МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Северский технологический институт – филиал НИЯУ МИФИ
(СТИ НИЯУ МИФИ)
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой МАХАП д-р.техн. наук Ф.В. Макаров «»2012 г.
В.П. Пищулин
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ
Практическое руководство Северск – УДК 66.02;66.067. ББК 35. П Пищулин В.П.П 368 Изучение процесса сушки: практическое руководство/ В.П. Пищулин. – Северск: СТИ НИЯУ МИФИ, 2012. - 25 с.
В руководстве рассмотрены теоретические основы процесса сушки, описание лабораторной установки, методика проведения лабораторной работы и обработки полученных результатов исследования, приведены требования, предъявляемые к отчёту по лабораторной работе, указаны основные опасные моменты, возникающие при выполнении работы.
Руководство предназначено для студентов СТИ специальностей 240801 – «Машины и аппараты химических производств» и 240501 – «Химическая технология материалов современной энергетики», студентов направления «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» профиля подготовки «Машины и аппараты химических технологий», при выполнении лабораторного практикума по курсам «Процессы и аппараты химической технологии», «Технология и оборудование спецпроизводств».
Одобрено на заседании методического семинара кафедры МАХАП (протокол № 10 от «28» июня 2012 г.).
Печатается в соответствии с планом выпуска учебнометодической литературы на 2012 г., утвержденным Ученым Советом СТИ НИЯУ МИФИ.
Рег. № 14/12 от 01.10.2012 г.
Рецензент ОАО «СХК», инженер-технолог С.И. Кривопустов Редактор Р.В. Фирсова Подписано к печати_ Формат 60х84/32.
Гарнитура Times New Roman. Бумага писчая №2.
Плоская печать. Усл. печ. л. 0,72. Уч. изд. л. 1,31.
Тираж 30 экз. Заказ_ Отпечатано в ИПО СТИ НИЯУ МИФИ 636036, Томская обл., г. Северск, пр. Коммунистический, 65.
Содержание Введение……………………………………………………………………. 1 Цель работы………………………………………………………………… 2 Теоретические основы процесса сушки…………………………….…….. 2.1 Виды сушки…………………………………………………………….. 2.2 Связь влаги с материала……………………………………………….. 2.3 Концентрация влаги в материале……………………………………… 2.4 Равновесие при сушке………………………………………………….. 2.5 Баланс влаги в высушиваемом материале…………………………….. 2.6 Кинетика сушки………………………………………………………… 3 Исследование процесса сушки в контактной сушилке…………………… 3.1 Описание лабораторной установки и методика исследования…….... 3.2 Обработка экспериментальных данных и оформление отчета……… 4 Исследование процесса сушки в многофункциональной микроволновой сушилке……………………………………………………. 4.1 Описание лабораторной установки и методика исследований………. 5 Основные опасные моменты…………………………………………. Литература……………………………………….…………………….. Введение Одним из важнейших массообменных (диффузионных) процессов химической технологии является сушка. Сушка широко распространена в производстве полимерных материалов, минеральных удобрений, солей, органических веществ, синтетических красителей, химических волокон, полиуранатов аммония, оксалатов плутония и других соединений в технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов, при переработке отходов различных отраслей промышленности. Во многих технологиях сушка представляет важнейшую технологическую операцию, определяющую не только качество готовой продукции, но и технико-экономические показатели производства в целом.
В данном руководстве к лабораторной работе кратко рассматриваются теоретические основы процесса сушки, методические вопросы выполнения лабораторной работы и обработки результатов исследования зависимости влагосодержания материала от времени и скорости процесса сушки от влагосодержания материала на термовесах в зависимости от метода сушки: контактного и конвективного нагрева, СВЧ и инфракрасного излучения и их комбинациях.
Руководство поможет студентам специальностей 240801 и направления 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» профиля подготовки «Машины и аппараты химических технологий» познакомиться с теоретическими основами процесса сушки и экспериментально установить зависимость влагосодержания материала, его температуры от времени, скорости процесса сушки от влагосодержания материала и периоды процесса сушки для различных методов сушки.
1 Цель работы Целью данной работы является:
– ознакомление с теоретическими основами процесса сушки;
– экспериментальное определение зависимости влагосодержания материала и его температуры от времени процесса контактной конвективной, СВЧ, радиационной сушки с помощью термовесов;
– определение зависимости скорости сушки от влагосодержания материала и установление периодов скорости сушки для различных методов сушки.
2 Теоретические основы процесса сушки 2.1 Виды сушки Сушка – это процесс удаления влаги из твёрдого материала или растворов путём её испарения [1 – 4]. Сушка относится к диффузионным процессам, поскольку сопровождается диффузионными явлениями, как в твёрдой, так и газовой фазе.
Аппараты для осуществления процесса сушки называются сушилками. В связи с тем, что сушка связана с большими затратами энергии и обходится дороже, чем удаление влаги механическим путём, рекомендуется направлять на сушку материалы, в которых количество влаги сведено до минимума отстаиванием, фильтрованием или центрифугированием. После отстаивания суспензий в конических аппаратах сгустителях остаточная влажность шлама сгущенной суспензии составляет от 50 % до 70 %, в отстойниках с гребками остаточная влажность осадка снижается от 30 % до 50 %, в барабанных вакуум-фильтрах от 15 % до 20 %, в фильтрующих центрифугах от 0,5 % до 2,0 %, в отстойных центрифугах от 7 % до 10 %.
При отсутствии надёжного экономичного метода механического обезвоживания некоторых осадков, процесс тепловой сушки ведут непосредственно из растворов или суспензий. По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают конвективную, контактную, терморадиационную, сублимационную, высокочастотную сушку.
При конвективной сушке процессы тепло- и массопередачи осуществляются между высушиваемым материалом и газообразным сушильным агентом (нагретым воздухом, топочными газами, перегретым паром) при их непосредственном соприкосновении. Конвективная сушка – наиболее экономичный и часто применяемый способ сушки в химической промышленности, производится в камерных, туннельных, ленточных, конвейерных, петлевых, шахтных, трубчатых, барабанных вращающихся, шнековых, вибрационных, аэрофонтанных, распылительных, пневматических сушилках и сушилках с псевдоожиженным слоем. На рисунке 1 приведена схема конвективной сушилки.
При контактной (кондуктивной) сушке необходимое для осуществления процесса сушки тепло передаётся от теплоносителя к высушиваемому материалу через стенку сушильной камеры. Для проведения контактной сушки применяются вакуум-сушильные шкафы, гребковые вакуумсушилки, барабанные вращающиеся, шнековые, трубчатые, вальцовые сушилки различных конструктивных модификаций, барабанные формующие сушилки. Контактные сушилки получили широкое распространение в технологии ядерного горючего, поскольку устраняют непосредственный контакт обрабатываемого материала с высушиваемым агентом, загрязнение высушиваемого материала продуктами сгорания, содержащимися в сушильном агенте топочных газов, обеспечивают безопасность условия труда. На рисунке 2 приведена схема контактной сушилки.
При терморадиационной сушке тепло к высушиваемому материалу передаётся излучением от теплоизлучающих металлических или керамических поверхностей – экранов, от электрических ламп. На рисунке 3 приведена схема терморадиационнй сушилки.
При сублимационной сушке влага удаляется в замороженном состоянии под высоким вакуумом (р = 0,05-1,0 мм рт. ст.), а необходимое тепло подводится к материалу через стенку греющей камеры или излучением от нагретых экранов. На рисунке 4 приведена схема сублимационной сушилки.
При высокочастотной и сверхвысокочастотной сушке нагрев материала осуществляется электрическим полем высокой (300-1000 КГц) и сверхвысокой (915, 3000, 9400 МГц) частоты. На рисунке 5 приведена схема высокочастотной сушилки.
2.2 Связь влаги с материалом В процессе сушки происходит удаление влаги из твёрдого материала в результате поверхностного испарения, при этом возникает градиент концентраций влаги в материале, который является движущей силой внутреннего перемещения её из глубинных слоёв материала к поверхности. При этом происходят нарушение связи влаги с твёрдым материалом и соответствующие затраты энергии, поэтому скорость процесса сушки зависит от формы связи влаги с материалом.
П.А. Ребиндер разработал классификацию формы связи влаги с дисперсными системами, основанную на величине энергии связи, то есть на величине работы, совершаемой при отрыве 1 моля воды от вещества постоянного состава при изотермическом обратимом процессе. Различают химическую; физико-химическую, включающую адсорбционную и осмотическую связь; физико-механическую, включающую капиллярную влагу разных видов формы связи.
Химически связанная влага находится в строго определённых молекулярных соотношениях и представляет собой воду гидрата, прочно связанную с веществом в виде гидроксильных ионов (ионная связь), и воду молекулярных соединений типа кристаллогидратов (молекулярная связь), например, UO 2 (OH) 2 H 2 O; CaSO 4 2H 2 O; CaSO 4 0,5H 2 O; CuSO 4 5H 2 O;
Энергия связи химически связанной воды достигает больших значений, например для CuSO 4 H 2 O – А = 2,74 кДж/моль.
Химически связанная влага, как правило, в процессе сушки не удаляется, а может быть выделена при химическом взаимодействии с определённым веществом или прокаливанием.
Адсорбционно связанная влага образуется при адсорбции молекул пара из окружающей среды под действием молекулярного силового поля на внешней и внутренней поверхности вещества в виде моно- или полимолекулярного слоя.
Осмотически связанная влага или влага набухания находится внутри клеток и удерживается осмотическими силами.
Энергия физико-химической (адсорбционно связанной и осмотически связанной) влаги является энергией связи средней и слабой интенсивности соответственно.
Физико-механически связанная влага представляет собой влагу, находящуюся в порах и капиллярах материала, и влагу смачивания. Связь капиллярной влаги с материалом обусловлена адсорбционной связью полимолекулярного слоя вблизи стенок капилляра и понижением давления пара над вогнутым мениском в капилляре и повышением давления пара над выпуклым мениском и над каплей по сравнению с плоской поверхностью жидкости. Понижение или повышение давления пара заметно только в случае, если радиус капилляра или капли менее 10-7 м. В макрокапиллярах, радиус которых больше 10-7 м, давление пара над мениском практически равно давлению его над плоской поверхностью жидкости. Влага макрокапилляров макропор не имеет связи с материалом и называется свободной механически захваченной влагой.
2.3 Концентрация влаги в материале Содержание жидкости во влажном материале характеризуется его влажностью и влагосодержанием.
Влажность выражается отношением массы влаги к массе влажного материала w, кг/кг где W – количество влаги в материале, кг;
G – количество влажного материала, кг, а влагосодержание w, кг/кг, выражается отношением массы влаги к массе сухого материала где G с – количество сухого материала, кг, 2.4 Равновесие при сушке При контакте с влажным воздухом наблюдаются два процесса:
- если парциальное давление пара над поверхностью материала (р) превышает парциальное давление пара в окружающей материал газообразной среде (р) то происходит процесс сушки – десорбции влаги из материала. При этом разность парциальных давлений будет движущей силой процесса;
- если парциальное давление над поверхностью материала (р) меньше парциального давления пара в окружающем материале газообразной среде (р) то наблюдается обратный процесс увлажнения материала – сорбция влаги материалом.
В процессе сушки парциальное давление над поверхностью материала (р ) уменьшается и приближается к парциальному давлению пара в окружающей среде (р), достигая в пределе при термодинамическом равновесии равенства Влажность w р или влагосодержание w ср, отвечающие этому парциальному давлению, называются равновесными.
Равновесная влажность и влагосодержание материала зависит от парциального давления пара над материалом (р) или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха () и определяется опытным путём.
показанные на рисунке 6, устанавливаются при постоянной температуре и называются изотермами. Кривая 1 на рисунке 6 получена при испарении (десорбции) влаги из материала, то есть при сушке и называется изотермой десорбции. Вышерасположенная кривая 2, полученная при обратном процессе – увлажнении высушиваемого материала, называется изотермой сорбции.
Рисунок 6 – Зависимость между равновесной влажностью материала и Расхождение кривых 1 и 2 – гистерезис, указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности величина относительной влажности () при увлажнении материала должна быть больше, чем при сушке, что, вероятно, связано с попаданием воздуха в капилляры высушенного материала, его сорбцией стенками капилляров. В результате при последующем увлажнении материала уменьшается его смачиваемость и для вытеснения воздуха из капилляров требуется большее парциальное давление пара или большая относительная влажность.
Рассмотрим изменения влагосодержания материала и его состояние в процессе сушки, показанные рисунке 7, можно отметить, что при изменении влагосодержания от начального w сн до гигроскопического w сг материал содержит свободную влагу и находится во влажном состоянии, при этом в газовой фазе где р нас – давление насыщенного пара воды над её свободной поверхностью.
При изменении влагосодержания от w сг до конечного влагосодержания w ск материал содержит связанную влагу и находится в гигроскопическом состоянии, при этом в газовой фазе р < р нас, < 100%. Точка А называется гигроскопической, а соответствующее влагосодержание w сг – гигроскопическим.
Рисунок 7 – Изменение влагосодержания материала и его Гигроскопическое влагосодержание w сг находится на границе свободной и связанной влаги в материале. Удаление свободной влаги наблюдается при любой относительной влажности окружающей среды менее 100 % ( < 100 %). Удаление связанной влаги возможно лишь при той относительной влажности газовой фазы, которой соответствует влагосодержание материала, больше равновесного. На рисунке 2 вся область, где материал может сушиться, заштрихована. При гигроскопическом состоянии материала, отвечающем области над кривой равновесного влагосодержания, возможно только увлажнение материала.
2.5 Баланс влаги в высушиваемом материале Рассмотрим процесс сушки на примере контактной сушки влажного материала в барабанной вращающейся печи, показанной на рисунке 8.
G н количество влажного материала, поступающего на сушку, кг/с;
W н количество влаги, поступающей с влажным материалом, кг/с;
w н влажность поступающего на сушку материал, кг/кг;
w сн влагосодержание поступающего на сушку материала, кг/кг;
G с количество сухого материала, кг/с;
G к количество высушенного материала, кг/с;
W к количество влаги в высушенном материале, кг/с;
w к влажность высушенного материала, кг/кг;
w ск влагосодержание высушенного материала, кг/кг;
W количество удаляемой в процессе сушки влаги, кг/с.
Материальный баланс процесса по потокам можно представить равенством или а материальный баланс по влаге:
Отсюда Материальный баланс любого процесса, в данном случае процесса сушки, выражается в виде таблицы материального баланса процесса или в виде диаграммы.
Чаще всего материальный баланс приводится в виде таблицы 1 материального баланса.
Таблица 1 – Материальный баланс процесса сушки материала Статьи прихода 2.6 Кинетика сушки Кинетика сушки устанавливает связь между изменением влажности или влагосодержания материала во времени и параметрами процесса.
Уравнения кинетики используются для определения продолжительности и режима сушки.
Процесс сушки протекает со скоростью, зависящей от формы связи влаги с материалом и механизма перемещения в нём влаги.
В общем случае зависимость между влагосодержанием материала (w с ) и времени () изображается кривой сушки, которую строят по экспериментальным данным, как показано на рисунке 9.
Влагосодержание материала, w с Скорость процесса сушки U определяется уменьшением влагосодержания материала dw c за бесконечно малый промежуток времени d Скорость сушки может быть определена с помощью кривой сушки путём графического дифференцирования. Для материала определённого влагосодержания скорость сушки выражается тангенсом угла наклона касательной, проведённой к точке кривой, отвечающей влагосодержанию материала.
Данные о скорости сушки, полученные с помощью кривых сушки, изображаются в виде кривых скорости сушки, как показано на рисунке 10.
Процесс сушки протекает следующим образом.
В начале процесса происходит нагрев материал, в течение которого влагосодержание снижается незначительно от начального влагосодержания w сн до влагосодержания прогретого материала w сп, кривая АВ (см. рисунки 9, 10). В конце этого промежутка времени устанавливается постоянная температура поверхности и наступает первый период сушки – период постоянной скорости сушки, – при этом температура поверхности материала остаётся постоянной на протяжении этого периода, упругость водяных паров при температуре поверхности, разность упругостей водяного пара у поверхности материала и в окружающем воздухе постоянны, вследствие чего скорость внешней диффузии тоже постоянна, а влагосодержание интенсивно уменьшается по прямолинейному закону, кривая ВС (см. рисунки 9, 10). За этот промежуток времени в большинстве случае удаляется до 90 % влаги, при этом скорость сушки не зависит ни от толщины слоя материала, ни от его начального влагосодержания, а только от температурного режима сушки и интенсивности подвода тепла. Скорость внутренней диффузии велика по сравнению со скоростью внешней диффузии, и изнутри материала к его поверхности поступает достаточное количество влаги. Поэтому сушка в период постоянной скорости целиком обуславливается скоростью испарения влаги со свободной поверхности высушиваемого материала, так она испаряется с открытой поверхности воды. То есть в первый период происходит удаление свободной влаги, а внутри материала влаги – капиллярная и осмотически связанная влага перемещается в виде жидкости.
Скорость сушки, U Кинетический закон для первого периода выражается уравнением где W количество удаляемой в процессе сушки влаги, кг;
х коэффициент массоотдачи кг/(м2 с кг/кг);
р коэффициент массоотдачи кг/(м2 с Па);
F поверхность фазового контакта, м2;
хнас влагосодержание насыщенного воздуха в условиях сушки, кг/кг х действительное (рабочее) влагосодержание воздуха, кг/кг сухого Рнас парциальное давление водяного пара в насыщенном в условиях р действительное парциальное давление водяного пара в воздухе, Уменьшение влагосодержания в первом периоде продолжается до достижения первого критического влагосодержания w скр1 (точка С, см. рисунки 9, 10) после чего начинается второй период сушки – период падающей скорости сушки. В этом периоде уменьшение влагосодержания материала изображается кривой СЕ, которая в общем случае состоит из двух участков различной кривизны (отрезки СD и DЕ, см. рисунок 9). В точке С влагосодержание материала соответствует гигроскопической w сг, ( точка А, см. рисунок 7). С этого момента начинается удаление связанной влаги, при этом поверхность материала подсыхает и начинается неравномерная усадка материала. На стадии равномерно падающей скорости (кривая СD) наблюдаются местные углубления поверхности испарения и начинается испарение влаги внутри материала, при этом капиллярная влага и некоторая часть адсорбционно связанной влаги перемещаются внутри материала уже в виде пара. В дальнейшем поверхностный слой материала постепенно полностью высыхает и в точке D при втором критическом влагосодержании w скр2 достигает равновесного значения влагосодержания на поверхности материала – внутри материала влагосодержание превышает равновесное значение. Начиная с этого момента и вплоть до установления равновесного влагосодержания материала по всей толщине материала (точка Е), скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности, при этом вследствие уменьшения интенсивности испарения влаги, уменьшается расход тепла на испарение влаги, что приводит к повышению температуры материала. При достижении равновесного влагосодержания материала скорость сушки равна нулю, и удаление влаги из материала прекращается. Обычно сушку прекращают при достижении некоторого конечного влагосодержания wск (точка F).
Кинетический закон для второго периода выражается уравнением где k w коэффициент скорости сушки, кг/(м2 с кг/кг);
w с влагосодержание материала, кг/кг;
равновесное влагосодержание материала, кг/кг.
3 Исследование процесса сушки в контактной сушилке 3.1 Описание лабораторной установки и методика исследования Электрическая принципиальная схема лабораторной установки для контактной сушки представлена на рисунке 11.
«