Пожарная безопасность процесса сушки.

В различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и быту нередко возникает необходимость удаления влаги из твердых, зернистых, порошкообразных, волокнистых и других веществ и материалов. Удаление влаги из материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, повысить механическую прочность твердых материалов, уменьшить слеживаемость удобрений, улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении и последующей обработке этих материалов

Сушка является одним из распространённых технологических процессов в промышленных и агропромышленных производствах.

В результате удаления влаги, обезвоженные материалы и продукты уменьшаются в весе, повышается их механическая прочность и стойкость к воздействию окружающей среды, вследствие чего увеличивается длительность хранения пищевых и кормовых продуктов, время эксплуатации конструкций и сооружений, выполненных из древесины и подверженных гниению различных материалов.

Однако сам процесс сушки представляет повышенную пожарную опасность и высушенные продукты и материалы, как правило, также пожароопасны. Поэтому для обеспечения пожарной безопасности при эксплуатации сушильных установок требуется знание физической сущности процесса сушки, причин и условий возникновения и развития пожаров при сушке и хранении высушенных материалов.

Под сушкой понимают процесс удаления любой жидкости из различных веществ, материалов, продуктов и изделий. Наиболее распространенным является удаление из высушиваемых материалов воды. Удаление влаги из материалов и продуктов может осуществляться механическим, физико-химическим и тепловым способами. Механические способы (прессование, фильтрование, центрифугирование, отжим и отсасывание) применяют в тех случаях, когда не требуется полное удаление влаги; физико-химический (поглощение влаги химическими реагентами и гигроскопическими веществами) – применяют главным образом при осушке газов. Тепловой способ является основным.

Тепловой или термической сушкой называют процесс удаления воды или другой жидкости из материалов испарением под действием температуры. При этом на испарение влаги или другой жидкости затрачивается тепловая энергия.

Термический КПД сушильных установок можно оценить по формуле:

,

где Т – температура входящего воздуха, Т_О – температура выходящего из сушилки воздуха, Т_Н – температура наружного воздуха.

Сушка является сложным тепломассообменным процессом, интенсивность которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала и отвода её в окружающую среду. Основные положения по кинетике сушки впервые были сформулированы русскими учёными С.П. Коссовичем и А.П. Лебедевым. Большой вклад в развитие теории, технологии и техники сушки внесли советские учёные А.В. Лыков, П.Д. Лебедев, М.Ю. Лурье, Г.А. Кук, П.Г. Романков, Л.Н. Плановский, А.С. Гинзбург, Н.Е. Федоров, А.А. Долинский, М.В. Лыков и другие.

Сушка – один из наиболее распространенных технологических процессов. Важно отметить и то, что процесс сушки энергоёмкий. По оценкам многих специалистов на сушку затрачивается более 12% тепловой энергии, получаемой при сжигании органического топлива. Естественно, что вопросы экономичности и интенсификации тепловой сушки всегда находились в центре внимания специалистов по процессам и аппаратам тепловой сушки. Поскольку интенсификация процессов термической сушки сопровождается повышением пожаровзрывоопасности, то этими вопросами занимались как специалисты по сушке, так и по пожарной безопасности.

По способу подвода тепловой энергии к высушиваемому материалу различают следующие виды сушилок: конвективные (подвод теплоты и отвод паров жидкости осуществляется конвективными потоками газообразного сушильного агента); кондуктивные или контактные (теплота передается в основном теплопроводностью от нагретой поверхности); радиационные (теплота от нагревателя к высушиваемому материалу передается тепловым излучением); диэлектрические (материал нагревается в поле высокой частоты) и комбинированные. При производстве пищевых, кормовых, химических продуктов, при сушке окрашенных изделий и древесных материалов наибольшее распространение получили конвективные сушилки. Предпочтение конвективным сушилкам отдается потому, что они позволяют получать продукты повышенного качества, полностью механизировать и автоматизировать процесс сушки.

Механизм и кинетика сушки определяются в основном формой связи влаги с материалом и режимом сушки.

В основу классификации форм связи влаги с материалом положена схема П.А. Ребиндера. Согласно этой схеме различают физико-механическую, физико-химическую и химическую связь. При физико-механической связи влага и твёрдый материал могут находиться в произвольных (неопределенных) соотношениях. Для физико-химической связи характерно более определенное соотношение, хотя и не строгое соотношение, которое свойственно химической связи.

При сушке удаляется влага, связанная с материалом физико- механически и физико-химически. Химически связанная влага не удаляется, так как этот процесс сопровождается необратимыми изменениями, ухудшающими качество продукта.

Влагу, связанную с материалом слабыми силами, называют свободной. Она испаряется практически так же, как и влага со свободной поверхности жидкости. Парциальное давление пара Р_р на поверхности жидкости равно парциальному давлению насыщенного пара (Р_р=Р_s). Для влаги, связанной с материалом физико-химическими (например, адсорбционными) силами, Р_р< Р_s.

В процессе сушки влага перемещается из внутренних слоев к поверхности материала. Затем путем диффузии она проникает через пограничный слой и конвективными потоками рассеивается в окружающей среде. При большом влагосодержании внутри материала влага перемещается в виде жидкости. По мере уменьшения – в виде смеси жидкости с паром и, наконец, при малом содержании – в виде пара.

Процесс сушки характеризуется изменением влагосодержания и температуры высушиваемого материала. В общем случае кинетическая кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих периодам сушки (рис. 7.13).

Рис.7.13. Кривые сушки: - первый период сушки, τ₂-второй период сушки

В начальный момент времени материал нагревается (отрезок АВ). Скорость сушки возрастает. Температура поверхности материала Т_м повышается до температуры мокрого термометра Т_{м т}. При этом скорость сушки достигает максимальной величины. Далее следует период постоянной скорости сушки, соответствующий участку ВС. Периодом прогрева обычно пренебрегают и период постоянной скорости сушки называют первым периодом сушки. Этот период продолжается до точки, соответствующей критическому влагосодержанию (точка C). Затем скорость сушки уменьшается. Влагосодержание материала асимптотически приближается к равновесному, и температура поверхности материала приближается к температуре окружающего сушильного агента. На этом процесс сушки прекращают и высушенный материал охлаждают. Если этого не сделать, то высушенный материал, склонный к самовозгоранию, начнет саморазогреваться, что может привести к пожару или взрыву.

Как уже было отмечено, сушка является энергоемкой и дорогостоящей технологией. Поэтому вопросы по снижению затрат на сушку и по ускорению процессов сушки всегда находились в центре внимания производственников и разработчиков процессов и аппаратов тепловой сушки. К настоящему времени определились три основных направления по интенсификации и снижению энергетических затрат:

- повышение температуры сушильного агента:

- снижение температуры отработавшего сушильного агента.

- увеличение площади контакта высушиваемого материала с сушильным агентом.

Влияние этих способов интенсификации на пожаровзрывоопасность процессов сушки различное. Наибольшую опасность представляет температурная интенсификация. В свое время разработчики сушильной техники при поддержке пожарного специалиста М.Г. Годжелло предложили при производстве сухих пищевых продуктов температуру сушильного агента ограничить так называемой “инициальной температурой загораемости”, а группа научных сотрудников ВНИИПО – “температурой тления”. Эти ограничения затормозили научно-технический прогресс в области сушки, но не уменьшили, а даже увеличили пожаровзрывоопасность. Эти ограничения были сняты разработкой теории самовозгорания, усовершенствование теории зажигания и разработка новых методов определения условий возникновения горения. Конечный результат наших предложений таков: технико- экономические показатели существенно возросли при одновременном резком сокращением пожаров и взрывов. Теория и практика показали, что прямой зависимости горючести в сушильных установках от температуры сушильного агента нет. Пожары и взрывы возникают в основном из-за побочных факторов. Для предупреждения пожаров надо знать условия возникновения загораний и принимать своевременные меры по устранению этих условий.