Масообмін та сушіння

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

1.Основні фізичні властивості вологого газу

Вологе повітря, яке найчастіше використовують як сушильний агент, можна вважати при невеликих тисках і позитивних температурах бінарною сумішшю ідеальних газів: сухого повітря та водяної пари. Відповідно до закону Дальтона тиск ідеальної газової суміші є сумою парціальних тисків її компонентів:

де Р- тиск, при якому знаходиться парогазова суміш; Рc.г,Рп - парціальний тиск сухого газу і водяної пари відповідно.

Абсолютна вологість- це маса водяної пари в одиниці об'єму вологого повітря. Оскільки пара як компонент бінарної газової суміші займає весь обсяг вологого газу, поняття абсолютної вологості збігається з поняттям щільності пари рп (кг/м 3 ) при температуріtі парціальному тискурп.

Відносна вологість(СР) - це відношення кількості парів рідини в газі до максимально можливого при даних температурі і загальному тиску або (що те ж) відношення щільності пари рп при даних умовах до щільності насиченої пари Рн.п при тих ж умовах.

де Gn-маса (масова витрата) пари, кг (кг/с); L маса (масова витрата) абсолютно сухого газу, кг (кг/с).

Питома теплоємністьвологого газу приймається адитивною величиною теплоємностей сухого газу та пари.

Питому ентальпію(Н) парогазової суміші (в Дж/кг) виражають також за правиломадитивності як суму питомих ентальпій сухого газу Нсг та пари НПх.

2.Тверде тіло як об'єкт сушіння

Будь-який матеріал, що висушується, може характеризуватись сорбційною ємністю по волозі, тобто. кількістю вологи, що сорбується одиницею маси продукту при контакті з вологим газом. Вологоємність матеріалів, що висушуються, а також умови сушіння, її інтенсивність і повнота залежать від природи речовини, що висушується, яка визначає вид зв'язку вологи з продуктом. Види зв'язку вологи з матеріалом можна класифікувати за величиною енергії зв'язку.

У порядку зменшення енергії розрізняють такі форми зв'язку вологи з матеріалом, запропоновані П.А. Ребіндером:

у разі хімічного зв'язку волога міцно пов'язана з речовиною у вигляді гідроксильних іонів або молекулярних сполук типу кристалогідратів. Хімічно пов'язана з матеріалом волога може бути видалена в результаті хімічних взаємодій або прожарювання. У процесі сушіння хімічно пов'язана волога не видаляється;

адсорбційний зв'язоквикликається дисперсійними, електростатичними та індукційними силами. Внаслідок енергетичної ненасиченості поверхневих молекул та іонів твердого тіла на його поверхні утворюється мономолекулярний шар адсорбованої вологи. Цей шар найбільше пов'язаний з матеріалом. Наступні (полімолекулярні) шари утримуються менш міцно, а властивості вологи, що формує ці шари, наближаються до властивостей вільної рідини. Енергія зв'язку такого типу може бути розрахована за рівнянням (21.26);

капілярний зв'язокзумовлена адсорбційним зв'язком полімо - лекулярних шарів зі стінками капілярів і нижчим тиском пари над увігнутим меніском у капілярі порівняно з плоскою поверхнею. Зниження тиску пари спостерігаєтьсяякщо діаметр капіляраd^2-10

7 м. Такі розміри капілярів (мікрокапілярів) характерні лише для дуже тонкопористих тіл. У макрокапілярах(d2-10" 7 м) волога практично не пов'язана з матеріалом (крім адсорбційного мономоле - кулярного шару) і називаєтьсявільною.Таку вологу можна видалити механічними способами;

осмотичний зв'язокнайбільш сильно виражена в розчинах. Природа зв'язку виявляється у тому, що тиск пари над розчином менше тиску пари над чистим розчинником;

фізико-механічний зв'язоквизначає вологу, що вільно утримується в обсязі пор тіла. Вона може бути видалена механічними способами, причому процес зневоднення в цьому випадку лімітується гідравлічним опором пір тіла, подібно до опору фільтруючої перегородки і осаду при фільтрації.

Зазначимо, що немає різкої межі між різними формами зв'язку вологи з матеріалом. У міру зникнення однієї форми починає превалювати інша.

За Ликовим, всі тверді вологі матеріали можна розділити на 3 групи: капілярно-пористі; колоїдні; капілярно-пористі колоїдні тіла. Хоча ця класифікація є умовною, вона має велике практичне значення, оскільки виникла при узагальненні результатів дослідження процесу сушіння різних матеріалів.

У капілярно-пористих матеріалах рідина в основному пов'язана капілярними силами. При видаленні вологи ці тіла стають крихкими і у висушеному стані легко перетворюються на порошок. Вони слабко стискаються. Як приклад таких матеріалів можна навести силікагель, гіпс, кераміку, полімерні матеріали типу вінілхлоридних.

Доколоїдних тілвідносяться матеріали, в яких переважає адсорбційно іосмотично пов'язана волога При висушуванні ці тіла значно стискаються, але зберігають еластичність (желатину, розчини полімерів).

Укапілярно-пористих колоїдних тілахрідина має різні форми зв'язку, характерні як для капілярно-пористих, так і для колоїдних тіл. За властивостями ці матеріали займають проміжне положення: стінки капілярів еластичні і при поглинанні вологи набухають, а при висушуванні такі тіла стискуються (глина, торф, деякі полімерні матеріали типу полібутилметакрилату та ін.).

Останнім часом робляться спроби класифікувати вологі матеріали, що висушуються, за розмірами пор. В основі такої класифікації (Б.С. Сажин зі співр.) лежить критичний радіус пір, зменшенню якого відповідають ускладнення внутрішньопористої структури матеріалу та збільшення дифузійного опору руху вологи (у вигляді рідини або пари) до поверхні частинок, а отже, збільшення тривалості сушіння і ускладнення форм зв'язку вологи із матеріалом.

Всі вологі матеріали ділять на 4 групи у порядку зменшення критичного діаметра пір, усередині яких розрізняють підгрупи, що враховують адгезійно-когезійні властивості матеріалу (налипання на металеві поверхні, комкування тощо). До першої групи віднесені матеріали з критичним діаметром пір понад 100 нм. Тривалість сушіння матеріалів цієї групи невелика (наприклад, у виваженому шарі 0,5-3 с). До другої групи входять матеріали з критичним діаметром пор від 100 до 6 нм. Тривалість сушіння матеріалів другої групи значно більша, ніж першої (у зваженому стані-до 30 с). До третьої групи віднесені матеріали з критичним діаметром пір від 6 до 2 нм. Тривалість сушіння таких матеріалів складає хвилини та навіть десятки хвилин.Матеріали четвертої групи, критичний діаметр часу яких менше 2 нм, характеризуються дуже низькою швидкістю сушіння, при цьому тривалість сушіння обчислюється годинами.

газ сушіння масоперенесення вологий

Наголосимо ще раз, що розглядаючи процес сушіння як масообмінний, можна виділити такі завдання:

1)внутрішню задачу,коли дифузійний опір перенесення вологи всередині матеріалу значно перевищує дифузійний опір прикордонного шару при видаленні вологи з поверхні матеріалу газову фазу. Необхідність вирішення такого завдання пов'язана з сушінням матеріалів до низького залишкового вмісту вологи;

2)зовнішнє завдання,якщо опір прикордонного шару з боку газової фази набагато більше внутрішньодифузійного опору. Це завдання, як правило, виникає при видаленні вільної та слабозв'язаної вологи;

3)змішане завдання,коли внутрішньодифузійний опір і опір прикордонного шару можна порівняти за величиною. В цьому випадку при розрахунку сушіння необхідно враховувати вплив зовнішніх та внутрішніх факторів.

Кількісним фактором, що дозволяє визначити завдання перенесення вологи та теплоти, є критерій Біо. При порівняно великих значеннях числа Біо (Bi'^ 20) умови масообміну більшою мірою визначаються властивостями матеріалу (внутрішнє завдання), а вплив зовнішніх факторів на процес незначний, що становить серйозні труднощі для інтенсифікації сушіння. Таке завдання характерне для матеріалів, що мають ультрамікропори, волога в яких переміщається в результаті твердофазної дифузії (гранульовані поліаміди, поліефіри, поліпропілен та ін.).