Технологическая часть. 
Проект сушильной установки для сушки хлорида калия

Сущность и назначение процесса

Сушка — удаление жидкости (чаще всего влаги-воды, реже иных жидкостей, напр. летучих орг. растворителей) из веществ и материалов тепловыми способами. Осуществляется путем испарения жидкости и отвода образовавшихся паров при подводе к высушиваемому материалу теплоты, чаще всего с помощью т. наз. сушильных агентов (нагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар). Сушке подвергают влажные тела: твердые-коллоидные, зернистые, порошкообразные, кусковые, гранулированные, листовые, тканые и др.; пастообразные; жидкие-суспензии, эмульсии, растворы. 4].

Цель сушки, широко применяемой в производствах химико-лесного комплекса, сельском хозяйстве, пищевой, строительных материалов, кожевенной, легкой и других отраслях народного хозяйства, — улучшение качества веществ и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является последней технологической операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми механическими способами, окончательно-тепловыми. 4].

Естественную сушку на открытом воздухе из-за значительной продолжительности используют крайне редко и главным образом в районах с теплым климатом. В химических производствах применяют, как правило, искусственную сушку, проводимую в специальных сушильных установках, в состав которых входят: сушильный аппарат, или сушилка, где непосредственно протекает процесс; вспомогательное оборудование — теплообменные аппараты (калориферы), тягодутьевое устройство (вентилятор, воздуходувка) и система пылеочистки соответственно для нагревания сушильного агента, пропускания его через сушилку и отделения от высушенного продукта. Механизм и скорость сушки в значительной степени зависят от формы связи с материалом: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. 4].

Различают следующие формы связи влаги с материалом:

• 1. Химически связанная влага (гидратная или кристаллизационная влага). Соединена с материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не удаляется
• 2. Физико-химическая (адсорбционная и осмотическая влага). Адсорбционная влага прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде моно слоя или несколько слоев. Осмотическая влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке.
• 3. Механическая (влага смачивания). Заполняет макропоры, наименее прочносвязана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически

Под интенсивностью сушки понимают ее скорость, которая по мере приближения к состоянию равновесия уменьшается. Скорость процесса является функцией ряда факторов, и в первую очередь внутренней структуры материала и его теплофизических свойств, размеров, формы и состояния внешней поверхности.

Существуют следующие виды сушки:

• · конвективную сушку, проводимую путем непосредственного контакта материала и сушильного агента. Подвод теплоты осуществляется газовой фазой (воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива), которая в процессе сушки охлаждается с увеличением своего влагосодержания;
• · контактную сушку, которая реализуется путем передачи теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;
• · радиационную сушку — путем передачи теплоты инфракрасным излучением;
• · сублимационную сушку, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме);
• · диэлектрическую сушку, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты. 4]

При контакте материала с влажным воздухом возможны два процесса:

• а) если парциальное давление пара над поверхностью материала Р_М, превышает его парциальное давление в воздухе или газе Р_П, т. е. Р_М>Р_П, то происходит высушивание влажного материала;
• б) если Р_М<�Р_П, то происходит адсорбция влаги из сушильного агента и увлажнение твёрдого материала. В процессе сушки величина Р_М уменьшается и приближается к пределу Р_М=Р_П. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной. Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом Р_М или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха ?, и определяется опытным путем. Поэтому с помощью такого сушильного агента, как воздух (с определенной относительной влажностью), из материала невозможно удалить всю влагу. 5]

Различают свободную и связанную влагу в материале. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности (Р_М=Р_Н), где Р_Н — давление насыщенного водяного пара. Скорость испарения связанной влаги из материала всегда меньше скорости испарения воды со свободной поверхности. При этом Р_М<�Р_Н. 5].

Для характеристики содержания влаги в материале используются понятия: w — влажность материала, как содержание влаги выраженное в процентах от массы влажного материала:

(1).

где m_вл — масса воды, кг;

m — общая масса материала, кг.

При конвективной сушке влажных материалов влага перемещается в материале по направлению от центра кусков материала к периферии, где материал омывается сушильным агентом. Это в основном диффузионный процесс, движущей силой которого является разность между концентрациями влаги в различных точках материала. Однако он усложняется тепловым воздействием на материал. 5].

Количество влаги m_W, прошедшей через поверхность F за время ф при градиенте концентрации dc/dx:

m_WK_W (2).

где K_W — коэффициент, зависящий от характера связи влаги с материалом и от его характеристик.

В материале влага может перемещаться в виде жидкости и в виде пара.

При большой влажности материала преобладает миграция влаги в виде жидкости.

Перемещение влаги внутри продукта происходит также под действием температурного градиента и имеет направление теплового потока, при этом проявляется действие термовлагопроводности. Например, если нагрев продукта осуществляется с его поверхности, то влага под действием температурного градиента перемещается от периферии к центру.

Количество влаги, которое перемещается под действием температурного градиента dt/dx:

(3).

где K_t — коэффициент, аналогичный K_W.

Таким образом, суммарное количество перемещаемой влаги при наличии разности её концентраций и температурного градиента будет равно:

(4).

где m — общее количество диффундируемой влаги, кг.

Для того чтобы уменьшить эффект термовлагопроводности, продукт при сушке необходимо по возможности измельчать. Сушка материала состоит из трех этапов:

• 1. перемещения влаги внутри высушиваемого материала по направлению к его поверхности;
• 2. парообразования;
• 3. перемещения пара от поверхности материала в окружающий воздух. 5]

Движущей силой диффузии влаги из поверхностной пленки в окружающую среду является разность парциальных давлений водяного пара:

(5).

где P_Н — парциальное давление насыщенного пара в пограничном паровом слое;

P_В — парциальное давление водяного пара в окружающей среде.

Количество продиффундировавшего пара:

(6).

где В — коэффициент испарения;

F — площадь поверхности испарения.

Количество влаги, прошедшее через пограничный слой в окружающую среду, должно быть равно количеству влаги, подведённой к нему из материала.

Скорость сушки может лимитироваться этими обоими процессами и зависит от свойств материала и режима сушки. Наблюдая за изменением массы материала в процессе сушки, строят кривую сушки (рис.1) в координатах: влажность материала в массовых процентах (w) — время в минутах или часах (ф). В начале сушки в течение небольшого промежутка времени линия сушки имеет вид кривой прогрева материала (отрезок АВ). Затем начинается первый период постоянной скорости сушки. В этот период линия сушки имеет вид прямой. Температура материала в этот период принимает значение, равное температуре мокрого термометра t_м (отрезок ВС). В первый период сушки происходит удаление свободной влаги. Когда свободная влага полностью удалена, наступает второй период — период удаления связанной влаги.

В точке С, соответствующей определенной влажности материала, характер линии сушки изменяется. Она становится кривой, асимптотически приближающейся к значению Wр — равновесной влажности при заданных условиях сушки. Во втором периоде скорость сушки непрерывно уменьшается. Форма линии сушки зависит от вида связи влаги с материалом и его структуры, т. е. от условий перемещения влаги внутри продукта. При достижении равновесной влажности прекращается удаление влаги из материала. Температура материала равна температуре окружающего его теплоносителя (точка Е). Однако для достижения равновесной влажности требуется значительное время. 5].

Рис. 1. Кривая сушки

В первый период сушки удаляется свободная влага, испарение которой можно рассматривать как испарение воды со свободной поверхности. При уменьшении влажности материала вплоть до первой критической точки парциальное давление пара в поверхностной пленке не изменяется. Поэтому движущей силой процесса в первый период сушки будет разность парциальных давлений насыщенного пара в пограничном паровом слое P_Н и окружающей среде P_В, т. е. (Р_Н-Р_В) тогда скорость сушки выражается уравнением:

(7).

Таким образом, в первый период скорость сушки, отнесенная к единице поверхности, зависит от (Р_Н-Р_В), плотности сушильного агента с и его скорости Vв. Следовательно, в первый период определяющими факторами являются параметры сушильного агента. Скорость диффузии влаги внутри материала не определяет интенсивности испарения.

Во втором периоде сушки кинетические закономерности более сложные, что видно из кривых скорости сушки. В этом периоде начинает удаляться связанная вода. При этом парциальное давление водяных паров на поверхности материала становится меньше давления паров чистой воды при той же температуре. В этот период давление водяного пара является функцией температуры материала и его влажности на поверхности. Последняя же зависит от скорости перемещения влаги в материале. Значит, скорость сушки в этот период зависит не только от диффузии влаги в окружающий воздух, но также от влагопроводности материала. Таким образом, во втором периоде скорость сушки определяется явлениями, связанными с перемещением влаги внутри материала. Допустим, что во втором периоде сушки движущей силой является разность между влажностью материала w и равновесной влажностью w_P. Тогда скорость сушки во втором периоде выразится следующим образом:

(8).

где К — коэффициент сушки, характеризующий интенсивность влагообмена.

(9).

где R — определяющий геометрический размер высушиваемого тела; для пластины R равен Ѕ ее толщины;

в — коэффициент внешнего влагообмена, м/ч;

а_m — коэффициент потенциалопроводности массопереноса, м²/ч.

Коэффициент а_m аналогичен коэффициенту температуропроводности, зависит в основном от формы связи влаги с материалом, его температуры и определяет внутренний перенос влаги. 5].