1.1 Процесс сушки (некоторые основные понятия).

Сушка это процесс, имеющий большое значение в промышленности, во всех ее отраслях, в частности и в целлюлозно-бумажной промышленности. В свою очередь сушка является достаточно энергоемким процессом, что в условиях современных требований к экономии энергии заставляет задумываться о качественном улучшении систем управления данным процессом.

Сушка - это процесс, в котором свободная и/или связанная летучая жидкость удаляется из твердого вещества посредством испарения.

негигроскопичные капиллярно-пористые материалы, такие как песок, измельченные минералы,

негигроскопичные кристаллы, полимерные частицы, и некоторая керамика;

гигроскопичные пористые материалы, такие как глина, дерево и текстиль;

коллоиды (непористые материалы), такие как мыло, клей, нейлон и различные пищевые продукты, главной особенностью которых является то, что вся жидкость физически связана и пор нет, т. е. испарение может иметь место только с поверхности.

Нас интересует первая из трех категорий, т. е. твердые вещества определяются в дальнейшем как негигроскопичные капиллярно-пористые вещества, имеющие следующие особенности:

В них имеются хорошо выраженные поры, которые заполнены жидкостью, если твердое вещество полностью насыщено влагой, и воздухом, если твердое вещество полностью высушено.

Количество физически связанной жидкости

незначительно, что означает, что вещество

негигроскопично.

Вещество не сжимается во время сушки. Процесс сушки отличается от процесса полного испарения тем, что жидкость, которая должна быть выпарена, распределяется и содержится в материале [3] . Это приводит к рассмотрению одновременно двух процессов: 1.

Передача энергии (в основном в виде тепла) из окружающей материал среды с целью выпаривания поверхностной влаги. 2.

Перераспределение внутренней влаги на поверхность материала и ее последовательное испарение благодаря первому процессу.

На завершение сушки влияет продолжительность обоих процессов. Передача тепловой энергии жидкости, содержащейся в материале, происходит за счет конвекции, проводимости или радиации и в некоторых случаях как результат совместного действия этих факторов. В большинстве случаев тепло передается на поверхность влажного материала, а оттуда во внутреннюю часть.

Первый процесс - удаление воды в виде пара с поверхности материала - зависит от внешних условий: температуры, влажности и скорости воздуха, площади сушащейся поверхности и давления. Внешние условия сушки особенно важны на начальных стадиях сушки, когда удаляется освобожденная (или избыточная) влага с поверхности. Во многих случаях, например, в таких материалах как керамика или дерево, в которых наблюдается значительная усадка, излишнее поверхностное испарение после начального высвобождения влаги приведет к установлению высоких градиентов влажности из внутренних областей на поверхность. Это, вероятно, вызывает пересушивание и излишнюю усадку и соответственно высокие напряжения внутри материала, результатом чего является появление трещин и искривление: В этих случаях поверхностное испарение должно быть замедлено использованием воздуха с высокой относительной влажностью, при этом будет поддерживаться наибольшая постоянная скорость движения внутренней влаги при тепловой передаче.

Поверхностное испарение контролируется диффузией пара с поверхности материала в окружающую атмосферу через тонкий слой воздуха, контактирующий с поверхностью. Поскольку сушка включает в себя фазу передачи массы, когда газ вступает в контакт с жидкостью, в которой он по существу нерастворим, необходимо рассматривать равновесные характеристики влажного материала.

Второй процесс - движение влаги из внутренней части материала является функцией физической природы вещества, температуры и количества влаги в материале.

В результате передачи тепла влажному материалу, внутри вещества развивается температурный градиент, в то время как влага испарятся с поверхности.

появляющиеся в результате усадки во время сушки, и, наконец, в случае непрямой (за счет проводимости) сушки через повторяющиеся испарение и реконденсацию влаги на обогреваемую поверхность. Определение этого внутреннего движения влаги важно, когда оно является контролирующим фактором, появляющимся после критического содержания влаги в процессе сушки и необходимым для снижения конечного содержания влаги. Переменные, такие как качество воздуха, которое увеличивает скорость поверхностного испарения, становятся действительно важными кроме повышения скоростей тепловой передачи. Становятся необходимыми более длительное время и, где возможно, более высокие температуры. В этом случае можно будет даже при сушке керамики и дерева не вызывать очень высоких градиентов влажности замедлением поверхностного испарения использованием воздуха с высокой относительной влажностью. Температурный градиент, установившийся в материале, будет также создавать градиент парового давления, который превратится в результате в диффузию пара на поверхность, что будет происходить одновременно с движением жидкости.

В процессе сушки любой из описанных выше процессов (1 и 2), может быть ограничивающим фактором в управлении скоростью сушки, хотя они оба одновременно имеют место в цикле.

Скорость сушки зависит, среди ряда других факторов, например, от того, насколько эффективно может предаваться энергия жидкости, чтобы вызвать испарение [2] . Если материал может переносить высокие температуры, можно использовать инертный газ, например, воздух. Чем выше температура инертного газа, тем выше будет скорость сушки. Однако если материал не может переносить высокие температуры, можно либо использовать инертный газ при низких температурах, что увеличивает время сушки, либо уменьшать давление с тем чтобы испарение наступало быстрее при низких температурах.

Хотя удаление влаги с поверхности твердого вещества посредством испарения в окружающую среду является неотъемлемой частью процесса сушки, знание того, что происходит во время сушки внутри вещества (т.

По теории диффузии предполагается, что влага движется через материал в виде жидкости в результате разницы концентраций влаги внутри вещества, в то время как в соответствии с капиллярной теорией, только жидкость присутствует в капиллярах твердого веществ и движение этой жидкости через промежутки и по поверхности обусловлено твердожидкостным молекулярным притяжением. По теории испарения и конденсации предполагается, что движение жидкости внутри вещества происходит исключительно в газообразном состоянии.

Несмотря на то, что для различных веществ и для различных условий сушки было предложено большое количество различных теорий, описывающих явление сушки, их применимость к реальным проблемам ничтожна в связи с тем, что явление это комплексное, и в связи с недостатком экспериментальных исследований, которые могут доказать уместность этих теорий в промышленных установках. Все еще существует большой разрыв между теорией и практикой.

В связи со сложностью теоретических моделей, описывающих явление сушки, при конструировании промышленных установок по сушке в основном базируются на исследованиях внешних условий сушки. Явление сушки может быть описано кривой, которая представляет содержание влаги в материале или скорость сушки как функцию времени.

Рисунок 1.1. Типичная кривая сушки [9]. Начальный

Рисунок 1.2. Типичная кривая скорости сушки [9]

В соответствии с рисунками 1.1 и 1.2 процесс сушки может быть разделен на три части: начальный период сушки, период сушки с постоянной скоростью и период снижения скорости сушки, зависящие от характеристик твердого материала. Кривая А - В иллюстрирует изменение влажности в материале во время начального периода сушки. В течение этого периода температура твердого материала и его влажной поверхности ниже, чем температура сушки, в результате скорость сушки в области А - В будет возрастать до тех пор, пока температура поверхности твердого материала не достигнет температуры, соответствующей линии В - С. Если температура влажного материала выше, чем температура сушки, начальный период будет соответствовать линии а' - В. Начальный период обычно очень короток и поэтому чаще

17 всего им пренебрегают. Скорость сушки за период В - С постоянна и равна наклонному участку В - С кривой влажности. Содержание влаги в точке перехода от периода постоянной скорости к периоду падения скорости называется критическим содержанием влаги Хп„ . В этой

сл

критической точке содержание влаги в материале линейно снижается и прямая линия становится кривой, которая асимптотически приближается к равновесному содержанию

влаги в материале X .

щ

Как было отмечено выше, процесс сушки зависит от внешних условий, таких как температура, скорость и влажность сушащего воздуха, а также от механизма сушки внутри твердого материала. В течение постоянного периода сушки играют роль внешние условия, тогда как в течение периода падения скорости сушки доминирует внутренний механизм отдачи влаги. Форма кривой сушки зависит от материала, который требуется высушить. То каким образом будет происходить процесс сушки чаще всего определяется экспериментально. Для этого используются различные печи, в которых условия сушки должны быть максимально, насколько возможно, приближены к реальным.

Таким образом, сушка это без сомнения один из

старейших и один из наиболее важных процессов в

промышленности. Это очень сложный и трудный для

понимания процесс, несмотря на то, что исследования по

нему ведутся уже не один десяток лет. В промышленности

существует более чем две сотни вариантов сушащих

установок, в которых можно обнаружить зависимости

18

параметров от сушащегося материала и условий сушки. Это означает, что существует большое количество экспериментальных данных. В данной работе процесс сушки исследуется только для сушильных установок барабанного типа с сонаправленным движением воздуха и сушащегося материала, использующихся для сушки негигроскопичных капиллярно-пористых материалов.