Физико-химические основы процесса сушки хлорида натрия и обоснование оптимального технологического режима

Согласно данным представленным в [8], сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых и пастообразных материалов, а также в ряде случаев и из суспензий. Этот процесс широко используется в химической технологии.

Он часто является последней операцией на производстве. Удаление влаги позволяет удешевить транспортировку материалов, придать им определенные свойства (например, уменьшить слеживаемость материала), уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей их обработке. В химической промышленности в основном применяется искусственная сушка материалов в специальных сушильных установках, так как естественная сушка — процесс довольно длительный.

При конвективном способе сушки тепло процесса передается от газообразного теплоносителя (нагретого воздуха, дымовых газов или их смеси) при непосредственном соприкосновении его с поверхностью высушиваемого материала. Пары влаги уносятся тем же теплоносителем. Механизм процесса конвективной сушки может быть представлен следующим образом.

При непосредственном соприкосновении влажного материала с окружающей средой вследствие разности температур поверхности материала и среды происходит испарение влаги. Одновременно осуществляется перенос массы паров влаги в окружающую среду, обусловленный разностью парциальных давлений паров влаги над влажной поверхностью тела и в окружающей среде.

В результате испарения влаги с поверхности и отвода образовавшихся паров возникает градиент концентрации влаги в материале, являющийся движущейся силой внутреннего перемещения ее из глубинных слоев к поверхности испарения. При сушке процесс передачи вещества из одной фазы в другую (испарение жидкости) сопровождается процессом теплопередачи. При этом температуры фаз не одинаковы. Количество тепла, передаваемого от газообразного сушильного агента жидкости путём конвекции при температуре газа tГ, превышающей температуру материала tМ, составит:

где F — поверхность соприкосновения фаз, — коэффициент теплоотдачи.

Количество испаряющейся жидкости (М) определяется уравнением:

где К — коэффициент массопередачи;

— движущая сила процесса массопередачи.

Количество жидкости М переходит в виде пара в газовую фазу и передает от жидкости к газу тепло, соответствующее теплоте испарения этой жидкости:

(3.3).

где r — теплота испарения, Р* - давление пара над жидкостью при температуре tМ. Т, РП — парциальное давление пара в газовой фазе .

Всего передается тепла от газа к влажному материалу:

Q = Q1 — Q2.

Все это тепло расходуется на нагревание материала. По мере нагревания влажного материала его температура tM и давление пара над ним Р* возрастают. В соответствии с этим Q1 будет уменьшаться, а Q2 увеличиваться. Очевидно, наступит момент, когда Q1 будет равно Q2 и Q = 0, т. е. всё тепло, полученное влажным материалом от газа путем конвекции, будет возвращаться газу в виде теплоты испарения жидкости. После этого дальнейшее нагревание влажного материала станет невозможным и будет происходить испарение влаги при постоянной температуре, а, следовательно, и при постоянном Р*.

Температура, принимаемая влажным материалом при испарении из него жидкости после достижения теплового равновесия (Q = 0), называется температурой мокрого термометра и обозначается tМ.Т. Температура мокрого термометра определяется условием Q1 = Q2 или.

Из этого выражения видно, что сушка облегчается с возрастанием давления пара РМ.Т., которое тем больше, чем выше влажность материала и температура сушки.

Величина РМ.Т. зависит также от характера связи влаги с материалом.

Кривая сушки состоит из двух участков, соответствующих различным ее периодам, которые хорошо видны на графической зависимости скорости сушки от влажности материала представленной на рисунке 2.1.

АВ — период постоянной скорости сушки, ВЕ — период падающей скорости сушки.

Рисунок 2.1 — Кривая скорости сушки Для расчета сушилок необходимо знать скорость сушки, которая определяется количеством влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени. Таким образом, скорость сушки определяется следующей зависимостью:

(3.5).

Зная скорость сушки, определяют продолжительность периодического процесса сушки или поверхность высушиваемого материала при сушке непрерывным способом и устанавливают габаритные размеры сушильных аппаратов. Скорость сушки, как массообменного процесса, определяется из основного уравнения массопередачи, согласно которому:

где — средняя движущая сила процесса. Движущая сила процесса сушки определяется разностью давлений паров влаги у поверхности материала и парциального давления паров в воздухе. Тогда.

Длительность сушки достаточно точно можно установить только опытным путем. Скорость сушки зависит также от направления движения теплоносителя относительно высушиваемого материала.

Рассчитать динамику сушки трудно, так как ее необходимо сначала рассчитать для каждого периода. Очень сложно определить поверхность контакта фаз, поэтому на практике часто ограничиваются статическим расчетом по средним данным, принимая за исходную величину среднее количество влаги, испаряемой в единице объема сушильной камеры, т. е. величину напряжения сушилки по влаге, А в кг/м³с.

Материальный баланс по всему количеству вещества выразится равенством.

G1 = G2 + W, (3.8).

где G1 — количество влажного материала, поступающего в сушилку, кг/с; G2 — количество высушенного материала на выходе из сушилки, кг/с; W — влаги, испаряемой из материала в процессе сушки, кг/с.

Баланс по абсолютно сухому веществу, количество которого не изменяется в процессе сушки, имеет вид:

G1(100 — UН) = G2(100 — К), (3.9).

Отсюда находим:

;, (3.10).

где UН — влажность материала, поступающего в сушилку, в весовых процентах; UК — влажность высушенного материала в весовых процентах.

Подставляя значения GН или GК в уравнение, определяем количество влаги W, подлежащее удалению в процессе сушки, при изменении влажности материала от UН до UК.

;, (3.11).

Для теплового расчета сушилки необходимо знать расход воздуха на сушку, который определяется из баланса влаги. Если на сушку расходуется L кг абсолютно сухого воздуха, причем, влагосодержание воздуха на входе в сушилку хо кг/кг сухого воздуха, а на выходе из сушилки х2 кг/кг сухого воздуха, то с воздухом поступает Lхо кг влаги. Из материала испаряется W кг влаги, с отработанным воздухом уходит Lх2 кг влаги.

Следовательно, баланс влаги в сушилке выражается равенством:

Lх2 = хо + W (3.12).