Кинетика сушки

Кинетика сушки определяется изменением во времени средней влажности материала, которую строят обычно по опытным данным для каждого конкретного материала (рис. 14.2).

Как следует из рис. 14.2, кривая сушки состоит из двух участков, соответствующих различным ее периодам, которые хорошо видны на графической зависимости скорости сушки от влажности материала (рис. 14.3).

Первый период (линия АВ) - период постоянной скорости сушки или внешней диффузии (поверхностного испарения).

В этот период поверхность материала покрыта влагой, что обеспечивается высокой влажностью материала в начале сушки и возмещением испаряющейся влаги вследствие диффузии ее из внутренних слоев. Скорость диффузии влаги равна скорости испарения воды с поверхности высушиваемого материала. Это означает, что подвод воды к поверхности твердого тела полностью компенсирует ее удаление с этой поверхности. Скорость суммарного процесса в этот период ограничивается скоростью поверхностного испарения, т. е. скоростью отвода молекул пара от поверхности.

Кинетические уравнения для первого периода сушки могут быть записаны в виде

где W – количество испаренной жидкости; F – поверхность фазового контакта; х_нас – влагосодержание насыщенного воздуха в условиях сушки; х – действительное (рабочее) влагосодержание воздуха; р_нас – парциальное давление влаги в условиях насыщения; р – действительное парциальное давление паров влаги в воздухе; β_х, β _р – коэффициенты массоотдачи; τ₁ — продолжительность первого периода сушки.

Факторами, определяющими скорость сушки в первый период, являются:

· влажность газа (чем суше газ, тем больше движущая сила процесса, а значит, больше скорость сушки);

· температура газа (чем выше температура газа, тем выше температура поверхности материала, а следовательно, больше упругость насыщенного пара и выше скорость сушки);

· скорость газа (величина коэффициента массоотдачи зависит от скорости газового потока, а увеличение скорости влечет за собой рост турбулентности потока, сдувание, т. е. уменьшение толщины пограничного ламинарного слоя газа и, следовательно, ускорение переноса в нем вещества – диффузии пара);

· поверхность испарения (скорость испарения увеличивается прямопропорционально поверхности испарения, т. е. скорость сушки, растет при измельчении материала, так как при этом увеличивается удельная поверхность).

Первый период сушки соответствует изменению влажности, материала в пределах с_н – с_кр (начальная влажность – критическая влажность).

Второй период (линия ВЕ) – период падающей скорости сушки или внутренней диффузии.

В этот период подвод влаги к внешней поверхности высушиваемого материала оказывается недостаточно быстрым для компенсации испаряющейся с нее влаги из-за увеличения глубины её извлечения.

Изменение скорости сушки в этот период зависит от того, насколько быстро по сравнению со скоростью испарения будет подходить влага из внутренних слоев к наружным. Это изменение зависит от формы связи влаги с материалом, структуры твердого вещества, толщины куска и т. д. Экспериментально установлено, что чаще всего на участке ВЕ скорость сушки изменяется по ли­нейному закону (см. рис. 14.3).

Кинетическое уравнение для второго периода сушки может быть записано в виде

где К – коэффициент скорости сушки; с – влажность материала в данный момент; с_равн - равновесная влажность материала; τ₂ – продолжительность второго периода сушки.

Следует отметить, что этот кинетический закон описывает явление лишь приближенно. Действительное изменение скорости сушки в пределах изменения влажности с_кр – с_к (критическая влажность – конечная влажность) может и не следовать линейному закону (пунктирные линии на рис. 14.3).

Когда в ходе сушки поверхность высушиваемого материала покрывается коркой, скорость процесса уменьшается и выражается на графике кривой, расположенной ниже прямой линии. В других случаях, когда в результате сушки происходит растрескивание высушиваемого материала, а в результате этого – увеличение поверхности контакта фаз, скорость сушки увеличивается и выражается на графике кривой, расположенной выше прямой с_кр – с_к.

Интенсификация второго периода процесса сушки может быть достигнута путем перемешивания высушиваемого материала, способствующего механическому переносу влаги из внутренних слоев к поверхности контакта с сушильным агентом.

Таким образом, для периодических процессов общая продолжительность сушки складывается из продолжительности сушки в первом τ₁ и во втором τ₂ периодах:

τ = τ₁ + τ₂.

Значение τ₁ определяют при этом из уравнений (14.2) и (14.3)

В этих уравнениях Δр_ср и Δх_ср – средняя движущая сила процесса, которая определяется по формулам

где Δр_н = (р_нас - р)_н – начальная разность между парциальным давлением насыщенного водяного пара в условиях сушки и рабочим парциальным давлением; Δр_к = (р_нас - р)_к – конечная разность между парциальным давлением насыщенного водяного пара в условиях сушки и рабочим парциальным давлением; Δх_н = (х_нас - х)_н – начальная разность между влагосодержанием насыщенного воздуха в условиях сушки и рабочим влагосодержанием; Δх_к = (х_нас - х)_к – конечная разность между влагосодержанием насыщенного воздуха в условиях сушки и рабочим влагосодержанием.

Для определения продолжительности второго периода сушки пользуются уравнением (14.4):

где G – количество высушиваемого материала, кг сухого вещества. Из уравнения (14.6) следует:

Интегрируя уравнение (14.7) в пределах с_к – с_кр и 0 – τ, получим

Значения с_кр и с_к определяются экспериментально.

Дата добавления: 2014-01-04