Сушка влажных материалов: тепломассоперенос¶

Сушка влажных материалов — это технологический процесс удаления влаги (жидкости) из твёрдых, пастообразных или сыпучих материалов путём её испарения и отвода образовавшихся паров, основанный на совместном протекании теплопереноса и массопереноса. Сушка является одним из наиболее энергоёмких и распространённых процессов в химической, пищевой, деревообрабатывающей, фармацевтической и строительной отраслях промышленности.

¶Физическая сущность процесса

Тепломассоперенос при сушке описывается сложным взаимодействием двух сопряжённых процессов: подвода теплоты к влажному материалу и отвода испарённой влаги от его поверхности. Движущей силой процесса является разность температур между теплоносителем и материалом, а также разность парциальных давлений водяного пара у поверхности материала и в окружающей среде.

¶Механизмы переноса

Перенос теплоты к материалу осуществляется тремя основными способами: конвекцией (нагревом потоком горячего воздуха или газа), теплопроводностью (при контактной сушке на нагретых поверхностях) и излучением (инфракрасными лучами). Перенос массы внутри материала происходит за счёт диффузии влаги, капиллярного всасывания и термовлагопроводности — движения влаги под действием градиента температуры.

¶Периоды сушки

Кинетика процесса сушки характеризуется изменением влажности материала во времени и делится на несколько характерных периодов:

• Период прогрева — начальная стадия, на которой материал нагревается до температуры мокрого термометра, скорость сушки быстро возрастает.
• Период постоянной скорости — влага с поверхности испаряется так же быстро, как испарялась бы со свободной поверхности воды; скорость процесса лимитируется внешним тепло- и массообменом.
• Период падающей скорости — наступает после достижения критической влажности, когда влага из глубинных слоёв перестаёт успевать поступать к поверхности; скорость сушки снижается, а температура материала повышается.

¶Виды сушки

Классификация способов сушки проводится по способу подвода теплоты:

• Конвективная сушка — наиболее распространённый вид, при котором теплота передаётся от нагретого газа (воздуха, дымовых газов) непосредственно к материалу. Применяется в барабанных, ленточных, распылительных и пневматических сушилках.
• Контактная (кондуктивная) сушка — теплота передаётся через нагретую поверхность, на которой лежит материал; характерна для вальцовых и гребковых сушилок.
• Радиационная сушка — осуществляется инфракрасными лучами, применяется для тонкослойных материалов (лакокрасочные покрытия, плёнки).
• Сублимационная (лиофильная) сушка — удаление влаги из замороженного материала путём возгонки льда в вакууме, используется для термолабильных продуктов (лекарства, биоматериалы).
• Высокочастотная и СВЧ-сушка — нагрев материала в переменном электромагнитном поле, позволяющий сушить материал «изнутри».

¶Характеристики влажных материалов

Способность материала отдавать влагу определяется формой связи влаги с материалом. Различают химически связанную, адсорбционно-связанную, капиллярную и свободную влагу. Чем прочнее связь влаги с материалом, тем больше энергии требуется для её удаления. Важными технологическими характеристиками являются начальная и конечная влажность, гигроскопическая точка, усадка материала при сушке и допустимая температура нагрева.

¶Оборудование для сушки

Промышленные сушильные установки классифицируются по конструктивным признакам:

• Камерные сушилки — периодического действия, применяются для мелкосерийного производства.
• Туннельные (конвейерные) сушилки — непрерывного действия, материал перемещается на ленте или тележках через зону сушки.
• Барабанные сушилки — вращающийся цилиндр с насадками, используется для сыпучих материалов (песок, удобрения, руда).
• Распылительные сушилки — жидкий продукт распыляется в потоке горячего газа, применяются для получения порошков (молоко, яичный порошок).
• Псевдоожиженный слой (кипящий слой) — частицы материала интенсивно перемешиваются потоком газа, что интенсифицирует теплообмен.

¶Интенсификация процесса

Основными способами повышения эффективности сушки являются: увеличение температуры и скорости теплоносителя, снижение влажности сушильного агента, создание разрежения (вакуумная сушка), применение комбинированных способов подвода теплоты и использование рециркуляции отработанного теплоносителя. Для снижения энергозатрат применяются тепловые насосы, рекуперация теплоты отходящих газов и двухступенчатые схемы сушки.

¶Применение

Сушка используется практически во всех отраслях промышленности: при производстве строительных материалов (цемент, гипс, керамика), в деревообработке (сушка пиломатериалов), пищевой промышленности (сушка овощей, фруктов, зерна, макаронных изделий), химической технологии (сушка катализаторов, полимеров, солей), фармацевтике и сельском хозяйстве (сушка кормов, хранение урожая).