Тепловой баланс воздушной сушки

Допустим, что на высушивание поступает влажный материал в количестве кг/ч. Одновременно в сушильную камеру могут вводится транспортные приспособления (ленточный транспортер, вагонетки и т.д.), кг/ч. Кроме того (рисунок 171), в сушилку вводится L кг/ч абсолютно сухого воздуха. Для подогрева воздуха вначале в калорифере, а затем в сушильной камере к нему подводятся количества тепла соответственно и кДж/ч.

Обозначим:

- теплоемкость высушенной части влажного материала, кДж/(кг.град);

- теплоемкость транспортных приспособлений, кДж/(кг.град);

- температура поступающего на сушку материала, К;

- температура материала после сушки, К;

- температура транспортных приспособлений при входе в сушильную камеру, К;

- температура транспортных приспособлений при выходе из сушильной камеры, К;

- энтальпия воздуха на входе в сушильную камеру, кДж/кг сухого воздуха;

- энтальпия воздуха после нагревания в калорифере, кДж/кг сухого воздуха;

- энтальпия воздуха на входе из сушильной камеры, кДж/кг сухого воздуха;

- потери тепла в окружающую среду, кДж/ч.

Согласно схеме тепловых потоков (рисунок 171), тепловой баланс процесса можно представить равенством

(11.22)

Из этого равенства можно определить расход тепла на сушку:

(11.23)

Отнесем все расходы тепла к 1 кг испаряемой при сушке влаги и обозначим удельные расходы следующим образом:

; ; ; ;

;

Тогда предыдущее уравнение будет иметь вид

(11.24)

Из этого уравнения следует:

(11.25)

При принятых обозначениях удельный расход тепла в калорифере можно также представить в виде

(11.26)

и выразить общий удельный расход тепла из уравнения (11.24) как

(11.27)

а тепло, вводимое дополнительно в сушильной камере, из уравнений (11.26) и (11.27) как

(11.28)

Последние три равенства используют при определении расхода тепла на процесс сушки. Из уравнения (11.27) следует, что расход тепла на сушку зависит главным образом от начальных и конечных параметров воздуха , , , ; кроме того, он повышается с увеличением разности между начальной и конечной температурами высушиваемого материала и с ростом теплопотерь в окружающую среду.

Сопоставив равенства (11.25) и (11.26) и выполнив преобразования, получим:

(11.29)

Учитывая равенство (11.19), имеем:

или (11.30)

Вместо конечных значений H2 и X2 возьмем любые промежуточные значения и найдем

(11.31)

Последнее уравнение представляет собой уравнение прямой, т.е. зависимость между параметрами и в процессах сушки прямолинейна.

3. Исходя из заданного режима сушки, и расходов агента сушки, определяют необходимую поверхность тепло- и массообмена материала, обеспечивающую заданную производительность сушилки.

По величине поверхности тепло- и массообмена находят габариты сушильной камеры. При расчете промышленных сушилок по экспериментальным данным, полученным на модельной установке, необходимо уделять большое внимание возможности гидродинамического и теплового моделирования. В некоторых случаях вводят поправочные коэффициенты на равномерность распределения материала и агента сушки по поверхности и объему сушильной камеры, на равномерность распределения материала в агенте сушки.

Например, в сушилках с кипящим слоем малых размеров (диаметром до 300 мм) получают более близкое к идеальному перемешивание (без застойных зон), чем в промышленных сушилках диаметром до 5 м. Этим объясняется то, что на модельных установках можно использовать без перегрева материала более высокие начальные температуры агента сушки по сравнению с температурами в промышленных установках. В малых распылительных сушилках возможно лучшее распределение диспергированного материала и агента сушки, чем в промышленных аппаратах, поэтому объемные коэффициенты теплообмена в первом случае более высокие и т.п.

4. Рассчитывают кинетические характеристики сущки, для чего опре-

деляют количество влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени. Таким образом, скорость сушки представляет собой отношение:

, (11.32)

где t - время сушки, с.

Зная скорость сушки, определяют продолжительность периодического процесса сушки или поверхность высушиваемого материала при сушке непрерывным способом и устанавливают габаритные размеры сушильных аппаратов.

Скорость сушки, как массообменного процесса, следует основному уравнению массопередачи, согласно которому

, (11.33)

где K - коэффициент массопередачи; - средняя движущая сила процесса.

Как видно из рассмотрения статики сушки, движущая сила процесса сушки определяется разностью давлений , т.е. разностью давления паров влаги у поверхности материала и парциального давления паров в воздухе (или чистого пара) .

Различают два периода сушки: период постоянной скорости и период падающей скорости процесса.

В течение первого периода влага испаряется со всей поверхности материала так же, как она испаряется с зеркала испарения некоторого объема жидкости. В этом периоде скорость сушки постоянна и определяется лишь скоростью внешней диффузии, т.е. диффузии паров влаги с поверхности материала в окружающую среду.

Во втором периоде скорость сушки определяется внутренней диффузией - перемещением влаги изнутри материала к его поверхности. С началом второго периода поверхность подсохнувшего материала начинает покрываться коркой и поверхность испарения влаги постоянно уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии и к непрерывному уменьшению скорости сушки.

В зависимости от толщины и структуры некоторых материалов испарение влаги с их поверхности в конце второго периода прекращается совсем и происходит внутри материала. Поэтому в соответствии с характером удаления влаги, второй период сушки часто складывается из двух стадий: стадии равномерно падающей скорости и стадии неравномерно падающей скорости.

Рисунок 172 - Кривая сушки материала и изменение его температуры в процессе сушки.

Двум основным периодам предшествует некоторый период прогрева материала до температуры сушки.

Кинетика сушки определяется обычно путем взвешивания образцов материала в начале сушки и через определенные промежутки времени. По весу образцов рассчитывают абсолютную влажность материала в различные моменты и строят кривую зависимости абсолютной влажности от времени , которая называется кривой сушки (рисунок 172). По этой кривой можно определить скорость сушки.

Скорость сушки, характеризующаяся изменением абсолютной влажности в единицу времени, может быть найдена для каждого данного момента, как тангенс угла наклона кривой сушки (например, для точки на рисунке 172). Найденные значения скорости сушки наносят на график как функцию абсолютной влажности, и получают кривую скорости сушки (рисунок 173). Графическое изображение процесса в виде кривых сушки и кривых скорости сушки дает возможность установить различные периоды его протекания.

Рассматривая кривые на рисунке 172 и 173 можно различить перечисленные выше периоды сушки материала.

Рисунок 173 - Кривая скорости сушки.

Период прогрева материала (отрезок АВ на рисунке 173) является, как правило, кратковременным и характеризуется неустановившимся состоянием процесса. За этот период температура материала повышается до температуры мокрого термометра , но его влажность снижается незначительно. Скорость сушки возрастает и к концу периода прогрева достигает максимальной величины.

В период постоянной скорости (прямолинейный отрезок ВК1) скорость процесса является наибольшей, температура материала .

Начальная точка К1 периода падающей скорости (отрезок К1К2С) называется первой критической точкой, а влажность материала в этой точке - первой критической влажностью.

Период падающей скорости состоит, в свою очередь, из двух стадий: равномерно падающей скорости (прямолинейный отрезок К1К2 на рисунке 173) и неравномерно падающей скорости (кривая К2С).

Точка К2 называется второй критической точкой, а соответствующая ей влажность материала - второй критической влажностью . К концу второго периода температура материала повышается и достигает температуры воздуха или cреды, окружающей материал. Одновременно влажность материала снижается до равновесной по всей его толщине. С момента достижения равновесной влажности скорость сушки становится равной нулю. При дальнейшем пребывании материала в сушилке его влажность остается постоянной (отрезок С на рисунке 172).

Для различных материалов отдельные периоды сушки могут быть различны по времени или отсутствовать вовсе. Так, при сушке плоских пластин процесс заканчивается этапом равномерно падающей скорости (линия процесса АВК 1 К 2 на рисунке 173)

Длительность сушки материала достаточно точно можно установить только опытным путем. Общую продолжительность процесса определяют расчетом как сумму длительности сушки в период постоянной скорости и длительности ее в период падающей скорости, принимая, что падение скорости сушки во втором периоде происходит прямолинейно.

Длительность сушки в отдельные периоды определяют по следующим формулам

в период постоянной скорости

(11.34)

в период падающей скорости

(11.35)

Соответственно общая продолжительность сушки может быть приближенно определена по уравнению

, (11.36)

где: и - начальная, конечная и равновесная влажность материала, кг влаги на 1 кг сухого вещества; - первая критическая влажность материала (в конце первого периода сушки).

Входящая в уравнение (10.36) величина C называется коэффициентом сушки и выражается количеством кг испаренной влаги в сек, приходящимся на 1 кг сухого вещества.

Обозначая количество испаренной влаги W кг, количество сухого вещества в высушиваемом материале G сух кг и время сушки t , получим следующее выражение для коэффициента сушки:

, (11.37)

где b - коэффициент массоотдачи в газовой фазе, кг/м2с f - удельная поверхность сухого вещества, м2/кг абсолютно сухого вещества; D ср - средняя движущая сила, равная средней разности влагосодержания воздуха в насыщенном и рабочем состояниях.

При переменных параметрах воздуха величина с достаточной для технических расчетов точностью может быть определена как средняя логарифмическая разностей влагосодержания материала и воздуха в начале и конце каждого периода сушки.

Для определения b можно пользоваться критериальным уравнением:

(11.38)

Определяющим размером при вычислении и является величина - длина поверхности испарения по направлению движения сушильного агента.

Входящий в уравнение (11.38) критерий Гухмана характеризует влияние массообмена на теплообмен при одновременном протекании этих процессов. Критерий выражается формулой:

, (11.39)

где - теплота испарения влаги, Дж/кг; - коэффициент теплоотдачи от воздуха, Вт/м2 град; t- температура воздуха, оС.

Величины A и n в уравнении (1.36) зависят от критерия Re

Re

1 - 200

200 - 6000

6000 -70000

A

0.9

0.87

0.347

n

0.5

0.54

0.65

Скорость сушки зависит также от направления движения сушильного агента относительно высушиваемого материала.

При прямотоке влажный материал на входе в сушилку соприкасается со свежим горячим воздухом, поэтому сушка вначале протекает интенсивно, а затем замедляется, причем в конце сушилки температура материала приближается к температуре t2 отработанного воздуха.

При противотоке влажный материал вначале соприкасается с отработанным воздухом, а высушенный материал - с свежим горячим воздухом, поступающим в сушилку. Вследствие этого сушка вначале идет медленно, в конце же влажность материала быстро уменьшается, а его температура возрастает, приближаясь к температуре t1 сушильного агента, и может оказаться выше допустимой для данного материала.

Поэтому при сушке топочными газами (или другим сушильным агентом, имеющим высокую температуру) применяют прямоток. Противоток предпочитают при сушке материала до низкой конечной влажности, которая достигается в этом случае за более короткое время.

Расчетом не учитывается ряд факторов, оказывающих большое влияние на продолжительность сушки, а именно: неравномерное омывание материала воздухом, наличие "мертвых" зон, изменение температуры материала и пр. Поэтому теоретическое время сушки, полученное по формуле (10.36), умножают на поправочный коэффициент, равный 1,5 2 и более.

Ввиду трудности расчета динамики сушки (диффузия влаги в различные периоды сушки, скорость и продолжительность сушки) на практике часто ограничиваются статическим расчетом по средним данным, принимая за исходную величину среднее количество влаги, испаряемое в единице объема сушильной камеры (для конвективных сушилок) или на единицу греющей поверхности (для контактных сушилок), т.е. величину напряжения сушилки по влаге A в кг/м3*ч или в кг/м2*ч.

Средний температурный напор для первого периода сушки:

, (11.40)

где - начальная температура сушильного агента; - температура сушильного агента в конце первого периода. Соответственно находим температурный напор для второго периода сушки

, (11.41)

где - конечная температура сушильного агента; - конечная температура высушиваемого материала. Средний температурный напор для всего процесса сушки определяют по формуле:

, (11.42)

где - отношение продолжительности сушки во втором периоде к общей продолжительности сушки .

Величины и определяются соответственно по формулам (11.34) и (11.35).

Соответствующие выражения для и могут быть получены для противотока сушильного агента и высушиваемого материала.

При относительно высокой конечной влажности высушиваемого материала величина может быть определена приближенно по уравнению

(11.43)

5. Рассчитывают кинетические характеристики сушилки.

Рассчитывают вспомогательное оборудование установки (пылеулав-ливающие устройства, топки, калориферы), подбирают вентиляционные устройства и т.д.

В конце расчета определяют удельные расходы тепла, электро- энергии, газов и т.д. и составляют технико-экономические показатели установки.

Выбор рационального режима сушки может определяться только конкретным материалом, подвергаемым высушиванию, и условиями данного производства. Вне связи с этим материалом вообще не могут быть найдены наиболее рациональный способ сушки и конструкция аппарата. Поэтому перед выбором способа сушки должны быть известны испаряемая жидкость (вода, органические растворители и др.) и все данные о высушиваемом материале: его химический состав и химические свойства (кислотность, щелочность), дисперсность, адгезионные свойства, термочувствительность во влажном и сухом состоянии (температуры воспламенения, размягчения, плавления, разложения, возгонки и т.д.), вязкость и поверхностное натяжение (для жидких), содержание влаги, взрывоопасность, теплофизические константы (теплопроводность, теплоемкость, насыпная и истинная плотность, угол естественного откоса для влажного и сухого материалов) и т.д. Следует четко определить также основные требования к готовому продукту (дисперсность, чистота, прочность, наличие коробления и т.д.), необходимость совмещения процесса сушки с другими процессами (прокаливание, сепарация, гранулирование, размол и т.д.) . На выбор способа сушки влияют характеры процессов, предшествующих сушке, и процессы, проводимые после сушки, источники тепла, имеющиеся на проектируемом производстве, и т.д. Таким образом, к задачам технологии сушки относится на основании свойств высушиваемого материала, требований к процессу сушки и конкретных условий производства выбор рационального способа и определение оптимального режима сушки, обеспечивающего заданные качества продукта. Знание основных законов тепло- и массообмена применительно к процессу сушки, особенностей различных способов сушки позволит подойти к выбору рационального способа сушки на научной основе.

Выбор агента сушки обусловливается технологией этого процесса и наличием тех или иных источников тепла. Основными его источниками являются жидкое или газообразное топливо, пар, электроэнергия; в редких случаях может быть использована солнечная радиация.(специальные гелиоустановки - котлы). Для оценки стоимости сушки надо знать источник получения пара,(самостоятельная котельная или тепловая электрическая станция). Радиационную и кондуктивную сушку в основном используют для тонких гибких материалов или когда нежелательно иметь большое количество газового теплоносителя. Наиболее широко используется конвективная сушка, при которой в качестве агента сушки применяют нагретый воздух или азот, топочные газы, перегретый водяной пар или пары органических жидкостей. Воздух употребляется в тех случаях, когда температура сушки невысока и присутствие кислорода в агенте сушки не влияет на свойства высушиваемого материала.

Следует отметить, что использование теплообменников из жаропрочной стали позволяет нагревать воздух до 500 оС, а в системах с промежуточным твердым теплоносителем - до 800 - 1000 оС. Однако такие теплообменники пока еще не нашли широкого применения в промышленности.

Топочные газы используются, как правило, при высокотемпературной сушке, когда материал не взаимодействует с содержащимися в них двуокисью углерода или сернистым ангидридом, если в качестве топлива используют мазут или уголь. Азот применяется в основном в тех случаях, когда материал может подвергаться окислению или является взрывоопасным или же взрывоопасна испаряющаяся из материала жидкость. При использовании в качестве агента сушки азота сушильные установки работают по замкнутому циклу. Если материал не изменяет своих свойств при температуре до 130 оС, то для сушки можно использовать перегретый пар. При сушке некоторых полимерных материалов во взвешенном и полувзвешенном состоянии в сушильной установке накапливаются большие электростатические заряды. В этих случаях во избежание взрывов аппарата помимо заземления его корпуса рационально использовать для сушки азот или перегретый пар (например при сушке полиэтилена, некоторых сополимеров стирола и т.д.)

Для материалов, чрезвычайно чувствительных к нагреву, применяется так называемая холодная сушка, т.е. используется предварительно осушенный воздух при температуре не выше 40 оС (сушка латексных радиозондовых оболочек больших размеров, фотоэмульсии и т.д.), т.к. при низких температурах окислительные процессы значительно замедляются. Глубокая осушка воздуха производится на силикагеле, причем устанавливают два осушителя, из которых один работает, а в другом происходит регенерация силикагеля путем пропускания через него, например, горячих газов.

В качестве осушающего адсорбента могут быть использованы также фосфорный ангидрид и хлористый кальций. При неглубокой степени осушки воздуха применяют кондиционеры, орошаемые водой, предварительно охлажденной в гликолевых установках. При сушке химически чистых материалов воздух необходимо очистить от пыли в специальных фильтрах (бумажные, висциновые и др.). Наружный воздух целесообразно забирать из более высоких слоев атмосферы, где он содержит меньше пыли