Массообмен и сушка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные физические свойства влажного газа

Смесь сухого газа с парами жидкости называется влажным газом. Влажный газ характеризуют следующие параметры: температура; давление; плотность; относительная и абсолютная влажность; влагосодержание; теплоемкость; энтальпия.

Влажный воздух, который наиболее часто используют в качестве сушильного агента, можно считать при небольших давлениях и положительных температурах бинарной смесью идеальных газов: сухого воздуха и водяного пара. В соответствии с законом Дальтона давление идеальной газовой смеси является суммой парциальных давлений ее компонентов:

Р = Р_c._г+Р_п,

где Р-давление, при котором находится парогазовая смесь; Р_c._г, Р_п - парциальные давления сухого газа и водяного пара соответственно.

Пар называют свободным или перегретым при температуре t и давлении Р, если он не конденсируется в этих условиях. Максимально возможное содержание пара в газе, выше которого наблюдается конденсация, соответствует условиям насыщения при определенной температуре t и парциальном давлении р_{а п}.

Различают абсолютную, относительную влажности и влагосодержание влажного воздуха.

Абсолютная влажность - это масса водяного пара в единице объема влажного воздуха. Поскольку пар как компонент бинарной газовой смеси занимает весь объем влажного газа, понятие абсолютной влажности совпадает с понятием плотности пара р_п (в кг/м³) при температуре t и парциальном давлении р_п.

Относительная влажность (ср) - это отношение количества паров жидкости в газе к максимально возможному при данных температуре и общем давлении или (что то же) отношение плотности пара р_п при данных условиях к плотности насыщенного пара Рн._п при тех же условиях.

Под влагосодержанием х понимают количество пара жидкости (в кг), приходящегося на 1 кг абсолютно сухого газа.

х= G_п/ L,

где G_n-масса (массовый расход) пара, кг (кг/с); L масса (массовый расход) абсолютно сухого газа, кг (кг/с).

Удельная теплоемкость влажного газа принимается аддитивной величиной теплоемкостей сухого газа и пара.

Удельную энтальпию (Н) парогазовой смеси (в Дж/кг) выражают также по правилу аддитивности как сумму удельных энтальпий сухого газа Н_сг и пара Н_Пх.

Н = Н_сг + Н_Пх.

2. Твердое тело как объект сушки

Любой высушиваемый материал может характеризоваться сорбционной емкостью по влаге, т.е. количеством влаги, сорбированной единицей массы продукта при контакте с влажным газом. Влагоемкость высушиваемых материалов, а также условия сушки, ее интенсивность и полнота зависят от природы высушиваемого вещества, которая определяет вид связи влаги с продуктом. Виды связи влаги с материалом можно классифицировать по величине энергии этой связи.

В порядке убывания энергии различают следующие формы связи влаги с материалом, предложенные П.А. Ребиндером:

в случае химической связи влага прочно связана с веществом в виде гидроксильных ионов или молекулярных соединений типа кристаллогидратов. Химически связанная с материалом влага может быть удалена в результате химических взаимодействий или прокаливания. В процессе сушки химически связанная влага не удаляется;

адсорбционная связь вызывается дисперсионными, электростатическими и индукционными силами. Вследствие энергетической нена - сыщенности поверхностных молекул и ионов твердого тела на его поверхности образуется мономолекулярный слой адсорбированной влаги. Этот слой наиболее сильно связан с материалом. Последующие (полимолекулярные) слои удерживаются менее прочно, а свойства влаги, формирующей эти слои, приближаются к свойствам свободной жидкости. Энергия связи такого типа может быть рассчитана по уравнению (21.26);

капиллярная связь обусловлена адсорбционной связью полимо - лекулярных слоев со стенками капилляров и более низким давлением пара над вогнутым мениском в капилляре по сравнению с плоской поверхностью. Понижение давления пара наблюдается в случае, если диаметр капилляра d ^2-10~⁷ м. Такие размеры капилляров (микрокапилляров) характерны только для очень тонкопористых тел. В макрокапиллярах (d > 2-10"⁷ м) влага практически не связана с материалом (кроме адсорбционного мономоле - кулярного слоя) и называется свободной. Такую влагу можно удалить механическими способами;

осмотическая связь наиболее сильно выражена в растворах. Природа этой связи выражается в том, что давление пара над раствором меньше давления пара над чистым растворителем;

физико-механическая связь определяет влагу, свободно удерживаемую в объеме пор тела. Она может быть удалена механическими способами, причем процесс обезвоживания в этом случае лимитируется гидравлическим сопротивлением пор тела, подобно сопротивлению фильтрующей перегородки и осадка при фильтрации.

Отметим, что не существует резкой границы между различными формами связи влаги с материалом. По мере исчезновения одной формы начинает превалировать другая.

По Лыкову, все твердые влажные материалы можно разделить на 3 группы: капиллярно-пористые; коллоидные; капиллярно-пористые коллоидные тела. Хотя эта классификация и является условной, она имеет большое практическое значение, поскольку возникла при обобщении результатов исследования процесса сушки различных материалов.

В капиллярно-пористых материалах жидкость в основном связана капиллярными силами. При удалении влаги эти тела становятся хрупкими и в высушенном состоянии легко превращаются в порошок. Они слабо сжимаются. В качестве примера таких материалов можно привести силикагель, гипс, керамику, полимерные материалы типа винилхлоридных.

К коллоидным телам относятся материалы, в которых преобладает адсорбционно и осмотически связанная влага. При высушивании эти тела значительно сжимаются, но при этом сохраняют эластичность (желатина, растворы полимеров).

В капиллярно-пористых коллоидных телах жидкость имеет различные формы связи, характерные как для капиллярно-пористых, так и для коллоидных тел. По свойствам эти материалы занимают промежуточное положение: стенки их капилляров эластичны и при поглощении влаги набухают, а при высушивании такие тела сжимаются (глина, торф, некоторые полимерные материалы типа полибутилметакрилата и др.).

В последнее время предпринимаются попытки классифицировать высушиваемые влажные материалы по размерам пор. В основе такой классификации (Б.С. Сажин с сотр.) лежит критический радиус пор, уменьшению которого соответствуют усложнение внутрипористой структуры материала и увеличение диффузионного сопротивления движению влаги (в виде жидкости или пара) к поверхности частиц, а следовательно, увеличение продолжительности сушки и усложнение форм связи влаги с материалом.

Все влажные материалы делят на 4 группы в порядке уменьшения критического диаметра пор, внутри которых различают подгруппы, учитывающие адгезионно-когезионные свойства материала (налипание на металлические поверхности, комкование и т.д.). К первой группе отнесены материалы с критическим диаметром пор более 100 нм. Продолжительность сушки материалов этой группы невелика (например, во взвешенном слое 0,5-3 с). Во вторую группу входят материалы с критическим диаметром пор от 100 до 6 нм. Продолжительность сушки материалов второй группы значительно больше, чем первой (во взвешенном состоянии-до 30 с). К третьей группе отнесены материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2 нм. Продолжительность сушки таких материалов составляет минуты и даже десятки минут. Материалы четвертой группы, критический диаметр пор которых менее 2 нм, характеризуются очень низкой скоростью сушки, при этом продолжительность сушки исчисляется часами.

3. Массоперенос при сушке

газ сушка массоперенос влажный

Подчеркнем еще раз, что рассматривая процесс сушки как массообменный, можно выделить следующие задачи:

1) внутреннюю задачу, когда диффузионное сопротивление переносу влаги внутри материала значительно превышает диффузионное сопротивление пограничного слоя при удалении влаги с поверхности материала в газовую фазу. Необходимость решения такой задачи связана с сушкой материалов до низкого остаточного влагосодержания;

2) внешнюю задачу, если сопротивление пограничного слоя со стороны газовой фазы намного больше внутридиффузионного сопротивления. Эта задача, как правило, возникает при удалении свободной и слабосвязанной влаги;

3) смешанную задачу, когда внутридиффузионное сопротивление и сопротивление пограничного слоя сравнимы по величине. В этом случае при расчете сушки необходимо учитывать влияние внешних и внутренних факторов.

Количественным фактором, позволяющим определить задачу переноса влаги и теплоты, является критерий Био. При сравнительно больших значениях числа Био (Bi' ^ 20) условия массообмена в большей мере определяются свойствами материала (внутренняя задача), а влияние внешних факторов на процесс незначительно, что представляет серьезные трудности для интенсификации сушки. Такая задача характерна для материалов, имеющих ультрамикропо - ры, влага в которых перемещается в результате твердофазной диффузии (гранулированные полиамиды, полиэфиры, полипропилен и др.).

Для числа Bi' < 1 скорость процесса не зависит от внутридиффузионного сопротивления материала, а практически полностью определяется внешними условиями массообмена, что позволяет существенно воздействовать на скорость процесса путем создания соответствующей гидродинамической обстановки в аппарате. Для внешней задачи характерно удаление влаги из сыпучих крупнопористых материалов со свободной или слабосвязанной влагой (блочные полистиролы, некоторые сополимеры стирола, минеральные соли).

При 1 < Bi' < 20 внутридиффузионное сопротивление и сопротивление пограничного слоя сравнимы по величине (смешанная задача). Процесс можно интенсифицировать воздействием как на внешние, так и на внутренние параметры. При этом существует ряд способов преодоления диффузионного и теплового сопротивлений материалов (сушка токами высокой частоты, сушка со сбросом давления и др.). Смешанная задача - наиболее трудный для решения случай тепло- и массопереноса. Поэтому часто, если позволяют условия, задачу упрощают-сводят либо к внутренней, либо к внешней.

4. Продолжительность сушки

Продолжительность сушки, или необходимое время, за которое будет достигнуто требуемое конечное влагосодержание, определяется кинетикой сушки в конкретных условиях. При этом кинетическую кривую сушки описывают приближенными методами или усредняя по объему уравнения динамики (1) и (2) в конкретных формах, решение которых описывают поля влагосодержаний и температур во влажном теле.

Последний - теоретический - метод разработан для частиц, имеющих форму симметричной пластины, бесконечного цилиндра и сферы, что достаточно редко встречается на практике. Кроме того, входящие в конечные уравнения величины (например, коэффициент эффективной диффузии) трудноопределимы. Поэтому в практике чаще используют методы, основанные на аппроксимации кривой сушки.

Приближенные методы расчета основаны на анализе кинетики сушки. Пользуясь законами сохранения энергии и массы вещества, можно установить взаимосвязь средних интегральных значений влагосодержания w° и температуры тела 0 с интенсивностями тепло- и массообмена, а следовательно, и со скоростью сушки-в виде уравнения баланса теплоты.

Теплота, подводимая к телу, затрачивается на испарение влаги и нагревание тела.

Размещено на Allbest.ru