Рідина

 

 

 

 

За способом підводу теплості до висушуваного матеріалу  розрізняють такі види сушіння:

— конвективне  сушіння — шляхом безпосереднього  контакту матеріалу і сушильного агента. Підведення теплості здійснюється газовою фазою, що у процесі сушіння прохолоджується зі збільшенням свого вологовмісту;

контактне сушіння  — шляхом передачі тепла від теплоносія до матеріалу через стінку, що їх розділяє;

—радіаційне сушіння  — шляхом передачі тепла інфрачервоним випромінюванням;

сублімаційне  сушіння, при якому волога видаляється з матеріалу в замороженому стані при глибокому вакуумі;

діелектричне  сушіння — шляхом нагрівання в  полі токів високої частоти.

Матеріал, що висушується  при будь-якому методі сушіння, перебуває  в контакті з вологим газом. У  більшості випадків видаленню з матеріалу підлягає вода, тому звичайно розглядають систему сухого повітря — пара води.

11.2. Основні  фізичні властивості вологого  газу

Суміш сухого повітря  з парою рідини називається вологим  газом. Вологий газ характеризується такими параметрами: температура, тиск, щільність, відносна й абсолютна вологість, волого- вміст, теплоємкість, ентальпія (тепловміст).

Вологе повітря, що найбільш часто використовують як сушильного агента, можна вважати при невеликих тисках і позитивних температурах бінарної сумішшю ідеальних газів: сухого повітря і водяної пари. Відповідно до закону Дальтона тиск ідеальної газової суміші є сумою парціальних тисків її компонентів:

(11.3)

де P — тиск, при якому знаходиться парогазова суміш;

рс.г., рп — парціальні тиску сухого газу і водяної пари відповідно.

Максимально можливий вміст пари в газі, вище за який спостерігається конденсація, відповідає умовам насичення при визначеній температурі t і парціальному тиску рн. п.

Як було зазначено  вище, розрізняють абсолютну, відносну вологості й вологовміст вологого повітря.  

 

Абсолютна вологість  визначається кількістю водяної  пари в кг, що міститься в 1 м3 вологого повітря. Вологе повітря підпорядковується законам ідеальних газів. Тоді водяна пара, як компонент бінарної газової суміші, перебуваючи під парціальним тиском рп, повинна займати весь об'єм суміші (1 м3). Тому абсолютна вологість дорівнює масі 1 м3 пари, або щільності водяної пари рп (кг/м3) при температурі повітря і парціальному тиску рп.

Відносна вологість (ф), або ступінь насичення повітря  — це відношення маси водяної пари в 1 м3 вологого повітря рп за даних умов до максимально можливої маси водяної пари в 1 м3 повітря (щільності насичення) рн.п. за тих самих умов (температури і загальному барометричного тиску):

(11.4)

Відповідно  до рівняння стану ідеальних газів (рівняння Менделєєва — Клапейрона), маємо:

(11.5)

де T — абсолютна  температура, °К,

Мп — мольна маса водяної пари, що дорівнює 18 кг/кмоль; R — універсальна газова постійна, що дорівнює

8314———=1,99—ккал—;

кмоль град    кмоль град

р н.п. — тиск насиченої водяної пари при даній  температурі й загальному барометричному тиску, Н/м2.

Підставивши залежності (11.5) у рівняння (11.4), одержимо:

(11.6)

Маса водяної  пари (кг), що міститься у вологому повітрі й припадає на 1 кг абсолютно сухого повітря, називається вологов- містом повітря (пари):

(11.7)

де G — маса (масова витрата) водяної пари, кг (кг/с);

L — маса (масова  витрата) абсолютно сухого повітря  (газу), кг (кг/с); рсг. — щільність  абсолютно сухого повітря (газу). Щоб установити зв'язок між  вологовмісту х і відносною вологістю ф, підставимо в рівняння (11.7) значення рп і рс в., визначені з рівняння (11.5). Тоді:

де рс. в. —  парціальний тиск абсолютно сухого повітря;

Мс.г. — мольна маса абсолютно сухого повітря (газу), дорівнює 29 кг/кмоль.

За законом Дальтона рс.г. дорівнює різниці загального тиску вологого повітря Р і парціального тиску водяної пари в ньому:

З рівняння (11.6):

Підставляючи  в рівняння (11.8) значення рс.г. і рп одержимо:

(11.9)

Для системи  водяна пара-повітря рівняння (11.9) перетвориться (при Mn = 18 кг/міль і Мс.г. = 29 кг/міль) до виду

(11.10)

Питома теплоємкість вологого повітря (газу) приймається  аддитивною величиною теплоємностей сухого повітря (газу) і водяної пари.

(11.11)

де сс.г. —  питома теплоємкість сухого повітря (газу), Дж/(кг- К); сп — питома теплоємкість водяної пари, Дж/(кг- К). Питома ентальпія вологого повітря належить до 1 кг абсолютно сухого повітря і визначається при даній температурі повітря t

0C як сума ентальпій абсолютно сухого повітря сс.г/ і водяної пари Xin f          Дж       1

ч кг сух. повітря J

(11.12)

де сс.г. —  середня питома теплоємкість сухого повітря, що може

Дж

бути прийнята такою, що приблизно дорівнює 1000            

кгК

(0,24)

кгК

in — ентальпія  водяної пари.

При розрахунках  процесу сушіння, крім х, ф і I, необхідно  знати щільність або обернену їй величину — питомий обсяг вологого повітря. Щільність вологого повітря рвлв. дорівнює сумі щільностей абсолютно сухого повітря рсг. і водяної пари рп. З огляду на вираження (11.7), щільність водяної пари рп = хрсг., щільність вологого повітря

(11.13)

Щільність абсолютно  сухого повітря (газу) із рівняння стану

.           (11.14)

Підставляючи  значення рсг. і х (11.10) у вираз (11.13), знаходимо

(11.15)

З рівняння (11.15) очевидно, що при даному зовнішньому  тиску Р щільність вологого повітря є функцією парціального тиску пари рп і температури Т. У процесі сушіння повітря зволожується (зростає рп) і прохолоджується (зменшується Т). Щільність повітря при сушінні збільшується.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.1. Загальні  зведення про масообмінні процеси

Технологічні  процеси, швидкість протікання, яких визначається швидкістю переносу маси речовини з однієї фази в іншу, називають масообмінними процесами, а апарати для проведення цих процесів — масообмінними апаратами, тобто масообмін — це дифузійний перенос одного або декількох компонентів сумішей з однієї фази в іншу: із газової (парової у рідку або тверду, із рідкої у тверду або в іншу рідку, а також в зворотньому напрямі. Розрізняють два варіанти масообміну: односторонній і двосторонній. У першому варіанті процес завершується переходом речовини з однієї фази в іншу, а в другому — зустрічним переходом речовин із кожної фази в другу.

Відповідно  до технологічної схеми, сировина надходить у реактор, де лише частково перетворюється в продукти реакції. Вихідна з реактора суміш (рис. 6.1) продуктів реакції і сировини, що не зреагували, направляється в масообмінну розділювальну апаратуру, у якій проводиться поділ суміші на продукти реакції і сировини, що не зреагувала.

Сировина, що не зреагувала, повертається в реактор, а продукти реакції надходять на подальшу переробку.

У розділювальному  апараті можуть проводитися різноманітні процеси. Основними і найважливішими з них є: абсорбція, ректифікація, екстракція, кристалізація, адсорбція, сушіння, іонообмінні процеси і мембранний поділ, а також термодифузія, зонна плавка й інші.

Абсорбція —  поглинання газу рідиною, тобто процес поділу, що характеризується переходом речовини з газової фази в

Рис. 6.1. Зв'язок реактора з розділовою апаратурою в  технологічній схемі 

 

Екстракція (у  системі рідина — рідина) — витяг  речовини, розчиненої в рідині, іншою рідиною, що практично не змішується або змішується частково з першою. При цьому компонент, що витягається, з вихідного розчину переходить з однієї рідкої фази в другу.

Перегонка (ректифікація, дистиляція) — поділ гомогенних рідких сумішей шляхом взаємного обміну компонентами між рідиною і парою, отриманою випаром, що розділяється рідкою сумішшю.

Адсорбція — поглинання компонента газу, пару або розчину  твердим пористим поглиначем, тобто  процес поділу, що характеризується переходом речовини з газової (парової) або рідкої фази у тверду. Обернений процес — десорбція — проводиться після адсорбції і часто використовується для регенерації, що поглинає речовину з поглинача.

Сушка — виділення вологи з матеріалів головним чином шляхом її випари. У цьому процесі волога переходить із твердої фази в газову, або парову.

Кристалізація — виділення  твердої фази у вигляді кристалів  із розчинів або розплавів. Кристалізація  здійснюється в результаті пересичення або переохолодження розчину (розплаву) і характеризується переходом речовини з рідкої фази у тверду.

Розчинення й екстракція (у системі тверде тіло — рідина).

Розчинення характеризується переходом твердої фази в рідку (розчинник) і являє собою, таким  чином, процес, зворотний кристалізації.

рідку. Зворотний процес виділення газу з рідини називається десорбцією.

Витяг на основі виборчої розчинності  одного або декількох компонентів  із твердого пористого матеріалу  називається екстракцією або вилужненістю.

Для всіх перерахованих процесів загальним є перехід речовини з однієї фази в іншу, або масопередача. Перехід речовини з однієї фази в іншу пов'язаний із явищем конвективного переносу і молекулярної дифузії, тому перераховані вище процеси одержали назву масообмінних, або дифузійних, процесів.

Масопередачею називають перехід речовин з однієї фази в іншу в напрямку досягнення рівноваги.

Подібно до теплопередачі  масопередача являє собою складний процес, що включає перенос речовини (маси) у межах однієї фази, перенос через поверхню поділу фаз і його перенос у межах іншої фази. Як відомо, при теплопередачі середовища, що обмінюються теплом, у більшості випадків розділені твердою стінкою, у той час, як масопередача відбувається звичайно через межу поділу стичних фаз. Ця межа може бути або рухливою (масопередача в системах газ- рідина або пар- рідина, рідина-рідина), або нерухомою (масопередача з твердою фазою).

Процеси масопередачі можна  розділити на дві групи. До однієї групи належать процеси (абсорбція, екстракція й ін.), у яких беруть участь мінімально три речовини: одна утворить першу фазу, інша — другу фазу, а третя являє собою речовину, що розподіляється між фазами. Речовини, що складають кожну з фаз, є лише носіями, речовини, що розподіляється, і самі не переходять із фази у фазу. Так, наприклад, при поглинанні аміаку водою з його суміші з повітрям, вода і повітря служать носіями, речовини, що розподіляється, — аміаку.

До іншої групи належать процеси (ректифікація), у яких речовини, що складають дві фази, обмінюючись компонентами, самі безпосередньо беруть участь у масопередачі й вже не можуть розглядатися як інертні носії речовини, що розподіляється.

Перенос речовини з фази до межі поділу фаз або в зворотньому  напрямку, тобто в межах однієї з фаз, називається масовіддачею.

Подібно до теплообміну, масообмін характеризується кількістю речовини М, що переходить з однієї фази в іншу (дифузійний потік) за час Т, пропорційно рушійній силі процесу AC І площі міжфазної поверхні F. Розміри M, F і Т пов'язані між собою коефіцієнтом пропорційності ДО, що носить назву коефіцієнта масопередачі,

(6.1)

Коефіцієнт масопередачі характеризує кількість речовини, перенесеної з однієї фази в іншу через одиницю міжфазної поверхні (F = 1м2) в одиницю часу (Т = 1 с) при AC = 1.

Рушійною силою процесу  масообміну є різниця концентрацій речовини, що переходить у даній  фазі й у стані рівноваги з  іншою (що контактує) фазою.

Розрахункові вираження  рушійної сили неоднакові для процесів масовіддачі й масопередачі.

Процеси масопередачі виборчі  й здебільшого зворотні, тобто  можуть протікати в протилежних  напрямках залежно від температури, тиску й інших умов їх проведення. При цьому напрямок переходу речовини з фази у фазу визначається концентраціями, речовини, що розподіляється, у фазах і умовами рівноваги.

Засоби вираження складу фаз. Звичайно кількісний склад фаз  виражають:

в об'ємних концентраціях, приймаючи за одиницю маси 1 кг або за одиницю кількості речовини 1 міль; об'ємна концентрація являє собою число кілограмів (або киломолей) даного компонента, що припадає на одиницю об'єму фази (у кг/м3 або кмоль/м3);

у вагових або  мольних частках, що являють собою  відношення маси (або кількості) даного компонента до маси (або кількості) всієї фази;

у відносних концентраціях, тобто у вигляді відношення маси (або кількості) даного компонента речовини, що розподіляється, до маси (або кількості) компонента — носія кількість якого залишається постійною у процесі масопередачі.