Макрокинетика сушки

Герман Иванович Ефремов, 2021

Изложены теоретические основы и экспериментальные данные по кинетике сушки химических, пищевых и текстильных материалов. Показана аналогия различных процессов переноса массы, тепла и импульса на примерах различного вида обработки ряда химических, пищевых и волокнистых материалов. Рассмотрены типы и свойства тепло- и влагоносителей и свойства высушиваемых материалов. Показано развитие теории статики и кинетики сушки и увлажнения (внешняя и внутренняя задачи) на основе аналитических решений уравнения диффузии и квазистационарного метода расчета коэффициентов диффузии в процессах сушки. Описаны конструкции и работа ряда сушильных установок. Изложены инженерные методы расчета макрокинетики процессов сушки. Монография предназначена для научных, инженерно-технических работников и аспирантов, занимающихся рассматриваемой проблемой. Она может быть использована также в качестве учебного пособия для студентов химико-технологических, текстильных, пищевых и других ВУЗов и колледжей.

Введение

Широкое использование разнообразных сорбционных материалов (волокнистых, пленочных, дисперсных) в различных отраслях промышленности, медицине и в космической технике диктует необходимость теоретического и экспериментального исследования их, как объекта обработки, исследования их сорбционных свойств, гидродинамики процессов обработки и кинетики протекающего при этом тепло — массообмена, как правило, нестационарного. Примерами широкого использования сорбционных процессов являются в первую очередь пищевая, химическая и текстильная промышленность.

На всех стадиях получения сорбционных материалов, их переработки и эксплуатации, протекающие диффузионные процессы тесно связанны с сорбционными свойствами этих веществ. Так, например, протекание и время окончания таких диффузионных процессов как увлажнение и сушка определяется изотермами сорбции-десорбции обрабатываемых материалов, отражающими сорбционные свойства веществ, которые в свою очередь определяются их структурой.

В то же время пористая структура материалов во многих случаях может быть определена на основании анализа изотерм сорбции-десорбции обрабатываемых материалов. Следует отметить, что определение пористой структуры материалов является достаточно сложной технической задачей и для этого часто необходимо уникальное оборудование.

Изменение структуры, сорбционных свойств и кинетики диффузии при обработке пищевых материалов во многом определяет их качество. Для материалов, применяемых в текстильной промышленности сорбционные процессы также важны, так как они подвергаются многократной влажностно-термической отделочной обработке. Отделочное производство в текстильной промышленности является очень энергоемким, здесь расходуется до 80 % всей тепловой энергии, расходуемой в производстве волокон и тканей. В этом производстве энергоемкими являются процессы сушки и промывки, поэтому их рассмотрение, наряду с крашением, представляет большой интерес.

Вместе с тем, надо отметить, что макрокинетика переноса для различных нестационарных процессов во многом сходна. Аналогия различных процессов переноса массы, тепла и импульса может быть рассмотрена на примерах обработки различного вида материалов. Математическое описание нестационарной кинетики для одних процессов и материалов может быть использовано для других.

Точное описание кинетики нестационарных процессов позволяет не только обеспечить оптимальные режимы, сократить их время и, в связи с этим, снизить энергозатраты, но и повысить качественные показатели готовой продукции. Это относится к процессам переработки пищевых, химических и волокнистых материалов. Например, в таком процессе обработки волокнистых материалов, как крашение, точное знание кинетики и времени окончания процесса очень важно для получения качественного готового материала. То же самое можно сказать и для процессов переработки пищевых материалов.

Знание макрокинетики определяет возможность эффективного и экономичного проведения процессов переноса и дает возможность автоматизации управления ими. При точном знании кинетики в значительной степени решаются и проблемы энерго — и ресурсосбережения. Таким образом, точное описание кинетики процессов переноса массы и тепла является очень важным и актуальным.

Исходя из анализа литературных данных, можно отметить, что нестационарные гидродинамические, тепло — массообменные процессы многие исследователи пытаются описать либо стационарными зависимостями, разбивая процесс на периоды и под периоды, либо используют упрощенные эмпирические уравнения нестационарной кинетики. Такой подход часто вносит существенные погрешности в расчет и, как правило, не описывает предельные состояния процесса. Представляет интерес попытка рассмотрения нестационарных гидродинамических, тепло — массообменных процессов с точки зрения аналитических решений уравнения диффузии и ряда других новых экспериментальных подходов.

Важным фактором, влияющим на кинетику технологических процессов, является вид применяемых гидродинамических режимов обработки — сопловая, фильтрационная, поверхностная и др. В этом плане, важным является использование прикладных расчетов гидродинамики пограничного слоя и обтекания тел.

Важен анализ различных дисперсных структур материалов, как объектов обработки (состав пылевидных и сыпучих материалов, дисперсный состав пор в твердых телах) и их общие и частные закономерности. Этот анализ позволяет определить расчетную межфазную поверхность, рассчитать сорбционные свойства материалов, в частности определить закономерности построения изотерм сорбции-десорбции разных гигроскопичных материалов при различных температурах.

На основе решений фундаментального уравнения диффузии при условии пропорциональности коэффициента диффузии скорости распространения концентрационной волны могут быть получены новые критерии нестационарной кинетики и уравнения, описывающие ее в периоде постоянной и падающей скорости процесса. Эти уравнения, как показано, применены для описания процессов сушки плоских, волокнистых и дисперсных материалов в тонком слое, процессов сушки кусковых материалов, процессов сорбции и десорбции в газовой фазе, а также для крашения волокнистых материалов.

Использование квазистационарного метода расчета химической кинетики, развитого в работах Франка-Каменецкого для сорбционных процессов, с учетом предложенной модификации, позволяет вывести уравнения для расчета изменения концентрации, скорости, времени и коэффициентов диффузии для различных процессов сорбции-десорбции. Эти уравнения могут быть использованы в расчетах нестационарной кинетики ряда процессов химической, пищевой и текстильной промышленности, они могут быть применены, в частности, для процессов сушки и увлажнения различных химических, пищевых материалов, разных типов волокон и тканей.

Важным параметром, определяющим свойства материалов в процессе сушки, является также их усадка. В имеющихся монографиях по сушке этому параметру, как правило, уделяется сравнительно мало внимания. Особенно важно описание процесса усадки при сушке пищевых материалов, имеющих значительную начальную влажность. Эти перечисленные вопросы с конкретными примерами их расчетов, а также и ряд других рассматриваются в данной монографии.

Следует отметить, как важную особенность книги, что ряд расчетов и примеров в данной монографии с необходимыми пояснениями и программами выполнен в компьютерных средах MathCAD, MathLab и FemLab.