сушка

СУШКА

удаление жидкости (чаще всего влаги-воды, реже иных жидкостей, напр. летучих орг. 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 т. наз. 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 др. (эта группа высушиваемых материалов наиб. распространена); пастообразные; жидкие-суспензии, эмульсии, растворы; о С. газов и газовых смесей см. газов осушка.

Цель С., широко применяемой в производствах химико-лесного комплекса, сельском хозяйстве, пищевой, строит. материалов, кожевенной, легкой и др. отраслях народного хозяйства,-улучшение качества веществ и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является последней технол. операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми мех. способами, окончательно-тепловыми.

Естественную С. на открытом воздухе из-за значит. продолжительности используют крайне редко и гл. обр. в районах с теплым климатом. В хим. производствах применяют, как правило, искусственную С., проводимую в спец. сушильных установках, в состав которых входят: сушильный аппарат, или сушилка, где непосредственно протекает процесс; вспомогат. оборудование-теплообменные аппараты (калориферы), тяго-дутьевое устройство (вентилятор, воздуходувка) и система пылеочистки (см. пылеулавливание) соотв. для нагревания сушильного агента, пропускания его через сушилку и отделения от высушенного продукта.

По способу подвода теплоты к влажному телу различают след. виды С.: 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 гидродинамич. 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 преим. первые два вида, в хим. производствах-конвективную. Остальные виды применяют весьма редко и наз. обычно специальными видами С.

При любом виде С. ее влажный объект находится в контакте с влажным газом (в осн. с воздухом). Поэтому знание их параметров необходимо при описании процессов С. и их расчетах. Осн. параметры: влажного тела-влагосодержание и (отношение массы влаги к массе абс. сухой части); влажного газа — температура t, влагосодержание x (отношение массы паров к массе абс. сухой части), относит. влажность φ (отношение массы пара в данном объеме к массе насыщ. пара в том же объеме при одинаковых условиях), уд. энтальпия I, равная сумме уд. энтальпий абс. сухой части и паров (см. также влажность), росы точка, температура мокрого термометра (температура адиабатич. насыщения).

Статика сушки

Под статикой С. обычно понимают, состояние термо-динамич. 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 внутр. структуры, а также движущей силы С.

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

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

Физ.-хим. связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (напр., в Коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмол. взаимод. на поверхности пор материала в виде монослоя или неск. слоев (см. адсорбция). Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотич. силами (см. осмос). Влага этих видов связи с трудом удаляется при С.

Механическая, или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10⁻⁷ мм) и микрокапилляров (менее 10⁻⁷ мм). Влага макрокапилляров наим. прочно связана с материалом и м. б. удалена не только при С., но и механически.

Применительно к С. влагу классифицируют в более широком смысле на свободную (легко удаляемую) и связанную (адсорбционную, осмотич., микрокапилляров). Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости испарения воды со своб. 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 С.:

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

Изотермы сорбции-десорбция. Их изучение — один из наиболее распространенных методов исследования термодинамич. 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 φ_p соответствует вполне определенное равновесное влагосодержание материала u_р. Изотермы сорбции и десорбции представляют собой зависимости u_р =f(φ_p).

Линии постоянных температур (t = const) вместе с линиями постоянных влагосодержания (х = const), относит. влажности (φ = const) и энтальпии (I = const) влажного воздуха наносят на психрометрия, диаграмму I — x (см. газов увлажнение), с помощью которой обычно изучают С. 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 φ) и скорости его движения относительно материала достигается соответствующий режим С. Кроме этих факторов на него влияет также давление, если оно значительно отклоняется от атмосферного (вакуум-С.). Для обеспечения заданных режимов С. 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 неск. 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.

Осн. вариант С. 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 С. На этом рис. процессу С. в основном варианте (без рецикла) отвечает линия AB'C. По сравнению с ним вариант с рециклом отличают большее влагосодержание воздуха, менее высокие температура (режим С. 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 С. — 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 к.-л. сушилку теплоты равен ее расходу. В случае конвективной С. 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 С. В случае контактной С. из теплового баланса находят расход водяного пара, теплота ик-рого 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 (хнас}, x_см-влагосодержания насыщ. воздуха в смеси свежего воздуха с частью отработанного).

Тепло- и массоперенос при сушке

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

По достижении указанного равновесия С. прекращается. Следовательно, С. — существенно неравновесный процесс, движущей силой которого является разность хим. потенциалов. Последние определяются через градиенты параметров материальных потоков, участвующих в С. Например, при конвективной С. движущую силу можно выразить разностью: парциальных давлений Δp=p_м—p_п (р_м-давление паров влаги у поверхности материала, р_п- парциальное давление водяных паров в воздухе); влагосодержаний Δx = х_нас — x (х_нас-влагосодержание воздуха, насыщ. водяными парами вблизи поверхности материала, x-влагосодержание ненасыщ. воздуха); температур Δq = 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 Δp, Δx и Δq будут различны, в расчетах используют среднюю движущую силу С.

Различают обычно внеш. и внутр. перенос влаги и теплоты. Внеш. перенос (тепло- и массообмен) происходит между влажным телом и сушильным агентом и характеризуется коэф. тепло- и массоотдачи, для которых известны многочисл. эмпирич. корреляции; внутр. перенос-движение влаги во внутр. слоях материала.

Динамика С. Для описания внутр. 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 фено-менологич. уравнений с кинетич. коэффициентами, или коэф. переноса K_ik (см. также переноса процессы):

где K₁₁ = D-коэф. диффузии; K₁₂ = Dd (d-термоградиентный коэф., характеризующий степень влияния температуры на поток влаги в высушиваемом теле); К₁₃ = К_ф.п./ρ_т(К_ф.п. — коэф. фильтрац. переноса влаги, отражающий степень влияния давления на поток влаги в материале, ρ_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 (ОE1; если перемещаемая влага-жидкость, Е = 0, если-пар, то Е= 1); С — уд. теплоемкость влажного материала]; К₂₂ = а — коэф. температуропроводности; К₂₃ = = EQ_испD⁻¹ x K'_ф.п. /С_вл (К'_ф.п. — относит. коэф. фильтрац. переноса влаги, характеризующий влияние давления на поток теплоты в теле через поток влаги); K₃₁ = — ED/C_e (C_е-коэф. тепло- или массоемкости влажного газа в пористом теле); К₃₂ = -ED/C_e; K₃₃ = K_ф.п./Сеρ_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 коэф. переноса, т. е. лишь для отдельных зон сушильного аппарата.}

Кинетика С. отражает изменения во времени средних по объему высушиваемого материала его влагосодержанияи температуры. Знание кинетики С. позволяет рассчитать время т_с С. материала от начального (u_н) до конечного (u_к) влагосо-держаний. На рис. 2, а изображены кривая наз. кривой С., и кривая нагрева телаПоскольку при С. влагосодержакие 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 С. состоит из неск. участков, соответствующих разл. 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 С. обычно возрастает от куля до постоянной ее скорости N в I период; продолжительность периода прогрева, как правило, незначительна по сравнению с др. 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 С. в I период;

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

где α-коэф. 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 своб. 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 приближениек и_р:

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

Процесс С. (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 С. в этих координатах имеет более сложный вид.

При пренебрежении продолжительностью периода про-грева влажного материала необходимое время его С. определится равенством:

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

где М-масса материала, приходящаяся на единицу его поверхности; К_об, А, В — параметры кривой, причем А = и_рА + Δ_A и В = и_pB + Δ_В; и _А и и_рВ-начальная (соответствует φ = 1 при неизменных условиях С.) и конечная равновесные влажности материала; Δ_А и Δ_В-поправки, определяемые кинетикой С. Параметр К_об по аналогии с аппроксимацией (12) можно представить в виде: К_об = x'N', где коэф. x' зависит только от свойств материала, а N'-модуль скорости С. в точке перегиба кривой С., т. е. макс. скорость процесса, которая определяется в осн. его режимом. Предполагая, что в момент макс. скорости С. вся теплота, подводимая к материалу, расходуется на испарение влаги, по аналогии с выражением (11) находят уравнение: N' = [αf_уд(q_с — q_м)]/Q_исп. Согласно равенству (15), необходимое время С. 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 С. 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, CO₂ и др.) либо перегретый водяной пар. В простейшем случае сушильный процесс осуществляется т. обр., 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 осн. калорифере, а остальную теплоту получает в дополнит. калориферах, установленных в сушильной камере. В случае материалов, С. которых требует (для предотвращения усадки) повыш. влагосодержания теплоносителя и невысоких температур (напр., древесина, формованные керамич. изделия), применяют сушилки с рециркуляцией части отработанного воздуха, а также сушилки с промежуточным его подогревом между отдельными зонами и одновременной рециркуляцией. Для С. 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 неск. сушильных камерах. Засасываемый вентилятором и нагретый в калориферах воздух проходит между полками над материалом. Сушилки работают периодически при атм. давлении и применяются в малотоннажных производствах для материалов с невысокой температурой С. (напр., 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 С. кирпича, керамич. изделий, окрашенных и лакированных металлических поверхностей, пищ. 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 атм. давлении, непрерывно перемещается материал, постепенно пересыпаясь с верх. 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 перфорир. ленты. Эти сушилки компактнее, чем камерные и туннельные, и отличаются большей интенсивностью С., однако также сложны в обслуживании из-за необходимости ручного труда, перекосов и растяжений лент. Область применения-С. зернистых, гранулир., крупнодисперсных и волокнистых материалов; непригодны для С. тонкодисперсных пылящих материалов. Для С. последних используют ленточные сушилки с формующими питателями, напр. рифлеными вальцами (вальце-ленточные С.).

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

Для обезвоживания пастообразных и листовых (напр., бумаги) материалов иногда служат непрерывно действующие при атм. 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 автоматич. 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 С. по сравнению с камерными сушилками, но конструктивно сложны и требуют значит. эксплуатац. 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, минер. соли и др.). Такая сушилка представляет собой установленный с небольшим наклоном к горизонту (угол α 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, напр. 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 относит. скоростями движения фаз и развитой поверхностью контакта. Осн. гидродинамич. режимы работы: пневмотранспорт (см. также пневмо- и гидротранспорт); закрученные потоки; псевдоожижение; фонтанирование. При существ. уменьшении в процессе С. массы частиц дисперсного материала применяются режимы своб. фонтанирования и проходящего кипящего слоя. Среди этих сушилок наиб. распространены пневматические, вихревые камеры, аппараты с кипящим и фонтанирующим слоем, вибрационные.

Пневматич. сушилки (рис. 7) представляют собой одну или неск. 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 С. 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 повыш. расходы электроэнергии и теплоты (до 8,4 кДж/кг влаги).

Вихревые сушильные камеры — наиб. 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 термочувствит. материалов, свойства которых сильно изменяются при сушке); пунктирные линии-газораспределит. 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 газораспределит. решеток, до которым перемещается материал и которые м. б. плоскими, выгнутыми, выпуклыми, с отверстиями разл. конфигурации; через них снизу продувается предварительно нагретый сушильный агент [объемный коэф. теплоотдачи 6–12 кВт/(м∙К)]. Используют одно- и многосекционные сушилки. В односек" ционных аппаратах, применяемых часто для удаления поверхностной влаги (уд. влагосъем достигает 1000 кг с 1 м² решетки), вследствие близости по гидродинамике к аппаратам идеального смешения наблюдается значит. разброс времен пребывания частиц материала, что приводит к неравномерности С.; многосекционные сушилки обеспечивают большую равномерность высушивания материала. Аппараты с КС позволяют обрабатывать разнообразные сыпучие материалы; С. 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-С. 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 ожижает-ся благодаря воздействию вибраций и потока газа, поступающего Через перфорир. 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 — гл. обр. для досушки материалов или С. материалов с хорошими сыпучими свойствами.

_{Рис. 9. Сушилки с форсуночным (а, б) и дисковым (в, г) распылепием 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 цилиндрич. или цилиндро-конич. камеры. В них вязкие жидкие (молоко, кровь, альбумин и т. д.) и текучие пастообразные материалы распыляются в поток горячего сушильного агента мех. и пневматич. 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 С. в распыленном состоянии материала, движущегося прямо- или противотоком, а также смешанным током с нагретым сушильным агентом, благодаря большой уд. 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 С., 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 повыш. чистоты, улавливать пары неводных растворите-лей, удаляемых из материалов.

Вакуум-сушильные шкафы (рис. 10)-простейшие контактные сушилки периодич. действия. Такая сушилка представляет собой цилиндрич. 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-конденсац. системой и вакуум-насосом. Эти сушилки имеют небольшую производительность и малоэффективны, поскольку С. 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, т. к. обеспечивают возможность С. разных материалов (в т. ч. легко окисляющихся и выделяющих ценные пары) при оптим. 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 цилиндрич. корпусом, снабженным паровой рубашкой. Дисперсный материал (напр., 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 6–8 кг/(м²∙ч).

Вальцовые сушилки (рис. 12) предназначены для непрерывной атмосферной или вакуумной С. 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 м. б. 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 (λ = 0,77–344 мкм) терморадиационных, или просто радиационных, сушилках достигается высокая скорость С. благодаря подводу к влажному материалу большого количества теплоты. Ее генераторами служат устанавливаемые над поверхностью высушиваемого материала (обычно перемещаемого транспортером) спец. электрич. лампы с зеркальными отражателями либо керамич. и металлич. экраны, обогреваемые горячими газами. Эти сушилки компактны и эффективны для обработки обладающих большим коэф. 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 С. в поле токов высокой или сверхвысокой частоты. Такую С. применяют для изделий из пластмасс и резины, фарфоровых изоляторов и иных материалов, обладающих диэлектрич. свойствами. Высокочастотные (диэлектрические) сушилки позволяют быстро и равномерно осуществлять С. 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 осн. часть влаги (до 85%) удаляется в замороженном состоянии под глубоким вакуумом (остаточное давление 5–330 Па) при температуре 0 °C; остальная влага испаряется тепловой вакуум-С. (при 30–45 °C). Теплота, необходимая для С, подводится к материалу от нагретых поверхностей или радиацией от нагретых экранов. Эти сушилки громоздки и сложны в эксплуатации, однако отличаются незначит. расходом теплоты (2,1–2,3 кДж/кг) и позволяют сохранить биол. свойства высушиваемых пищ. продуктов и мед. препаратов (антибиотики, плазма крови и т. д.).

Акустические сушилки отличаются от обыкновенных конвективных, как правило, наличием излучателей ультразвуковых колебаний, источником энергии которых служит кинетич. энергия газовой струи. Благодаря этим излучателям высушиваемый материал подвергается со стороны газовой струи воздействию акустич. поля с уровнем интенсивности 145 дБ. По сравнению с конвективной ультразвуковая С. позволяет в неск. раз ускорить удаление влаги из материала без существ. повышения температуры, что особенно важно при обработке легко окисляющихся и термочувствит. продуктов. Однако из-за высокой стоимости акустич. энергии, обусловленной, в частности, низким кпд излучателей (20–25%), ультразвуковую С. применяют ограниченно, гл. обр. в производстве мелкодисперсных фармацевтич. средств и биологически активных веществ (напр., антибиотики, гормональные препараты).

Выбор сушилок зависит от ряда факторов. К ним относятся: время С., агрегатное состояние, допускаемая температура нагрева, взрыво- и пожароопасность, токсичность, усадка, загрязнение и др. свойства высушиваемого материала; требования к равномерности С.; требования к системе пылеулавливания и т. д. При выборе следует отдавать предпочтение сушилкам непрерывного действия; С. топочными газами экономичнее воздушной С., 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 наиб. рациональный тип сушилки. Пример-классификация капиллярно-пористых материалов. В соответствии с ней влажные материалы дифференцируют по внутр. структуре, а за ее характеристику принимают критич. диаметр пор d_кр, т. е. диаметр наиб. 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 след. 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 эмпирич. коэф. тепло- и массообмена или уд. 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 энергетич. кпд, который определяется как отношение полезно используемой энергии ко всей затраченной; изменение при С. качества энергии сушильного агента учитывает эксергетич. кпд-отношение полезно использованной эксергии к затраченной (см. эксергетический анализ).

Совершенствование техники С. в хим. производствах обусловлено ужесточением требований к охране окружающей среды, необходимостью экономии энергоресурсов и улучшения обслуживания сушильных установок. Реализуются след. направления: 1) применение технологий, при которых на С. поступают наиб. подготовленные к ней материалы (напр., тонкодисперсные, с широкими порами и т. п.); 2) разработка типовых сушилок, пригодных для С. больших групп материалов; 3) создание оптим. 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 С.; 5) развитие нетрадиционных способов С.-ИК и УФ излучением, высокочастотной, СВЧ и акустической, со сбросом давления (в материале происходят самовскипание и частичный мех. 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 комбинир. сушилок — с конвективным и контактным подводом теплоты, а также сочетающих С. с др. процессами (измельчением, гранулированием, хим. реакциями и т. д.); 7) использование экологически рациональных сушилок — безуносных (С. происходит одновременно с улавливанием готового продукта, напр. в сушилках со встречными закрученными потоками), с организацией процесса т. обр., чтобы на пылеочистку поступало меньшее количество крупнодисперсного материала, а также с макс. утилизацией теплоты отработанного сушильного агента.

Сушка в лабораторных условиях

В лаб. практике применяют в осн. те же методы и сушилки, что и при пром. С. Исследования механизмов, периодического и непрерывного режимов С. веществ и материалов, особенностей их поведения и свойств сушильных агентов, отработку гидродинамики и конструкций сушильных аппаратов проводят на опытных установках, моделирующих пром. сушилки.

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

Для С. веществ, легко разлагающихся при нагр. до 100 °C, применяют вакуум-сушильные шкафы, снабженные рубашкой для жидкого теплоносителя, с газовым либо электрич. обогревом. Для осторожного и быстрого высушивания мн. осадков удобно пользоваться металлич. штативами с укрепленными на них рефлекторами, которые снабжены лампами ИК излучения или обычными электролампами мощностью не менее 200 Вт. Применяют также т. наз. карусельные инфракрасные сушилки, позволяющие высушивать одновременно неск. образцов, и т. д. Для высушивания хим. посуды используют спец. сушилки, в которых воздух нагревается в металлич. змеевике, либо сушильные шкафы (при 80–100 °C). Возможна С. веществ и посуды на открытом воздухе.

Кроме тепловых применяют также др. методы обезвоживания: путем хим. связывания влаги веществами (напр., металлич. Na, CaC₂), не взаимодействующими с осушаемыми жидкостями; поглощением из твердых тел и жидкостей паров воды гигроскопич. веществами (напр., CaCl₂, конц. H₂SO₄); твердыми адсорбентами с высокой уд. поверхностью, напр. цеолитами, поглощающими влагу из жидкостей (т. наз. лиофильное высушивание); С. сублимированием и др. Твердые вещества (легко взрывающиеся) сушат в струе инертного газа (напр., азота или гелия, иногда CO₂). 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; Мушта-ев 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}