содержащегося в нем сухого вещества. В таком случае, пользуясь зависимостью (заменяют величины u 1 ив уравнении (19.31) на c 1 u и c 2 u соответственно. При этом получим c 2 c 2 c 1 2 c 1 c 2 c 1 1 100 100 u u u G u u u G W + ? = + ? = . (При расчете конвективных сушилок помимо баланса по высушиваемому материалу составляется материальный баланс по влаге, из которого находят расход сухого воздуха на сушку. Рассмотрим основную схему процессов конвективной сушки на примере воздушной сушилки, в которой воздух нагревается только в подогревателе (калорифере) перед сушилкой и однократно проходит через сушилку. Принцип устройства подобной сушилки соответствует схеме на рис. 19.6 при условии, что отсутствует дополнительный подогреватель воздуха, показанный на рисунке: Рис. 19.6. Принципиальная схема конвективной сушилки непрерывного действия (основной вариант процесса сушки) Пусть на сушку поступает воздух с влагосодержанием x 0 кг/кг сухого воздуха, причем расход сухого воздуха составляет L кг/ч. Из сушилки (при отсутствии потерь воздуха) выходит такое же количество абсолютно сухого воздуха, а влагосодержание меняется до x 2 кг/кг сухого воздуха. Количество влаги, испаряющееся из материала в сушилке, составляет W кг/ч. Тогда материальный баланс по влаге будет иметь вид 4 6 3 Lx 0 + W = Из уравнения баланса определяем расход абсолютно сухого воздуха на сушку 2 x x W L ? = . (Удельный расход воздуха на испарение из материала 1 кг влаги равен соотношению 2 1 x x W L l ? = = . (Обозначим влагосодержание воздуха, нагреваемого в калорифере и поступающего в сушилку, через x 1 кг/кг сухого воздуха. Проходя через калорифер, воздух не поглощает и не отдает влаги, поэтому его влагосодержание остается постоянным, те. x 1 = Соответственно уравнения (19.33) и (19.34) могут быть записаны в виде 2 x x W L ? = (и 2 1 x x l ? = . (Следует иметь ввиду, что влагосодержание наружного воздуха x 0 в среднем летом выше, чем зимой. Величина x 0 входит как вычитаемое в знаменатель правой части уравнения (Следовательно, расчет удельного расхода воздуха (соответственно подбор калориферов для его нагрева) следует вести по наибольшей величине x 0 в летних условиях для того географического пункта, в котором должна работать сушилка. Средние статистические данные о величинах x 0 в летнее и зимнее время года для различных городов бывшего СССР приводятся в справочных таблицах. Тепловой баланс сушилок Рассмотрим тепловые балансы наиболее часто используемых конвективных и контактных сушилок. Конвективные сушилки. Для составления типового теплового баланса конвективной сушилки воспользуемся ее общей схемой, представленной на рис. 19.6. Допустим, на сушку поступает G 1 кг/ч исходного материала, имеющего температуру ? 1 о С. В сушилке из вещества испаряется W кг/ч влаги и удаляется G 2 кг/ч высушенного вещества при температуре ? 2 о С. Обозначим удельную теплоемкость высушенного материала См Дж/(кг•град) и теплоемкость влаги – Св Дж/(кг•град) (для воды Св = 4,19 кДж/(кг•град) или 1 ккал/(кг•град)). В сушилку подается влажный воздух, содержащий L кг/ч абсолютно сухого воздуха. Перед калорифером воздух имеет энтальпию і Дж/кг сухого воздуха после нагрева, те. на входе в сушилку, энтальпия воздуха увеличивается до і Дж/кг сухого 4 6 воздуха. В процессе сушки в результате передачи тепла материалу, поглощения испаряющейся из вещества (материала) влаги и потерь тепла в окружающую среду энтальпия воздуха изменяется и на выходе из сушилки для отработанного воздуха равна і Дж/кг сухого воздуха. При составлении теплового баланса необходимо учитывать, что в сушилке могут быть транспортные устройства, на последних находится высушиваемый материал, например вагонетки, и т.д. Допустим, масса указанных устройств – т кг, удельная теплоемкость их – Ст Дж/(кг•град), температура на входе в сушилку – t т.н . В сушилке температура транспортных устройств увеличивается и достигает на выходе из сушилки t т.к В соответствии со схемой (см. рис. 19.6) тепло к подводится в калорифер К, установленный перед сушилкой, ив дополнительный калорифер К – внутрь камеры сушилки в количестве д. Тогда с учетом потерь тепла сушилкой в окружающую среду п будем иметь ПРИХОД ТЕПЛА с наружным воздухом Lі 0 ; с влажным материалом*: с высушенным материалом G 2 C м ? 1 , с влагой, испаряемой из материала WC в ? 1 ; с транспортными устройствами G т C т t т.н в основном (внешнем) калорифере кв дополнительном (внутреннем) калорифере Q д При установившемся процессе сушки тепловой баланс выражается равенством: Lі 0 + м + в + G т C т t т.н + к +д = = і + м + G т C т t т.к +Q п Из указанного уравнения можно установить общий расход тепла (к + дна сушку: (Q к |