главная > справочник > химическая энциклопедия:

Сушка

Сушка, удаление жидкости (чаще всего влаги - воды, реже иных жидкостей, например летучих органических 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 так называемых сушильных агентов (нагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар). С. подвергают влажные тела: твердые-коллоидные, зернистые, порошкообразные, кусковые, гранулированные, листовые, тканые и другие (эта группа высушиваемых материалов наиболее распространена); пастообразные; жидкие-суспензии, эмульсии, растворы; о С. газов и газовых смесей см. Газов осушка.

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.

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), тяго-дутьевое устройство (вентилятор, воздуходувка) и система пылеочистки соответственно для нагревания сушильного агента, пропускания его через сушилку и отделения от высушенного продукта.

По способу подвода теплоты к влажному телу различают следующие виды сушки: конвективную (в потоке нагретого сушильного агента, выполняющего одновременно функции теплоносителя и влагоносителя- транспортирующей среды, в которую переходит удаляемая влага, и в ряде случаев способствующего созданию необходимой гидродинамической обстановки); контактную (при соприкосновении тела с нагретой поверхностью); диэлектрическую (токами высокой частоты); сублимационную (вымораживанием в вакууме; см. также Сублимация); радиационную (ИК излучением); акустическую (с помощью ультразвука). В народном хозяйстве используют преимущественно первые два вида, в химических производствах-конвективную. Остальные виды применяют весьма редко и называют обычно специальными видами сушки.

При любом виде сушки ее влажный объект находится в контакте с влажным газом (в основном с воздухом). Поэтому знание их параметров необходимо при описании процессов сушки и их расчетах. Основные параметры: влажного тела - влагосодержание и (отношение массы влаги к массе абсолютно сухой части); влажного газа - температура t, влагосодержание x (отношение массы паров к массе абсолютно сухой части), относительная влажность f (отношение массы пара в данном объеме к массе насыщенного пара в том же объеме при одинаковых условиях), удельная энтальпия I, равная сумме удельных энтальпий абсолютно сухой части и паров, росы точка, температура мокрого термометра (температура адиабатического насыщения).

Статика сушки Под cтатикой сушки обычно понимают, состояние термодинамического равновесия в системе влажное тело-газ, а также материальный и тепловой балансы сушилок в установившемся режиме работы. Исследования указанного, равновесия важны для определения форм связи влаги с материалом и его внутренней структуры, а также движущей силы сушки.

Формы связи влаги с материалом в значительной степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с материалом нарушается. Различают следующие формы связи (в порядке убывания ее энергии): химическую, физико-химическую, механическую.

Химически связанная влага (гидратная, или кристаллизационная, влага комплексных соединений) соединена с материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не удаляется.

Физико-химическая связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (например, в коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде монослоя или несколько слоев. Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке.

Механическая, или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10^-7 мм) и микрокапилляров (менее 10^-7 мм). Влага макрокапилляров наименее прочно связана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически.

Применительно к сушке влагу классифицируют в более широком смысле на свободную (легко удаляемую) и связанную (адсорбционную, осмотическую, микрокапилляров). Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности жидкости. Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности воды. Расчет сушилок необходимо проводить с учетом энергии связи влаги с материалом. Суммарный расход теплоты на сушку:

где Q_исп- теплота парообразования, расходуемая на испарение свободной влаги; Q_св- теплота, расходуемая на преодоление связи влаги с материалом.

Изотермы сорбции-десорбция. Их изучение - один из наиболее распространенных методов исследования термодинамического равновесия в системе влажное тело-газ. Эти изотермы зависят от формы связи влаги с материалом, его структуры и свойств. В состоянии равновесия при t = const определенному значению относит. влажности воздуха f_p соответствует вполне определенное равновесное влагосодержание материала u_р. Изотермы сорбции и десорбции представляют собой зависимости u_р =f(f_p).

Линии постоянных температур (t = const) вместе с линиями постоянных влагосодержания (х = const), относит. влажности (f = const) и энтальпии (I = const) влажного воздуха наносят на психрометрия, диаграмму I — x (см. Газов увлажнение), с помощью которой обычно изучают сушку и связанные с ней нагревание, охлаждение, увлажнение и смешение воздуха разных параметров.

Варианты конвективной сушки и их изображение на I-x-диаграмме. При определенном сочетании параметров сушильного агента (t и f) и скорости его движения относительно материала достигается соответствующий режим сушки. Кроме этих факторов на него влияет также давление, если оно значительно отклоняется от атмосферного (вакуум-сушка). Для обеспечения заданных режимов сушки чаще всего используют след. ее варианты: 1) основной, или нормальный,-сушильный агент однократно нагревается в калорифере до требуемой температуры и поступает в сушилку, из которой выбрасывается в атмосферу; 2) с рециркуляцией отработанного сушильного агента-часть его из сушилки возвращается в калорифер (на его вход или выход), где смешивается со свежим воздухом; 3) с промежуточным подогревом сушильного агента в нескольких калориферах; сначала он нагревается в первом калорифере, затем контактирует с высушиваемым материалом в первой части сушилки, снова нагревается во втором калорифере, соприкасается с материалом во второй части сушилки и т.д.; 4) с ретуром сухого продукта - часть его возвращается в сушилку для досушки, а также для придания влажному материалу на входе в аппарат необходимой сыпучести.

Основной вариант сушки изображен на рис. 1,а: точки А, В и С соответствуют состоянию воздуха перед калорифером, за ним и на выходе из сушилки; вертикальный отрезок АВ (х = x₀) отвечает нагреву воздуха в калорифере, линия ВС- процессу С. Вариант с рециркуляцией части сушильного агента изображен на рис. 1,5; линия AM соответствует смешению перед калорифером атмосферного и части отработанного воздуха (рецикла), вертикальный отрезок МB-нагреву воздуха в калорифере, линия ВС-процессу сушки. На этом рисунке процессу сушки в основном варианте (без рецикла) отвечает линия AB'C. По сравнению с ним вариант с рециклом отличают большее влагосодержание воздуха, менее высокие температура (режим сушки мягче) и расход энергии на нагрев воздуха.

Материальный и тепловой балансы позволяют находить параметры, необходимые для расчета сушилок. Материальный баланс составляют как по всему количеству материала, так и по одному из компонентов сушки - массе абсолютно сухого вещества или массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале; в результате определяют расход сушильного агента и количество испаренной влаги.

Тепловой баланс. Согласно закону сохранения энергии, приход в какую-либо сушилку теплоты равен ее расходу. В случае конвективной сушки теплота вносится в сушилку с нагретым в калорифере (топке) сушильным агентом, влажным материалом, находящейся в нем жидкостью и транспортными устройствами (вагонетки и др.); удаляется теплота с отработанным теплоносителем, высушенным материалом и транспортными устройствами; часть теплоты безвозвратно теряется в окружающую среду; из этого баланса находят общий расход теплоты на сушку. В случае контактной сушки из теплового баланса находят расход водяного пара, теплота икоторого затрачивается на нагрев высушиваемого материала, испарение жидкости и компенсацию потерь теплоты.

Рис. 1. Изображение на I-х-диаграмме вариантов сушки: а-основного; б- с рециркуляцией сушильного агента (х_нас, x_см-влагосодержания насыщенного воздуха в смеси свежего воздуха с частью отработанного).

Тепло- и массоперенос при сушке Закономерности сушки определяются совместным влиянием одновременно протекающих тепло- и массопереноса. В соответствии с их уравнениями в ходе сушки система влажное тело-газ стремится к фазовому равновесию, при котором наблюдается равенство хим. потенциалов жидкости и ее пара.

По достижении указанного равновесия сушка прекращается. Следовательно, сушка - существенно неравновесный процесс, движущей силой которого является разность химических потенциалов. Последние определяются через градиенты параметров материальных потоков, участвующих в сушке. Например, при конвективной сушке движущую силу можно выразить разностью: парциальных давлений Dp=p_м—p_п (р_м-давление паров влаги у поверхности материала, р_п- парциальное давление водяных паров в воздухе); влагосодержаний Dx = х_нас — x (х_нас-влагосодержание воздуха, насыщ. водяными парами вблизи поверхности материала, x-влагосодержание ненасыщенного воздуха); температур Dq = q_с — q_М (q_с-температура среды, окружающей материал, q_м-температура поверхности влажного материала, принимаемая равной температуре мокрого термометра) и т.д. Поскольку на входе в сушилку и выходе из нее значения Dp, Dx и Dq будут различны, в расчетах используют среднюю движущую силу сушку.

Различают обычно внешний и внутренний перенос влаги и теплоты. Внеш. перенос (тепло- и массообмен) происходит между влажным телом и сушильным агентом и характеризуется коэффициентом тепло- и массоотдачи, для которых известны многочисленные эмпирические корреляции; внутренний перенос - движение влаги во внутренних слоях материала.

Динамика сушки Для описания внутреннего тепло- и массопереноса во влажном теле нужно рассматривать нестационарные поля температур и влагосодержаний, т. е. зависимости q = q (c, т) и и=и(x, т), где х-радиус-вектор точки пространства (в любой точке рабочего пространства сушильной камеры влагосодержание x изменяется как во времени т, так и с изменением местоположения рассматриваемой точки). Такие поля находят решением на ЭВМ сложной системы феноменологических уравнений с кинетическими коэффициентами, или коэффициент переноса К_ik (см. также Переноса процессы):

где K₁₁ = D-коэф. диффузии; K₁₂ = Dd (d-термоградиентный коэффициент, характеризующий степень влияния температуры на поток влаги в высушиваемом теле); К₁₃ = К_ф.п./r_т(К_ф.п. -коэффициент фильтрационного переноса влаги, отражающий степень влияния давления на поток влаги в материале, r_т-его плотность); К₂₁ = Q_испED/C_вл [Е-критерий фазового превращения, определяемый отношением потока пара во влажном теле к суммарному потоку влаги в виде жидкости и пара (О E 1; если перемещаемая влага-жидкость, Е = 0, если-пар, то Е= 1); С -уд. теплоемкость влажного материала]; К₂₂ = а - коэффициент температуропроводности; К₂₃ = = EQ_испD^-1 x K'_ф.п. /С_вл (К'_ф.п. -относительный коэффициент фильтрационного переноса влаги, характеризующий влияние давления на поток теплоты в теле через поток влаги); K₃₁ = — ED/C_e (С_е-коэф. тепло- или массоемкости влажного газа в пористом теле); К₃₂ = -ED/C_e; К₃₃ = К_ф.п./Сеr_т - EDK_ф.п./C_e.

Рис. 2. Кривые кинетики: а-кривые сушки (т) и нагрева влажного материала (т); б-кривые скорости сушки для материалов тонколистовых пористых (1), коллоидных (2), капиллярно-пористых (3), керамических (4), некоторых полимерных (5).

Система (8) справедлива при постоянстве коэффициента переноса, то есть лишь для отдельных зон сушильного аппарата.

Кинетика сушки отражает изменения во времени средних по объему высушиваемого материала его влагосодержания и температуры . Знание кинетики сушки позволяет рассчитать время т_с сушки материала от начального (u_н) до конечного (u_к) влагосодержаний. На рис. 2, а изображены кривая называемая кривой сушки, и кривая нагрева тела Поскольку при сушке влагосодержание в каждой точке влажного материала стремится к равновесному u_р, кривая u(т) стремится к горизонтальной асимптоте . Что касается кривой нагрева материала, то температура всех его точек чаще всего в начальный момент одинакова и равна q_н; если температура среды равна q_с, то именно к этому равновесному значению стремится температура . Поэтому

В общем случае кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным периодам процесса: кривая АВ - периоду прогрева материала, кривая ВС - периоду постоянной скорости (I период продолжительностью т_I), кривая CD - периоду падающей скорости (II период продолжительностью т_II). В период прогрева теплота, подводимая к материалу, расходуется на его нагрев от нач. температуры q_н до температуры мокрого термометра q , а также на испарение влаги; в этот период скорость сушки обычно возрастает от куля до постоянной ее скорости N в I период; продолжительность периода прогрева, как правило, незначительна по сравнению с другими периодами.

При q = q_м.т. I период описывается уравнением (знак минус указывает на уменьшение u) или после дифференцирования:

где -начальное значение u при т = 0 ( -конечное значение в период прогрева; если он мал, то ). Выражению (9) соответствует время сушки в I период;

где u_кр -критич. влагосодержание в конце этого периода. Скорость сушки в данный период определяется скоростью подвода теплоты к материалу:

где a-коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к материалу; f_уд = F/G_с.м.; F-межфазная поверхность; G_с.м.-масса сухого материала.

Физически I период заканчивается при удалении из материала свободной влаги (и = и_кр); во II периоде начинается удаление связанной влаги. Для расчета u_кр используют ряд корреляций, однако на практике его определяют экспериментально.

Скорость С. во II периоде часто аппроксимируют уравнением, учитывающим приближение к и_р:

где К_с-коэффициент сушки, зависящий от ее режима и свойств материала. Этот параметр часто представляют в виде: К_c = xN, где x-относительный коэффициент сушки, определяемый главным образом свойствами материала. Уравнению (12) соответствует выражение для времени сушки материала во II периоде при изменении влагосодержания от u_р до u_к:

Процесс сушки (особенно во II периоде) удобно изображать в координатах {[du/dт], u} (рис. 2,б). В них зависимость (12) изображается прямой линией. Для ряда материалов кинетика сушки в этих координатах имеет более сложный вид.

При пренебрежении продолжительностью периода прогрева влажного материала необходимое время его сушки определится равенством:

В последнее время разработан новый метод расчета сушки. Было экспериментально установлено, что для одного и того же материала при разных режимах сушки и одинаковом u_н величина Nт определяется лишь текущим влагосодержанием . Поэтому в координатах кривая сушки не зависит от ее режима. Таким образом, если опытным путем построить такую кривую, называют обобщенной кривой сушки, для одного режима, можно, зная N [из уравнения (11)], построить соответствующие кривые для других режимов. Выведено единое кинетическое уравнение для описания сразу всех периодов сушки:

где М-масса материала, приходящаяся на единицу его поверхности; К_об, А, В -параметры кривой, причем А = и_рА + D_A и В = и_pB + D_В; и _А и и_рВ-начальная (соответствует f = 1 при неизменных условиях сушки) и конечная равновесные влажности материала; D_А и D_В-поправки, определяемые кинетикой сушки. Параметр К_об по аналогии с аппроксимацией (12) можно представить в виде: К_об = x'N', где коэффициент x' зависит только от свойств материала, а N'-модуль скорости сушки в точке перегиба кривой сушки, т.е. максимальная скорость процесса, которая определяется в основном его режимом. Предполагая, что в момент максимальной скорости сушки вся теплота, подводимая к материалу, расходуется на испарение влаги, по аналогии с выражением (11) находят уравнение: N' = [af_уд(q_с - q_м)]/Q_исп. Согласно равенству (15), необходимое время сушки определяется выражением:

Промышленные сушилки В соответствии с многообразием высушиваемых материалов, их свойств и условий обработки конструкции сушилок также очень разнообразны и отличаются: по способу подвода теплоты (конвективные, контактные, специальные); по виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые); по давлению в сушильной камере (атмосферные, вакуумные); по способу организации процесса (периодич. или непрерывного действия); по взаимному направлению движения высушиваемого материала и сушильного агента (в конвективных аппаратах-прямоток, противоток, перекрестный ток); по состоянию слоя влажного материала в аппарате (с неподвижным, движущимся или взвешенным слоем). Ниже рассмотрены применяемые в химических производствах сушилки, которые объединены по способу подвода теплоты.

Конвективные сушилки. Необходимая для сушки теплота обычно доставляется нагретым воздухом, топочными газами либо их смесью с воздухом. Если не допускается соприкосновение высушиваемого материала с кислородом воздуха или если пары удаляемой влаги огнеопасны, сушильными агентами служат инертные газы (азот, СО₂ и др.) либо перегретый водяной пар. В простейшем случае сушильный процесс осуществляется таким образом, что сушильный агент, нагретый до температуры, предельно допустимой для высушиваемого материала, однократно используется в аппарате. Для термолабильных материалов (напр., полиэтилена) сушильный агент только частично подогревается в основном калорифере, а остальную теплоту получает в дополнительных калориферах, установленных в сушильной камере. В случае материалов, сушка которых требует (для предотвращения усадки) повышенного влагосодержания теплоносителя и невысоких температур (например, древесина, формованные керамические изделия), применяют сушилки с рециркуляцией части отработанного воздуха, а также сушилки с промежуточным его подогревом между отдельными зонами и одновременной рециркуляцией. Для сушки огне- и взрывоопасных материалов или при удалении из высушиваемых материалов ценных продуктов (углеводороды, спирты, эфиры и др.) используют сушилки с замкнутой циркуляцией потока инертных газов либо воздуха.

Камерные сушилки. В них высушиваемый материал находится неподвижно на полках, установленных в одной или нескольких сушильных камерах. Засасываемый вентилятором и нагретый в калориферах воздух проходит между полками над материалом. Сушилки работают периодически при атмосферном давлении и применяются в малотоннажных производствах для материалов с невысокой температурой сушки (например, красители).

Туннельные сушилки (рис. 3) - камерные сушилки непрерывного действия. Представляют собой длинные (типа коридора) камеры, внутри которых по рельсам перемещаются тележки (вагонетки) с лежащим на лотках или противнях высушиваемым материалом. Нагретый воздух обтекает лотки прямо- или противотоком; возможна рециркуляция воздуха. Эти сушилки используют для сушки кирпича, керамических изделий, окрашенных и лакированных металлических поверхностей, пищевых продуктов и т.п.

Рис. 3. Туннельная сушилка: 1-камера (коридор); 2-вагонетки; 3-вентиляторы; 4-калориферы.

Ленточные сушилки (рис. 4) обычно выполняют в виде многоярусного ленточного транспортера, по которому в камере, действующей при атмосферном давлении, непрерывно перемещается материал, постепенно пересыпаясь с верхней ленты на нижележащие (скорость каждой ленты 0,1-1 м/мин). Сушильный агент может двигаться со скоростью не более 1,5 м/с прямо- или противотоком, а также сквозь слой материала при наличии перфорированной ленты. Эти сушилки компактнее, чем камерные и туннельные, и отличаются большей интенсивностью сушки, однако также сложны в обслуживании из-за необходимости ручного труда, перекосов и растяжений лент. Область применения - сушка зернистых, гранулированных, крупнодисперсных и волокнистых материалов; непригодны для сушки тонкодисперсных пылящих материалов. Для сушки последних используют ленточные сушилки с формующими питателями, например рифлеными вальцами (вальце-ленточные сушки).

Рис. 4. Ленточная сушилка: 1-камера; 2, 6-загрузочный и разгрузочный бункеры; 3 - ленточный транспортер; 4 - калорифер; 5- вентилятор.

Для обезвоживания пастообразных и листовых (например, бумаги) материалов иногда служат непрерывно действующие при атмосферном давлении петлевые сушилки (рис. 5) - разновидность ленточных сушилок. Влажный материал с помощью питателя подается на бесконечную сетчатую ленту, вдавливается в ее ячейки, проходя через обогреваемые паром валки, после чего поступает в сушильную камеру, где движущаяся сетка образует ряд петель. Посредством автоматического ударного устройства высушенный материал сбрасывается в разгрузочный шнек. Горячий сушильный агент движется поперек ленты. Такие сушилки обычно работают с промежуточным подогревом воздуха, частичной рециркуляцией его по зонам и обеспечивают большую скорость сушки по сравнению с камерными сушилками, но конструктивно сложны и требуют значительных эксплуатационных расходов.

Рис. 5. Петлевая сушилка: 1-питатель; 2-лента; 3-валки; 4-автоматич. ударное устройство; 5-разгрузочный шнек; 6-вентиляторы.

Барабанные сушилки (рис. 6) распространены благодаря высокой производительности, простоте конструкции и возможности непрерывно сушить при атм. давлении мелкокусковые и сыпучие материалы (колчедан, уголь, фосфориты, минеральные соли и др.). Такая сушилка представляет собой установленный с небольшим наклоном к горизонту (угол a до 4°) цилиндрич. барабан с бандажами. Последние при вращении барабана (с помощью зубчатого колеса от электропривода) с частотой 5-6 мин:¹ катятся по опорным роликам; осевое смещение барабана предотвращается опорно-упорными роликами. Влажный материал через питатель поступает в барабан и равномерно распределяется по его сечению размещенными внутри насадками. Тесно соприкасаясь при пересыпании с сушильным агентом, например топочными газами (возможен также контактный подвод теплоты через спец. трубчатую насадку), материал высушивается и движется к разгрузочному отверстию в приемном бункере. Газы поступают из примыкающей к барабану топки и просасываются прямотоком через него вентилятором со скоростью 0,5-4,5 м/с; для улавливания из газов пыли между барабаном и вентилятором установлен циклон. Напряжение рабочего объема барабана по испаренной влаге достигает 200 кг/(м³-ч).

Рис. 6. Барабанная сушилка: 1-барабан; 2-питатель; 3-бандажи; 4-зубчатое колесо; 5 - вентилятор; 6-циклон; 7-приемный бункер; 8-топка.

Сушилки со взвешенным слоем характеризуются высокими относительными скоростями движения фаз и развитой поверхностью контакта. Основные гидродинамические режимы работы: пневмотранспорт; закрученные потоки; псевдоожижение; фонтанирование. При существенном уменьшении в процессе сушки массы частиц дисперсного материала применяются режимы свободного фонтанирования и проходящего кипящего слоя. Среди этих сушилок наиболее распространены пневматические, вихревые камеры, аппараты с кипящим и фонтанирующим слоем, вибрационные.

Пневматические сушилки (рис. 7) представляют собой одну или несколько последовательно соединенных вертикальных труб длиной 15-20 м. В них через питатель подается влажный материал и вентилятором снизу нагнетается воздух, нагретый в калорифере. Материал увлекается потоком воздуха, движущимся со скоростью 15-25 м/с. В циклоне сухой материал отделяется от воздуха и удаляется через разгрузочное устройство; воздух через фильтр выводится в атмосферу. Для активизации режима сушки в трубы-сушилки вставляют турбулизаторы (расширители, отклоняющие пластины, завихрители и т.п.). Вследствие кратковременности контакта (1-5 с) такие сушилки пригодны для обработки термически нестойких материалов даже при высокой температуре сушильного агента; их отличают также компактность, простота конструкции, но одновременно повышенные расходы электроэнергии и теплоты (до 8,4 кДж/кг влаги).

Вихревые сушильные камеры - наиболее интересные представители аппаратов с закрученными потоками сушильного агента. Эти камеры представляют собой дисковые аппараты, напоминающие центробежный вентилятор с тангенциальным подводом теплоносителя. Влажный сыпучий или волокнистый материал загружается питателем через боковую часть камеры и под действием газовых струй закручивается, образуя в аппарате кольцевой вращающийся слой. Скорость истечения газа 50-80 м/с, время пребывания в камере материала 10-20 с и 2-3 мин для частиц размером соотв. 0,1-0,2 и 3-4 мм.

Рис. 7. Пневматическая сушилка: 1-бункер; 2-питатель; 3-труба; 4-вентилятор; 5-калорифер; 6-сборник-амортизатор; 7-циклон; 8-разгрузочное устройство; 9- фильтр.

Рис. 8. Сушилки с кипящим слоем: а, б-односекционные соотв. с ненаправленным и направленным движением материалов (в первом случае - термостойких, во втором-трудно высыхающих, для которых необходима высокая равномерность сушки); в, г - многосекционные соотв. с расположением секций одна над другой и разделением их перегородками (для термочувствительных материалов, свойства которых сильно изменяются при сушке); пунктирные линии - газораспределительные решетки.

Сушилки с кипящим слоем (КС, рис. 8) бывают постоянного, расширяющегося, прямоугольного, а также круглого сечения (в последних меньше вероятность образования застойных зон). Работа таких аппаратов существенно зависит от конструкции газораспределительных решеток, по которым перемещается материал и которые могут быть плоскими, выгнутыми, выпуклыми, с отверстиями различной конфигурации; через них снизу продувается предварительно нагретый сушильный агент [объемный коэффициент теплоотдачи 6-12 кВт/(м•К)]. Используют одно- и многосекционные сушилки. В односекционных аппаратах, применяемых часто для удаления поверхностной влаги (удельный влагосъем достигает 1000 кг с 1 м² решетки), вследствие близости по гидродинамике к аппаратам идеального смешения наблюдается значительный разброс времен пребывания частиц материала, что приводит к неравномерности сушки; многосекционные сушилки обеспечивают большую равномерность высушивания материала. Аппараты с КС позволяют обрабатывать разнообразные сыпучие материалы; сушка паст, суспензий и растворов возможна в кипящем слое инертных частиц (на их нагретой поверхности).

Сушилки с фонтанирующим слоем-цилиндро-конические, а также вытянутые (в виде желоба) аппараты. В этих сушилках создастся режим фонтана, в ядре которого частицы материала движутся вверх в режиме пневмотранспорта, а на периферии медленно сползают вниз. Область применения - сушка плохо псевдоожижаемых зернистых материалов с более крупными частицами, чем в аппаратах с КС.

Вибрационные сушилки бывают с виброаэрокипящим или с виброкипящим слоем. В первом случае материал ожижается благодаря воздействию вибраций и потока газа, поступающего через перфорированное днище, во втором-только за счет вибраций. Частота и амплитуда последних обычно 20-60 Гц и 2-10 мм.

Сушилки с виброаэрокипящим слоем используют для С. слипающихся и комкующихся дисперсных материалов, сушилки с виброкипящим слоем - главным образом для досушки материалов или сушки материалов с хорошими сыпучими свойствами.

•

Рис. 9. Сушилки с форсуночным (а, б) и дисковым (в, г) распылением материалов: I - центральный закрученный подвод сушильного агента (прямоточный аппарат); II-равномерное распределение газов по сечению через решетку; III-равномерная подача газов над факелом распыла по всему сечению камеры; IV-сосредоточенная подача газов под корень факела распыла.

Распылительные сушилки (рис. 9) имеют цилиндрические или цилиндро-конические камеры. В них вязкие жидкие (молоко, кровь, альбумин и т. д.) и текучие пастообразные материалы распыляются в поток горячего сушильного агента механическими и пневматическими форсунками, а также вращающимися с окружной скоростью 100-200 м/с центробежными дисками (расход энергии на распыление 1 т материала составляет соотв. 2-4, 50-70 и 50-100 кВт•ч). При сушке в распыленном состоянии материала, движущегося прямо- или противотоком, а также смешанным током с нагретым сушильным агентом, благодаря большой удельной поверхности испарения влаги процесс завершается в течение 15-30 с. Производительность сушилок по испаренной влаге 10-20000 кг/ч. Недостатки: громоздкость из-за относительно низкого напряжения рабочего объема сушильной камеры по влаге [до 25 кг/(м³•ч)]; конструктивно сложные и дорогие в эксплуатации распыли-вающие и пылеулавливающие устройства.

Контактные сушилки. Теплота, требуемая для сушки, передается теплопроводностью от нагретой поверхности, с которой соприкасается высушиваемый материал. Такие сушилки работают под вакуумом или атм. давлением. Применение вакуумных сушилок, несмотря на их более высокую стоимость и сложность по сравнению с атм. сушилками, позволяет обрабатывать чувствительные к высоким температурам, а также токсичные и взрывоопасные вещества, получать продукты повышенной чистоты, улавливать пары неводных растворителей, удаляемых из материалов.

Вакуум-сушильные шкафы (рис. 10) - простейшие контактные сушилки периодического действия. Такая сушилка представляет собой цилиндрическую камеру, в которой размещены полые плиты, обогреваемые водяным паром или горячей водой. Материал слоем толщиной до 60 мм находится на противнях, установленных на плитах; напряжение их рабочей поверхности обычно не превышает 0,5-3,5 кг/(м² • ч) влаги. Во время работы камера герметически закрыта и соединена с вакуум-конденсационной системой и вакуум-насосом. Эти сушилки имеют небольшую производительность и малоэффективны, поскольку сушка в них происходит в неподвижном слое при наличии плохо проводящих теплоту воздушных прослоек между противнями и плитами; материал загружается и выгружается вручную. Однако шкафы универсальны, так как обеспечивают возможность сушки разных материалов (в том числе легко окисляющихся и выделяющих ценные пары) при оптимальных условиях.

Рис. 10. Вакуум-сушильный шкаф: 1-ка мера; 2-полые плиты.

Рис. 11. Гребковая вакуум-сушилка: 1-корпус; 2-рубашка; 3-вал с гребками; 4-трубы-скалки.

Гребковые вакуум-сушилки (рис. 11) представляют собой горизонтальные периодически действующие аппараты с цилиндрическим корпусом, снабженным паровой рубашкой. Дисперсный материал (например, краситель), заполняющий 20-30% объема аппарата, хорошо перемешивается гребками, закрепленными на валу мешалки, имеющей реверсивный привод, который автоматически изменяет направление ее вращения с частотой 6-10 мин^-1. Между гребками свободно перекатываются трубы-скалки, способствующие разрушению комков и дополнит. перемешиванию материала. Последний можно нагревать также через вал мешалки, если он выполнен полым. Разгрузка и выгрузка материала механизированы. Напряжение поверхности сушилок по влаге 6-8кг/(м²•ч).

Вальцовые сушилки (рис. 12) предназначены для непрерывной атмосферной или вакуумной сушки вязких, жидких и пастообразных материалов (красители, пектиновый клей, молоко и т.п.). Осн. элементы-обогреваемые водяным паром полые вальцы, вращающиеся с частотой 1-13 мин^-1; сушилки могут быть одно- и двухвальцовые. Материал смачивает поверхность вальцов и высушивается в тонком слое; толщина сухой пленки, снимаемой спец. ножами, составляет 0,1-1,0 мм. Расход пара по испаряемой влаге 1,2-1,6 кг/кг, напряжение поверхности вальцов по влаге для атмосферных и вакуумных сушилок соотв. 13-15 и 25-70 кг/(м²•ч).

Рис. 12. Вальцовые вакуум-сушилки: а-одновальцовая; б-двухвальцовая; 1-корпус; 2-полый барабан (валец); 3-корыто; 4-распределит. валик; 5-нож; 6-шнек; 7-приемный колпак; 8-сборник; 9-вальцы; 10-наклонная стенка,

Специальные сушилки. В использующих ИК излучение (l = 0,77-344 мкм) терморадиационных, или просто радиационных, сушилках достигается высокая скорость сушки благодаря подводу к влажному материалу большого количества теплоты. Ее генераторами служат устанавливаемые над поверхностью высушиваемого материала (обычно перемещаемого транспортером) специальные электрические лампы с зеркальными отражателями либо керамические и металлические экраны, обогреваемые горячими газами. Эти сушилки компактны и эффективны для обработки обладающих большим коэффициентом поглощения лучистого потока тонколистовых материалов и окрашенных поверхностей (напр., лакокрасочные покрытия, ткани, бумага и др.).

Для высушивания толстостенных материалов, когда требуется их быстрый прогрев во всем объеме, в ряде случаев эффективна сушка в поле токов высокой или сверхвысокой частоты. Такую сушку применяют для изделий из пластмасс и резины, фарфоровых изоляторов и иных материалов, обладающих диэлектрическими свойствами. Высокочастотные (диэлектрические) сушилки позволяют быстро и равномерно осуществлять сушку. Однако их использование ограничено из-за дорогостоящего оборудования, большого расхода электроэнергии (до 5 кВт • ч на 1 кг испаряемой влаги) и необходимости соблюдать особые меры техники безопасности;

В сублимационных сушилках основную часть влаги (до 85%) удаляется в замороженном состоянии под глубоким вакуумом (остаточное давление 5-330 Па) при температуре 0°С; остальная влага испаряется тепловой вакуум-сушкой. (при 30-45 °С). Теплота, необходимая для сушки, подводится к материалу от нагретых поверхностей или радиацией от нагретых экранов. Эти сушилки громоздки и сложны в эксплуатации, однако отличаются незначительным расходом теплоты (2,1-2,3 кДж/кг) и позволяют сохранить биологические свойства высушиваемых пищевых продуктов и медицинских препаратов (антибиотики, плазма крови и т.д.).

Акустические сушилки отличаются от обыкновенных конвективных, как правило, наличием излучателей ультразвуковых колебаний, источником энергии которых служит кинетическая энергия газовой струи. Благодаря этим излучателям высушиваемый материал подвергается со стороны газовой струи воздействию акустического поля с уровнем интенсивности 145 дБ. По сравнению с конвективной ультразвуковая сушка позволяет в несколько раз ускорить удаление влаги из материала без существенного повышения температуры, что особенно важно при обработке легко окисляющихся и термочувствительных продуктов. Однако из-за высокой стоимости акустической энергии, обусловленной, в частности, низким кпд излучателей (20-25%), ультразвуковую сушку применяют ограниченно, главным образом в производстве мелкодисперсных фармацевтических средств и биологически активных веществ (например, антибиотики, гормональные препараты).

Выбор сушилок зависит от ряда факторов. К ним относятся: время сушки, агрегатное состояние, допускаемая температура нагрева, взрыво- и пожароопасность, токсичность, усадка, загрязнение и др. свойства высушиваемого материала; требования к равномерности сушки; требования к системе пылеулавливания и т. д. При выборе следует отдавать предпочтение сушилкам непрерывного действия; сушка топочными газами экономичнее воздушной сушки, однако не всегда возможна из-за загрязнения материала. Если при взаимодействии высушиваемого материала с влагой не образуется кислая или щелочная среда, сушилки, чаще крупногабаритные, следует выполнять из обыкновенной стали, в противном случае-из нержавеющей стали, иногда из титана.

Выбор сушилок связан с проблемой классификации материалов. В настоящее время разрабатывается такая классификация, которая позволила бы быстро оценивать кинетику и выбирать наиболее рациональный тип сушилки. Пример - классификация капиллярно-пористых материалов. В соответствии с ней влажные материалы дифференцируют по внутренней структуре, а за ее характеристику принимают критический диаметр пор d_кр, то есть диаметр наиболее тонких пор, из которых требуется удалить влагу до достижения конечного влаго-содержания; параметр d_кр позволяет оценить т_с и выбрать экономически целесообразный сушильный аппарат.

Расчет сушилок обычно проводят в следующей последовательности: составляют материальный баланс и определяют количество испаренной влаги (если нужно, по зонам); составляют тепловой баланс и находят требуемые количество теплоты, расходы топлива, пара, сушильного агента и т. д.; исходя из эмпирического коэффициента тепло- и массообмена или удельных напряжений на единицу объема аппарата или поверхности (греющей или решетки) находят размеры сушильной камеры, а также необходимое число сушилок; анализируют эффективность сушильной установки: степень совершенства сушилки как теплового агрегата можно оценивать энергетический кпд, который определяется как отношение полезно используемой энергии ко всей затраченной; изменение при сушке качества энергии сушильного агента учитывает эксергетический кпд - отношение полезно использованной эксергии к затраченной.

Совершенствование техники сушки в химических производствах обусловлено ужесточением требований к охране окружающей среды, необходимостью экономии энергоресурсов и улучшения обслуживания сушильных установок. Реализуются следующие направления: 1) применение технологий, при которых на сушку поступают наиболее подготовленные к ней материалы (напр., тонкодисперсные, с широкими порами и т. п.); 2) разработка типовых сушилок, пригодных для сушки больших групп материалов; 3) создание оптимальной гидродинамики в сушильных аппаратах; 4) рациональное совмещение подготовит. стадий мех. обезвоживания (см. выше), выпаривания (для сгущения жидкой фазы), предварит. перегрева растворов (при распылит. высушивании) и собственно сушки; 5) развитие нетрадиционных способов сушки - ИК и УФ излучением, высокочастотной, СВЧ и акустической, со сбросом давления (в материале происходят самовскипание и частичный механический вынос влаги), перегретым паром (его теплоемкость больше теплоемкости воздуха, поэтому к материалу подводится большее количество теплоты), с использованием ПАВ (они ослабляют связь влаги с материалом); 6) применение комбинированных сушилок - с конвективным и контактным подводом теплоты, а также сочетающих сушки с другими процессами (измельчением, гранулированием, хим. реакциями и т. д.); 7) использование экологически рациональных сушилок - безуносных (сушка происходит одновременно с улавливанием готового продукта, например в сушилках со встречными закрученными потоками), с организацией процесса таким образом, чтобы на пылеочистку поступало меньшее количество крупнодисперсного материала, а также с максимальной утилизацией теплоты отработанного сушильного агента.

Сушка в лабораторных условиях

В лабораторной практике применяют в основном те же методы и сушилки, что и при промышленной сушке. Исследования механизмов, периодического и непрерывного режимов сушки. веществ и материалов, особенностей их поведения и свойств сушильных агентов, отработку гидродинамики и конструкций сушильных аппаратов проводят на опытных установках, моделирующих промышленные сушилки.

Для высушивания веществ, устойчивых к нагреванию, используют работающие при атмосферном давлении сушильные шкафы следующих типов: медные или асбестовые с газовым либо иным обогревом; медные с водяной рубашкой и газовым обогревом; электрические-со спиральными и др. проволочными нагревательными элементами; с терморегулятором и сигнальной лампой; с автоматической регулировкой обогрева; для быстрого высушивания горячим воздухом.

Для сушки веществ, легко разлагающихся при нагревании до 100°С, применяют вакуум-сушильные шкафы, снабженные рубашкой для жидкого теплоносителя, с газовым либо электрическим обогревом. Для осторожного и быстрого высушивания множественных осадков удобно пользоваться металлическими штативами с укрепленными на них рефлекторами, которые снабжены лампами ИК излучения или обычными электролампами мощностью не менее 200 Вт. Применяют также так называемые карусельные инфракрасные сушилки, позволяющие высушивать одновременно несколько образцов, и т.д. Для высушивания химической посуды используют специальные сушилки, в которых воздух нагревается в металлическом змеевике, либо сушильные шкафы (при 80-100°С). Возможна сушка веществ и посуды на открытом воздухе.

Кроме тепловых применяют также другие методы обезвоживания: путем химического связывания влаги веществами (например, металлическим Na, CaC₂), не взаимодействующими с осушаемыми жидкостями; поглощением из твердых тел и жидкостей паров воды гигроскопическими веществами (напр., СаСl₂, концентрированной H₂SO₄); твердыми адсорбентами с высокой удельной поверхностью, например цеолитами, поглощающими влагу из жидкостей (так называемое лиофильное высушивание); сушка сублимированием и др. Твердые вещества (легко взрывающиеся) сушат в струе инертного газа (например, азота или гелия, иногда СО₂). Обезвоживание веществ и высушивание посуды можно проводить в эксикаторах (обыкновенных и вакуумных) и на открытом воздухе.

Лит.: Лыков А. В., Тепломассообмен. Справочник, под ред. В. В. Красникова, М., 1978; Романков П. Г., Рашковская Н.Б., Сушка во взвешенном состоянии, 3 изд., Л., 1979; Сажин Б. С., Основы техники сушки, М., 1984; Расчеты аппаратов кипящего слоя. Справочник, под ред. И. П. Мухленова, Б. С. Сажина, В.Ф.Фролова, Л., 1986; Долинский А. А., Малецкая К. Д., Шморгун В. В., Кинетика и технология сушки распылением, К., 1987; Фролов В.Ф., Моделирование сушки дисперсных материалов, Л., 1987; Муштаев В. И., Ульянов В. М., Сушка дисперсных материалов, М., 1988; Сушильные аппараты и установки. Каталог НИИХИММАШ, М., 1988; Сажин Б. С., Реутский В. А., Сушка и промывка текстильных материалов: теория и расчет процессов, М., 1990. Б. С. Сажин, Б. П. Лукачсвский.