Кинетика сушки в урановой технологии

30.05.2018
Статика сушки устанавливает связь между начальными и конечными параметрами материала и теплоносителя и позволяет определить состав материала и расход тепла и воздуха на сушку. Однако для определения продолжительности сушки и режима процесса необходимо дополнительно знать уравнения кинетики сушки, которые устанавливают связь между изменением влажности материала во времени и такими параметрами процесса, как гидродинамическая обстановка и свойства материала.

Скорость сушки определяется интенсивностью прохождения двух процессов: скоростью движения влаги материала к его поверхности и скоростью испарения влаги со свободной поверхности материала. Влияние каждого из этих процессов во времени на процесс сушки различно.

В начальный период сушки скорость этого процесса обычно постоянна и обусловлена практически целиком скоростью самоиспарения (рис. 10.4). Это объясняется тем, что в начале сушки существует достаточно высокая разность парциальных давлений пара над материалом и в воздухе, обусловливающая возникновение существенной разности между концентрацией влаги внутри материала и на его поверхности. При этом изнутри материала к его поверхности поступает достаточное количество влаги, скорость поступления которой значительно превышает скорость самоиспарения.
Кинетика сушки в урановой технологии

В этот первый период сушки скорость процесса зависит главным образом от тех параметров, которые влияют на интенсивность удаления влаги с поверхности материала, т. е. от величины этой поверхности, температурного режима процесса, скорости и влагосодержания воздуха, характера и условий обтекания материала воздухом.

В дальнейшем наступает второй период сушки, когда скорость процесса начинает зависеть прежде всего от интенсивности поступления влаги изнутри материала к его поверхности, т. е. от таких факторов, как природа материала, его толщина и влагосодержание. При этом влияние скорости воздуха и его влагосодержания сводится к минимуму.

Величина скорости сушки во втором периоде определяется действием сил тяжести и капиллярных, а также закономерностями внутренней диффузии. При этом скорость сушки постепенно падает и процесс практически прекращается в тот момент, когда материал достигнет равновесной влажности, т. е. когда давление пара над материалом станет равно давлению пара в воздухе.

При расчете сушилок используются функциональные зависимости скорости сушки от времени, которые для каждого из двух периодов процесса имеют свой вид. Практически такие зависимости находят на основании экспериментального изучения режима процесса сушки графическим построением. Кривые скорости сушки получают на графике время сушки — влажность материала.

Известны также теоретические методы определения скорости сушки. Однако полученные при этом выражения очень громоздки и их можно использовать только для приближенных расчетов.

В общем виде скорость сушки характеризуется количеством влаги, которая удаляется в 1 ч с 1 м2 поверхности высушиваемого материала:

где U — скорость сушки, кг/м2*ч; F — поверхность материала, м2; т — продолжительность сушки, г.

Для первого периода сушки, если процесс идет при постоянном влагосодержании теплоносителя, уравнение скорости сушки имеет вид

где kp — коэффициент массопередачи или коэффициент скорости самоиспарения; рн — давление насыщенного пара, соответствующее температуре испарения; рп — парциальное давление пара в теплоносителе.

В выражении (10.9) разность рн—рн определяет величину движущей силы процесса сушки в первом периоде.

Величину коэффициента массопередачи kp при этом можно найти с помощью уравнения, аналогичного тому, которое используется при расчете тепловых процессов для расчета коэффициента теплоотдачи:

где w — скорость движения воздуха, м/сек; у — удельный вес воздуха, кг/м3; b — коэффициент, учитывающий переход от разности температур к разности давлений; А, n — постоянные, определяемые экспериментально.

Для случая движения нагретого воздуха параллельно поверхности высушиваемого материала уравнение (10.10) принимает вид

где kp — коэффициент массопередачи, кг/м2*ч*мм рт. ст.

Продолжительность первого периода сушки можно определить с помощью уравнения

где Gc — количество абсолютно сухого материала в высушиваемом материале, кг; C0 — критическое влагосодержание материала (на границе двух периодов), кг/кг абсолютно сухого материала; сн и ср — начальное и равновесное влагосодержание материала, кг/кг абсолютно сухого материала.

Для второго периода сушки уравнение скорости сушки имеет вид

где kс — коэффициент массопередачи, кг/м2 ч; с и ср — влагосодержание материала в данный момент и при равновесии, кг/кг абсолютно сухого материала.

Уравнение (10.13) получено при условии, что скорость сушки во втором периоде определяется закономерностями диффузии, а кривая скорости сушки — прямая линия.

Совместное рассмотрение уравнений (10.8) и (10.13) позволяет получить выражение для определения продолжительности второго периода сушки

где с2 — влагосодержание материала в конце второго периода сушки, кг/кг абсолютно сухого материала.