Сушка — термический процесс удаления влаги или растворителей путем их испарения.
При сушке протекают три основных процесса:
- испарение влаги с поверхности материала, сопровождаемое поглощением тепла;
- перемещение образующегося на поверхности материала пара в окружающую среду;
- перемещение влаги внутри материала от центральных слоев к поверхности испарения.
Благодаря испарению концентрация влаги на поверхности уменьшается. При этом создается разность (градиент) влагосодержаний на поверхности и в центральных слоях материала, обеспечивающая непрерывное движение влаги от центра к поверхности испарения.
Сушка в зависимости от вида теплообмена подразделяется на конвективную , когда передача теплоты от сушильного агента к высушиваемому материалу (изделию) осуществляется конвекцией, и радиационную, когда теплота материалу передается излучением.
Наиболее распространена конвективная сушка, интенсивность которой зависит от разности парциальных давлений водяных паров на поверхности испарения и сушильного агента, характера и скорости движения сушильного агента, влажности материала и температурного режима сушки. Поэтому сушка в вынужденном потоке идет быстрее, чем естественная в свободном потоке газовой среды.
Для разных материалов и изделий в зависимости от размеров и нормы их устанавливают режим сушки, который определяется на основании технологических требований путем соответствующих лабораторных исследований.
Большинство сушильных установок, а также ряд других тепловых агрегатов (например, печи дожигания) оборудуются выносными топками, необходимость применения которых обусловлена:
- невозможностью выноса процесса горения в рабочий объем сушилки (из-за низкого температурного уровня сушильных процессов) и опасностью неблагоприятного воздействия высокотемпературного ядра факела на обрабатываемый материал (оплавление, обжиг, сгорание);
- возможностью обрыва реакций горения при соприкосновении с материалом и частями сушила и образования химического недожога;
- необходимостью получения сушильного агента с высокой равномерностью полей температуры;
- технической сложностью совмещения газогорелочного и топочного оборудования с сушилкой (например, при вращении или вибрации последней).
Однако применение выносных топок связано с большими трудностями из-за громоздкости конструкции, а также быстрого выхода из строя.
Виды промышленного сушильного оборудования. Конвективные сушильные установки
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 (например, 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) повышение влагосодержания теплоносителя и невысоких температур (например, древесина), применяют сушилки с рециркуляцией части отработанного воздуха, а также сушилки с промежуточным его подогревом между отдельными зонами и одновременной рециркуляцией. Для сушки пожаро- 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. Высушиваемый материал находится неподвижно на полках, установленных внутри сушильной камеры. 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.
Туннельные сушилки - 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 и т.п.
Ленточные сушилки 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. Область применения: сушка зернистых, гранулированных, крупнодисперсных и волокнистых материалов; непригодны для сушки тонкодисперсных пылящих материалов.
Барабанные сушилки распространены благодаря высокой производительности, простоте конструкции и возможности непрерывно сушить при атмосферном давлении мелкокусковые и сыпучие материалы (колчедан, уголь, фосфориты, минеральные соли и др.). Такая сушилка представляет собой установленный с небольшим наклоном к горизонту (угол наклона до 4°) цилиндрический барабан. Влажный материал через питатель поступает в барабан и равномерно распределяется по его сечению. Тесно соприкасаясь при пересыпании с сушильным агентом, например, топочными газами, 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 в час.
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 представляют собой одну или несколько последовательно соединенных труб одинаковой длины. 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, надежность и простота конструкции.
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 верхнюю или 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, соотвующих 0,1-0,2 и 3-4 мм.
Сушилки с кипящим слоем бывают постоянного, расширяющегося, прямоугольного, а также круглого сечения. Работа таких аппаратов существенно зависит от конструкции газораспределительных решеток, через них снизу продувается предварительно нагретый сушильный агент. Используют одно- и многосекционные сушилки. Сушилки с кипящим слоем обеспечивают большую равномерность высушивания материала. Аппараты с КС позволяют обрабатывать разнообразные сыпучие материалы; сушка паст, суспензий и растворов возможна в кипящем слое инертных частиц.
Сушилки с фонтанирующим слоем - используются для сушки плохо псевдоожижаемых зернистых материалов с более крупными частицами, чем в аппаратах с кипящим слоем. В этих сушилках создастся режим фонтана, в ядре которого частицы материала движутся вверх в режиме пневмотранспорта, а на периферии медленно сползают вниз.
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 сушки слипающихся и комкующихся дисперсных материалов.
Сушилки с виброкипящим слоем - главным образом для досушки материалов или сушки материалов с хорошими сыпучими свойствами.
Распылительные сушилки имеют цилиндрические или цилиндроконические 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. 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 распыливающие 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 атмосферным давлением. Применение вакуумных сушилок (несмотря на более высокую стоимость и сложность по сравнению с атмосферными сушилками) позволяет обрабатывать чувствительные к высоким температурам, а также токсичные и взрывоопасные вещества, получать продукты повышенной чистоты, улавливать пары неводных растворителей, удаляемых из материалов.
Радиационные сушилки: использование ИК излучения и СВЧ значительно увеличивает скорость сушки благодаря подводу к влажному материалу большого количества теплоты. Эти сушилки компактны и эффективны. Различаются глубиной проникновения излучения внутрь высушиваемого материала. СВЧ технологии являются самыми эффективными при сушке продуктов до низких значений влажности. ИК излучение используется для обработки поверхностей, обладающих большим коэффициентом поглощения лучистого потока. Радиационные сушилки широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. Комбинируются с конвективными сушилками всех видов.
Выбор сушилок
Выбор сушилок зависит от ряда факторов. К ним относятся, в первую очередь, свойства высушиваемого материала, а именно:
- время сушки
- агрегатное состояние
- допускаемая температура нагрева
- взрыво - и пожароопасность
- токсичность, усадка, загрязнение и др.
Кроме того, необходимо принимать во внимание требования к равномерности сушки и к системе пылеулавливания и т. д.
Ужесточение требований к охране окружающей среды, необходимость экономии энерго- и трудоресурсов обусловливает совершенствование техники сушки. Особое внимание следует уделять развитию и внедрению в производство следующих направлений:
- применение технологий, при которых на сушку поступают наиболее подготовленные к ней материалы (например, тонкодисперсные, с широкими порами и т. п.)
- внедрение типовых сушилок, пригодных для сушки больших групп материалов
- рациональное совмещение подготовительных стадий механического обезвоживания, выпаривания (для сгущения жидкой фазы), предварительного перегрева растворов (при распылительном высушивании) и собственно сушки
- внедрение в производство комбинированных, микроволновых и инфракрасных сушилок, в том числе со сбросом давления (в материале происходят самовскипание и частичный механический вынос влаги);
- использование экологически рациональных сушилок.
