Основы кинетики процесса конвективной сушки.

Кинетика сушки характеризуется изменением во времени средней влажности материала и определяется формой связи влаги с материалом, размером частиц материала, параметрами сушильного агента и его скоростью, конструкцией сушилки.

Кинетические кривые конвективной сушки. Кинетические кривые процесса сушки получаются на основе экспериментальных исследований сушки материала.

Кривой сушки называют зависимость изменения влажности материала w^c от времени сушки . В общем случае кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным периодам сушки (рис. 7). После небольшого промежутка времени, периода прогрева материала, в течении которого влажность снижается незначительно от ее начального значения w ^c_нач. (участок АВ), наступает период постоянной скорости сушки (I -период), когда влажность материала интенсивно уменьшается по прямолинейному закону (участок ВС). Такое уменьшение влажности происходит до значения первой критической влажности w ^c_кр.1, после чего начинается период падающей скорости сушки (II -период), когда уменьшение влажности соответствует кривой СЕ, которая в общем случае состоит из двух участков различной кривизны (отрезки СD и DЕ). Точка перегиба D соответствует второй критической влажности w ^c_кр.2, точка Е - конечной влажности материала w ^c_кон. В конце второго периода влажность материала асимптотически приближается к равновесной w ^c_p (точка К); при достижении равновесной влажности прекращается дальнейшее испарение влаги из материала.

Рис. 7

Рис. 8

Скорость сушки определяется уменьшением влажности материала dw^c за бесконечно малый промежуток времени d и выражается отношением . Скорость сушки может быть определена с помощью кривой сушки путем графического дифференцирования, т.е. будет выражаться тангенсом угла наклона касательной, проведенной к точке кривой, отвечающей влажности материала. Так для I -периода сушки будет соответствовать tg = const (рис. 7). Данные о скорости сушки, полученные с помощью кривых сушки, изображаются в виде кривых скорости сушки, которые строятся в координатах скорость сушки - влажность материала. На рис. 8 показана кривая скорости сушки, соответствующая кривой сушки на рис. 7. Горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду постоянной скорости (I -период), а отрезок СЕ - периоду падающей скорости (II -период). В первый период происходит интенсивное поверхностное испарение влаги. В точке С(w^c_кр.1) влажность на поверхности материала становится равной гигроскопической. С этого момента начинается испарение связанной влаги. Точка D(w ^c_кр.2) соответствует достижению равновесной влажности на поверхности материала (внутри материала влажность превышает равновесную). Начиная с этого момента и вплоть до установления равновесной влажности по всей толщине материала, скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности. Одновременно вследствие высыхания все меньшая поверхность материала остается доступной для испарения влаги в окружающую среду, и скорость сушки падает непропорционально уменьшению влажности w^c_м материала.

Изменение температуры материала в процессе сушки. Для анализа процесса сушки, помимо кривых скорости, необходимо знать характер изменения температуры материала  в зависимости от влажности w^c. За кратковременный период прогрева материала его температура быстро повышается и достигает значения температуры мокрого термометра t_м . В период постоянной скорости сушки все тепло, подводимое к материалу, затрачивается на поверхностное испарение влаги, и температура материала остается постоянной, равной температуре испарения жидкости со свободной поверхности ( = t_м). В период падающей скорости испарение влаги с поверхности материала замедляется и его температура начинает повышаться. Когда влажность материала уменьшается до равновесной и испарение влаги прекратится, температура материала достигает наибольшего значения и становится равной температуре окружающей среды ( = t_м) для сушки материалов в тонком слое. Для толстых слоев при конвективной сушке температура во внутренних слоях в течении практически всего процесса сушки ниже, чем по поверхности.

Интенсивность испарения влаги. Интенсивность испарения влаги m является технологическим параметром процесса сушки и показывает, какое количество влаги W испаряется с единицы поверхности высушиваемого материала F в единицу времени где - общая продолжительность сушки.

Интенсивность испарения влаги связана с тепло- и массообменом влажного материала с окружающей средой. Механизм этого процесса очень сложен, т.к. включает процессы перемещения влаги внутри материала, ее испарение с поверхности материала и получение материалом тепла из окружающей среды. Каждый из этих процессов подчиняется собственным закономерностям и протекает с различной интенсивностью в разные периоды сушки.

Испарение влаги с поверхности материала. В период постоянной скорости сушки (I -период) происходит диффузия пара через пограничный слой воздуха у поверхности материала - внешняя диффузия. Движущей силой является разность парциальных давлений пара у поверхности материала p_м и в окружающей среде. Помимо диффузионного потока перенос влаги будет происходить также за счет термодиффузии вследствие перепада температур в пограничном слое. При конвективной сушке при относительно низких температурах термодиффузией можно пренебречь.

В I -периоде влажность материала больше гигроскопической, и пар у поверхности материала является насыщенным ( p_м = p_н ) и соответствует температуре мокрого термометра t_м . Влага интенсивно поступает из внутренних слоев к поверхности материала. Скорость испарения влаги с его поверхности принимают равной скорости испарения со свободной поверхности жидкости, что соответствует закону Дальтона, т.е. где - коэффициент массоотдачи (влагоотдачи); B -барометрическое давление, мм.рт.ст.; p_м ,p_н - так же в мм.рт.ст.

Перемещение влаги внутри материала. В I -периоде сушки влага перемещается в материале в виде жидкости, и лимитирующей стадией процесса, как уже сказано, является внешняя диффузия. При испарении влаги с поверхности материала возникает градиент влажности по его толщине, и когда на поверхности материала влажность достигает значения гигроскопической влажности, начинается II -период сушки. На поверхности материала влажность становится меньше гигроскопической и продолжает уменьшаться. На стадии равномерно падающей скорости (от w^c_кр.1 до w ^c_кр.2 ) влага начинает испаряться уже внутри материала, а процесс сушки лимитируется диффузией влаги внутри материала (внутренняя диффузия).

В дальнейшем поверхностный слой материала постепенно полностью высыхает, внешняя поверхность испарения становится все меньше геометрической поверхности материала и соответственно возрастает роль внутренней диффузии влаги. На стадии неравномерно падающей скорости (от w ^c_кр.2 до w ^c_p. ) наиболее прочно связанная влага с материалом (адсорбционная влага) переносится внутри него только в виде пара.

Явление переноса влаги внутри материала носит название влагопроводности. Интенсивность потока влаги перемещающейся внутри материала, пропорциональна градиенту концентрации влаги (с/n): . Знак минус в правой части этого уравнения показывает, что влага движется от слоя материала с большей к слою с меньшей концентрацией влаги, т.е. в направлении, противоположном градиенту концентрации.

Концентрация влаги С (кг влаги/м ) равна произведению влажности материала w ^c (кг влаги/кг абсолютно сухого материала), на плотность абсолютно сухого материала _c (кг абсолютно сухого материала/м ):

Подставляя значение С и учитывая, что _c постоянная величина, получаем: где D_м - коэффициент влагопроводности.

Коэффициент влагопроводоности является аналогом коэффициента теплопроводности и зависит от формы связи влаги с материалом, его влажности и температуры, т.е. различен на разных стадиях процесса сушки и определяется опытным путем.

Продолжительность процесса сушки. Для первого периода сушки интенсивность испарения влаги m₁ постоянна, поверхность испарения F также постоянна, т.е. , где W₁ - количество удаленной влаги первый период.

Скорость сушки N в первом периоде будет , Для второго периода сушки расчет скорости сушки значительно усложняется вследствие сложной и различной конфигурации кривых скорости сушки. Продолжительность сушки в этот период определяют приближенно с помощью коэффициента скорости сушки K_c . Для расчета K_c пользуются экспериментальной кривой скорости сушки данного материала. Откуда продолжительность второго периода сушки _ будет

Общая продолжительность сушки составляет:

.

Описанный метод расчета продолжительности сушки с использованием коэффициента скорости сушки K_c предложен А.В. Лыковым и используется при расчете процессов сушки.