Показатели, характеризующие состояние влажного газа

ТЕРМИЧЕСКАЯ СУШКА

Основные сведения

Механические способы обезвоживания (сгущение, фильтрова­ние, центрифугирование) не позволяют довести содержание влаги в продуктах обогащения до требований ГОСТа или ТУ. Поэтому конечной стадией обезвоживания обычно является термическая сушка.

Термической сушкой называют операции обезвоживания влаж­ных продуктов обогащения и исходных полезных ископаемых, ос­нованные на испарении содержащейся в них влаги в окружающую их газовую (воздушную) среду при нагревании сушимого мате­риала.

Среду, воспринимающую испаряемую влагу, называют сушиль­ным агентом сушки.

Сушка влажных материалов одновременно технологический и теплофизический процесс, протекающий в результате тепло- и массообмена под действием разности давлений водяных паров и тем­пературы внутри материала и у его поверхности. Скорость этих процессов определяется скоростью диффузии влаги из внутренних слоев высушиваемого материала в окружающую среду.

Различают сушку следующих видов:

- конвективную, при которой тепло, необходимое для испа­рения влаги, передается от агента сушки высушиваемому материа­лу при непосредственном их соприкосновении;

- контактную — тепло передается материалу от горячей по­верхности при непосредственном ее контакте с материалом;

- радиационную — тепло передается материалу инфракрас­ными лучами от электроламп или нагретых излучающих поверх­ностей;

- сублимацию — сушка материала в замороженном состоя­нии при глубоком вакууме;

- химическую — с помощью предварительной обработки ма­териалов в водных растворах солей;

токами высокой частоты, при которой благодаря повы­шению температуры внутри материала влага быстро перемещает­ся к наружной поверхности материала и испаряется в окружаю­щую среду;

- комбинированную. Среди всевозможных комбинирован­ных методов сушки особое место ввиду его распространенности во многих отраслях промышленности занимает конвективно-контакт­ная сушка.

На обогатительных фабриках наиболее распространен способ конвективной сушки.

Сушка широко применяется в различных отраслях народного хозяйства: черной и цветной металлургии, химической, энергети­ческой, легкой и других отраслях промышленности. Широкое ис­пользование сушки объясняется высокой эффективностью, интен­сивностью и экономичностью процесса. Однако процессу сушки присущи и недостатки: высокая металлоемкость оборудования, большие габариты и тепловая аккумулирующая способность, огра­ничения по температуре сушильного агента и высокая энергоем­кость. Поэтому только правильная научно обоснованная организа­ция процесса сушки может гарантировать получение материала с заданной влажностью при достаточно высокой интенсивности суш­ки и минимальных затратах тепла и электроэнергии.

 

Показатели, характеризующие состояние влажного газа

В качестве теплоносителя при сушке применяют нагретый воз­дух или дымовые газы, получаемые при сжигании твердого, жид­кого или газообразного топлива. Масса влаги, которую может при­нять сушильный агент, зависит от содержания в нем водяного па­ра, его температуры и давления.

Основными величинами, характеризующими влажный воздух, являются абсолютная и относительная влажность, газовая посто­янная, влагосодержание, теплоемкость и энтальпия (теплосодер­жание).

Абсолютная влажность воздуха определяется массой водяного пара в 1 м³ воздуха. Относительной влажно­стью φ (%) называют отношение массы водяного пара р _п, содер­жащегося в 1 м³ влажного воздуха при данных условиях, к мак­симально возможной массе водяного пара р _н в 1 м³ влажного воз­духа в состоянии насыщения:

φ = (р _п/ р _н)100.

Насыщенным называют влажный воздух или газ, содер­жащий при данной температуре максимально возможную массу водяного пара.

Температурой точки росы называют температуру, до которой необходимо охладить влажный воздух, чтобы он стал на­сыщенным водяными парами.

Газовую постоянную R [Дж/(кг·К)] влажного воздуха определяют по формуле

R = P/(ρ_ввT),

где Р — давление влажного воздуха, Па;

р _вв — плотность влаж­ного воздуха, кг/м³;

Т — температура, К.

Плотность влажного воздуха (газа) р_вв равна сум­ме плотностей абсолютно сухого воздуха р_с._в и водяного пара р_в._п:

р _вв = р _с.в + р _в.п.

Влагосодержанием влажного воздуха d (г/кгобычно) называют отношение массы водяного пара М _в._п(г), содержаще­гося во влажном воздухе, к массе абсолютно сухого воздуха М _с.в (кг) во влажном воздухе:

d = (M _в.п/ M _с.в)1000,

Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона, для водяного пара (индексы в. п.) и сухого воздуха (индексы с. в.) или газа можно записать

р _в.пV = M _в.п R _в.пT; р _с.вV = M _с.в R _с.вT,

где р _в.п, р _с.в— парциальное давление соответственно водяного пара и сухого воздуха, Па;

V — объем, занимаемый газом, м³.

Разделив уравнения после преобразований, получим

(M _в.п/ M _с.в)1000 = d = (р _в.п R _с.в/ р _с.в R _в.п)1000.

 

 

С учетом значений газовой постоянной 1 кг сухого воздуха — R _с._в = 287 Дж/(кг-К) и газовой постоянной 1 кг водяного пара — R _в._п = 462 Дж/(кг-К) получим выражение для определения d (г/кг):

d = 1000(287 p _в._п/462 р _с.в)

Согласно закону Дальтона, общее барометрическое давление Р (Па) равно сумме парциальных давлений сухого воздуха Р _с._в и водяного пара Р _в._п:

P = Р _с._в + Р _в._п.

С учетом выражения (69) получим d = 622 -

d = 622(Р _в._п/(Р - Р _в.в)).

Таким образом, влагосодержание воздуха при данном давле­нии зависит только от парциального давления водяного пара.

Барометрическое давление Р обычно колеблется в небольших пределах, поэтому его изменение не оказывает значительного влия­ния на влагосодержание. Максимальное влагосодержание наблюдается при полном насыщении воздуха водяным паром

d_max = 622(Р _п/(Р – Р _н)).

где Р _н — давление насыщения влажного воздуха паром при дан­ной температуре, Па. *

Удельной теплоемкостью с [Дж/(кг-К)] называют ве­личину, равную количеству теплоты, которую необходимо сооб­щить 1 кг вещества, чтобы увеличить его температуру на 1 К. Теплоемкостью С (Дж/К) вещества называют произведение удельной теплоемкости на массу тела.

Удельную теплоемкость влажного воздуха (газа) с_в._в опреде­ляют через сумму удельных теплоемкостей сухого воздуха с_в._в и водяного пара с_в._п:

с_в._в = с_в._в + с_в._п(d/1000).

Удельной энтальпией (теплосодержанием) / (Дж/кг) называют количество теплоты, содержащейся во влажном воздухе и приходящейся на 1 кг абсолютно сухого воздуха:

J = i _в._в + i _в._п(d/1000).

где i _с._в, i _в.п — удельная энтальпия соответственно сухого воздуха л водяного пара.

Так как

i _с._в = с_в._в t,

можно записать

J = с_в._в t i_в._п (d/1000),

 

где c_с.в — удельная теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг-К);

t — температура, К.

Кинетика процесса сушки

Процесс сушки отличается большой сложностью. Он характе­ризуется целым комплексом тесно связанных друг с другом явле­ний, происходящих в результате тепло- и массообмена.

Тепло- и массообмен — это процесс переноса теплоты и массы вещества, происходящий между телами, имеющими различную температуру и концентрацию веществ. Процессы тепло- и массообмена обычно протекают одновременно и являются взаимосвязанными. Тепло- и массообмен характеризуют различные способы переноса энергии (теплопроводность, конвекция, тепловое излучение) и массы вещества (диффузия, конвективный массообмен).

Теплопроводность характеризует перенос тепла вследствие беспорядочного движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Перенос тепла осуществляется от более нагретого тела к менее нагретому и происходит до тех пор, пока температуры соприкасающихся тел не станут одинаковыми.

Конвекцией называют перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Конвективный теплообмен зависит от многих факторов: физических свойств движущегося вещества, режима движения, формы и размеров обтекаемого тела.

Тепловое излучение — это процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленных тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Интенсивность теплового излучения зависит в основном от температуры излучающего тела. Энергия, попадая на другие тела, может отражаться, поглощаться и проходить сквозь них. Поглощаемая телом энергия превращается в тепловую. Каждое тело не только непрерывно излучает теплоту, но также непрерывно ее и поглощает.

При сушке влажных материалов рассмотренные способы теплообмена протекают одновременно с процессом переноса влаги и зависят от одних и тех же факторов.

Сушку влажных материалов можно представить в виде двух основных процессов: переноса тепла и влаги внутри материала к поверхности испарения и переноса массы вещества (пара) с поверхности в окружающую среду. Процесс переноса влаги внутри материала определяется его пористостью, формой связи влаги с твердым веществом и теплофизическими характеристиками. Внутри влажного материала вода перемещается в виде жидкости (под действием капиллярных и осмотических сил) и пара (под влиянием диффузных сил).

Влагопроводностью называют явление переноса влаги под действием молекулярных и диффузно-осмотических сил.

При испарении влаги с поверхности влажность внутри материала больше, чем на его поверхности. В таких условиях образуется градиент влажности, обусловливающий перенос влаги к поверхности материала. Массу влаги, переместившейся внутри материала в единицу времени через единицу поверхности — плотность потока влаги i_w кг/(м²-ч), определяют из выражения

I_w = - k_вδ_сΔw,

где k_в — коэффициент влагопроводности, м²/ч;

δ_с — плотность су­хого материала, кг/м³;

δ_с — градиент влажности, м^-1.

Так как влажность внутри материала выше, чем на его поверхности, перед произведением в правой части выражения стоит знак минус.

Термовлагопроводностью называют явление переноса жидкости в направлении перемещения потока тепла. Основная характеристика термовлагопроводности — коэффициент термовлагопроводности k_t (1/°С).

Перемещение влаги внутри материала также обусловливается градиентом температур Δt (°С/м) внутри и на поверхности материала:

i_t = k_t k_вδ_с Δt,

где i_t — плотность потока влаги под действием перепада температур, кг/(м²-ч);

k_в — коэффициент влагопроводности, м²/ч.

Плотность потока влаги с учетом влаго- и термовлагопроводности

i = i_w + i_t = — k_вδ_с (ΔW ± k_t Δt).

При сушке влажных материалов температурный градиент имеет сравнительно малое значение, поэтому можно пренебречь потоком влаги, обусловленным термовлагопроводностью. В этом случае перенос влаги будет определяться только влагопроводностью.

Изучение процесса конвективной сушки, как и любого другого метода сушки, невозможно без рассмотрения кривых сушки, с помощью которых выявляются особенности процесса. Характер процесса сушки, отражаемый кривыми сушки, в основном определяется физико-химическими и структурно-механическими свойствами материала, т. е. закономерностями взаимодействия тела с окружающей средой. Многообразие факторов, влияющих на процесс, и их взаимосвязь весьма затрудняют получение аналитических зависимостей, характеризующих кинетику процесса сушки конкретного материала.

Под кинетикой сушки понимают изменение среднего влагосодержания и средней температуры материала с течением времени. Зависимости, характери-зующие эти изменения, позволяют рассчитать массу испаренной из материала влаги, расход тепла на сушку и продолжительность процесса.

При контакте материала с воздухом может происходить сушка материала или его увлажнение. Материал высушивается, если парциальное давление пара над материалом больше парциального давления пара в воздухе, в противном случае материал увлажняется. В процессе сушки парциальное давление пара над поверхностью материала уменьшается, а в воздухе увеличивается, поэтому наступает состояние динамического равновесия, соответствующее равновесной влажности.

Скоростью сушки Z [кг/(м²·ч)] называют отношение массы испаряемой влаги к единице поверхности сушимого материала в единицу времени:

Z = W/(Ft),

где W — масса испаряемой влаги, кг;

F — поверхность сушимого материала, м²;

t — продолжительность процесса сушки, ч.

Продолжительность процесса сушки можно выразить через скорость сушки:

t = W/(ZF).

Процесс сушки характеризуется изменением влажности и температуры материала и скоростью сушки (рис. 57). Скорость сушки — величина, неравномерно изменяющаяся во времени в течение всего периода сушки.

Рис. 57. Кривые сушки:

а — зависимость влажности продукта от времени высушивания;

б — зависимость скорости сушки от влажности

 

Процесс сушки можно разделить на несколько этапов. Как видно из рис. 57, а, на первом, начальном; этапе влажность материала уменьшается незначительно (участок АВ) — материал прогревается, при этом скорость сушки увеличивается (участок A ₁ B ₁, рис. 57, б). Продолжительность прогрева не превышает 10 % •общей продолжительности сушки.

После того как скорость сушки достигнет максимального значения, она стабилизируется (отрезок В ₁ С ₁, рис. 57, б). На этом втором этапе сушки наблюдается значительное снижение влажности материала (участок ВС, рис. 57, а). Зона парообразования перемещается в глубь материала по свободным капиллярам и порам. При этом, чем больше пористость и проницаемость влажного материала, тем более вероятен перенос пара внутри материала. Перенос жидкости внутри материала может осуществляться диффузией, капиллярным впитыванием и фильтрационным движением в пористой среде. В связи с тем что материал прогревается неравномерно, у поверхности соприкосновения материала с агентом сушки температура выше, чем внутри материала, поэтому перенос влаги происходит в направлении градиента большей температуры.

Третий, заключительный, этап (участок C ₁ D ₁, рис. 57, б) сушки, характеризуемый уменьшением скорости сушки, начинается после того, как средняя влажность материала достигнет критического значения W _кp. На этом этапе влажность материала уменьшается незначительно (участок CD, рис. 57, а), температура материала может стать равной температуре агента сушки. В конце сушки влажность материала становится равновесной Wp, т. е. такой, при которой давление пара у поверхности материала равно давлению пара агента сушки, а скорость сушки определяется скоростью переноса влаги из внутренних слоев к поверхности материала.

Форма кривых сушки зависит от влажности материала, размеров и способов укладки частиц, параметров сушильного агента.

Важная характеристика эффективности работы сушильных аппаратов — влагонапряжение

A = W/(Vt),

где А — влагонапряжение, кг/(м³-ч);

W — масса испаряемой влаги, кг;

V — вместимость сушилки, м³;

t — продолжительность сушки, ч.

Влагонапряжение сушильных аппаратов зависит от физических свойств сушимого материала, влажности и размера частиц, степени заполнения сушилок материалом, конструкции сушилок, а также температуры, влажности и скорости движения сушильного агента в аппарате.