Сушка. Формы связи влаги с материалом. Статика и кинетика, сушки. Способы сушки: контактная и конвективная сушка. Свойства воздуха как сушильного агента. Аппаратура.

Сушка, удаление жидкости (чаще всего влаги - воды, реже иных жидкостей, например летучих органических растворителей) из веществ и материалов тепловыми способами.

Под cтатикой сушки обычно понимают, состояние термодинамического равновесия в системе влажное тело-газ, а также материальный и тепловой балансы сушилок в установившемся режиме работы. Исследования указанного, равновесия важны для определения форм связи влаги с материалом и его внутренней структуры, а также движущей силы сушки.

Формы связи влаги с материалом в значительной степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с материалом нарушается. Различают следующие формы связи (в порядке убывания ее энергии): химическую, физико-химическую, механическую.

Химически связанная влага (гидратная, или кристаллизационная, влага комплексных соединений) соединена с материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не удаляется.

Физико-химическая связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (например, в коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде монослоя или несколько слоев. Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке.

Механическая, или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10-7 мм) и микрокапилляров (менее 10-7 мм). Влага макрокапилляров наименее прочно связана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически.

Конвективный способ сушки основан на передаче тепла высушиваемому продукту за счет энергии нагретого сушильного агента – воздуха или парогазовой смеси. При этом способе сушки за счет сообщаемой продукту тепловой энергии идет испарение находящейся в продукте влаги, а пары влаги уносятся сушильным агентом.

Аппаратура: Конвективные сушилки. Необходимая для сушки теплота обычно доставляется нагретым воздухом, топочными газами либо их смесью с воздухом. Если не допускается соприкосновение высушиваемого материала с кислородом воздуха или если пары удаляемой влаги огнеопасны, сушильными агентами служат инертные газы (азот, СО2 и др.) либо перегретый водяной пар. В простейшем случае сушильный процесс осуществляется таким образом, что сушильный агент, нагретый до температуры, предельно допустимой для высушиваемого материала, однократно используется в аппарате.

Камерные сушилки. В них высушиваемый материал находится неподвижно на полках, установленных в одной или нескольких сушильных камерах. Засасываемый вентилятором и нагретый в калориферах воздух проходит между полками над материалом. Сушилки работают периодически при атмосферном давлении и применяются в малотоннажных производствах для материалов с невысокой температурой сушки (например, красители).

Туннельные сушилки - камерные сушилки непрерывного действия. Представляют собой длинные (типа коридора) камеры, внутри которых по рельсам перемещаются тележки (вагонетки) с лежащим на лотках или противнях высушиваемым материалом. Нагретый воздух обтекает лотки прямо- или противотоком; возможна рециркуляция воздуха. Эти сушилки используют для сушки кирпича, керамических изделий, окрашенных и лакированных металлических поверхностей, пищевых продуктов и т.п.

Свойства воздуха как сушильного агента. Воздух в процессе конвективной сушки является активным участником обезвоживания, выполняя одновременно три функции: теплоносителя, влагопоглотителя и влагоудалителя.

Барометрическое давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений его составляющих, то есть сухой части и пара.

(17)

где p – общее барометрическое давление влажного воздуха, Па; рс. в и рп – парциальное давление соответственно сухого воздуха и пара.

Способность воздуха выполнять функцию влагопоглотителя зависит от степени его насыщенности водяными парами. Существует строгая зависимость между температурой воздуха и максимальным содержанием водяных паров.

К термодинамическим параметрам воздуха относятся влажность (абсолютная и относительная), плотность, объем и энтальпия.

Абсолютная влажность ρп – масса водяного пара, находящегося в 1м3 влажного воздуха, то есть плотность пара.

Абсолютная влажность воздуха может возрастать до максимально возможного содержания пара, ρмах т. е. до полного насыщения ρмах=ρн.

Температура, при которой воздух данного состояния становится насыщенным, называется точкой росы tp.

Относительная влажность воздуха φ – отношение массы водяного пара (в %), находящегося в 1 м3 влажного воздуха, к максимально возможной массе его в этом же объеме при том же давлении и температуре:

(18)

где рп – парциальное давление пара в воздухе, Па; рн – давление насыщенного пара, Па.

Удельное влагосодержание d (в граммах) или х (в килограммах) – масса водяного пара, отнесенная к 1 кг сухого воздуха.

х = 0,622 φрн/(р - φрн) (23)

Удельная энтальпия i влажного воздуха определяется как сумма энтальпии 1 кг влажного воздуха и энтальпии пара, приходящегося в смеси на 1 кг сухого воздуха. Выражается в кДж/кг.

(26)

где iс. в., iп – энтальпия соответственно сухого воздуха и пара, кДж/кг.