Глава 07. Кинетика сушки [1, 5]

Кинетика сушки характеризуется изменением средних влагосодержаний материала и температур. При этом скорость сушки dw⁰ /dt сущест­венно зависит не только от внутренней структуры материала, его теплофизических свойств, размеров, формы и состояния внешней поверхности, но и от параметров сушильного агента - его температуры, относительной влажности, скорости движения относительно материала.

Если рассмотреть упрощенную математическую модель сушки ма­лой сферической частицы, предполагая, что процесс сушки лимитируется подводом теплоты и что вся теплота, подводимая к ней, идет на испарение влаги, то можно составить следующий тепловой баланс [1]:

где а - коэффициент теплоотдачи от газа к частице материала; d - диаметр, частицы; t, 0 - температуры соответственно сушильного агента и материа­ла; р_м - плотность материала; r_n - теплота парообразования.

Отсюда [1] 

Таким образом, скорость сушки возрастает с уменьшением размера частицы высушиваемого материала, увеличением температуры газа и ко­эффициента теплоотдачи, который в свою очередь является функцией мно­гих параметров.

При изучении процесса сушки следует исходить либо из анализа внутреннего механизма движения потока влаги, либо из воздействия внешних условий (как правило, параметров сушильного агента) на ско­рость сушки материалов. При этом первое направление требует фундамен­тального изучения механизмов возникновения потоков влаги внутри мате­риала. Их может быть несколько: 1) диффузия в сплошном гомогенном твердом теле; 2) капиллярный поток в зернистых и пористых твердых ма­териалах; 3) поток, вызванный уменьшением объема и давления; 4) поток, вызванный силой тяжести; 5) поток из-за последовательной смены процес­сов испарения - конденсации.

В процессе сушки в каждый данный момент времени преобладает один из механизмов перемещения влаги, причем в разные периоды процесса механизм изменяется. Все эти процессы чрезвычайно сложны и еще недос­таточно изучены, поэтому для решения технических проблем это направле­ние, несмотря на его безусловную перспективность, используют редко [1].

Второе направление, основанное на учете влияния внешних воздей­ствий на скорость сушки, используется чаще, так как его результатами можно с высокой степенью надежности воспользоваться при расчете и проектировании сушильного оборудования.

Подразумевая под сушкой процесс массообмена с твердой фазой, концентрация влаги в которой больше равновесной, можно констатиро­вать, что испаряющаяся влага в соответствии с законами равновесия пере­мещается из твердой фазы в газовую. В начальный момент времени влаго- содержание постоянно во всем объеме, а в дальнейшем, вследствие испа­рения, влагосодержание материала у поверхности понижается, т. е. в теле возникают градиенты влагосодержания. Под их действием влага переме­щается от центра тела к поверхности, испаряется и в виде пара диффунди­рует в ядро газовой фазы [1].

А.В. Лыковым предложена теория, которая получила название уг­лубления зоны испарения. Согласно этой теории в процессе сушки во влажном теле образуются зона испарения и влажная зона, которые изме­няются во времени. Испарение происходит не только на поверхности, но и но всей толщине поверхностного слоя. Наибольшее количество жидкости испаряется на поверхности влажной зоны, а по мере приближения к по­верхности тела испарение постоянно уменьшается. Причем в зоне испаре­ния преобладает адсорбционная влага, а во влажной - капиллярная (испа­рение здесь происходит с поверхности менисков). Полагают, что на грани­це влажной зоны и зоны испарения газ полностью насыщен (ф = 100 %), а в юне испарения влажный газ находится в равновесии с влагой материала; таким образом, можно связать влагосодержания материала и газа законом равновесия и выражать движущую силу сушки через газовую фазу.

В процессе сушки влагосодержание в каждой точке влажного тела стремится к равновесному состоянию (по отношению к окружающей газо­вой среде).

При этом считают, что в начальный момент времени влагосодержа­ние всех точек тела одинаково. Изменение во времени среднего по объему влагосодержания тела w⁰ =w⁰ (т) представляет собой кривую сушки [1].