Технологии в условиях низкого вакуума. Часть 3

- 1 - 

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ТЕХНОЛОГИИ В УСЛОВИЯХ 

НИЗКОГО ВАКУУМА 

 

Часть 3 

 

Методические указания  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2018 

- 2 - 

УДК 66.083(07)
ББК 31.77я7

Т38

 

Печатаются по решению методической комиссии  

института химического и нефтяного машиностроения 

 

Рецензенты: 

доц. С. В. Визгалов 
доц. И. И. Шарапов 

 
 
 
 

Составители: 

доц. Д. И. Сагдеев, доц. А. Х. Садыков, доц. А. В. Гаврилов, 
доц. С. А. Бурцев, ст. преп. Д. В. Косенков, проф. В. А. Аляев 

 

Т38

Технологии в условиях низкого вакуума : методические указания : 
в 3 ч. Ч. 3 / сост.: Д. И. Сагдеев [и др.]; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 52 с.

 

Изложены основные сведения по основным методам сушки влажных 

материалов, расчету оптимальных режимов работы сушильных аппаратов в 
условиях вакуума. Представлены лабораторные работы по спецкурсу 
«Вакуумные технологии». 

Предназначены 
для 
студентов, 
обучающихся 
по 
направлению 

подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», профиль 
«Вакуумная и компрессорная техника физических установок», очной формы 
обучения. 

Подготовлены на кафедре вакуумной техники электрофизических 

установок. 

 

 
 
 
 
 
 
 

УДК 66.083(07)
ББК 31.77я7

- 3 - 

Лабораторная работа 7 

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ 

Цель работы: ознакомиться с методами экспериментального 

получения кривых сушки и определение коэффициента сушки; 
выполнить эксперименты для получения кривой сушки и кривой 
скорости сушки; освоить методы обсчета кривых кинетики сушки. 

Задание 

1. Изучить и законспектировать учебный материал по кинетике 

конвективной сушке. 

2. 
Произвести 
экспериментальное 
исследование 
процесса 

конвективной сушки при атмосферном давлении. 

3. Построить графики кривой сушки и кривой скорости сушки. 
4. Рассчитать времена сушки в первом и втором периодах 
5. Написать выводы по лабораторной работе. 
6. Пройти контроль знаний на ЭВМ. 

Теоретические положения 

Основные положения конвективной сушки 

Сушкой называется процесс удаления влаги из веществ 

(обычно твердых тел) путем ее испарения и отвода образующихся 
паров. Часто тепловой сушке предшествуют механические способы 
удаления влаги (отстаивание, фильтрование, центрифугирование и 
др.). 

Во всех случаях при сушке в виде пара удаляется легколетучий 

компонент (вода, органический растворитель и т. д.). Этот процесс 
применяется обычно или на конечной стадии технологического 
процесса с целью обеспечения высоких физико-механических 
характеристик получаемых продуктов, или на промежуточных 
стадиях, если удаление растворителя необходимо по технологическим 
соображениям. 

По 
физической 
сущности 
сушка 
является 
процессом 

совместного тепломассопереноса и сводится к перераспределению и 
перемещению 
влаги 
под 
воздействием 
теплоты 
из 
глубины 

высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее 
испарению. В процессе сушки влажное тело стремится к состоянию 
равновесия 
с 
окружающей 
парогазовой 
средой, 
поэтому 
его 

- 4 - 

температура  t  и влагосодержание  
U в общем случае являются 

функцией времени  
  и координат 

, ,
x y z : 

 


1
, , ,
t
f
x y z 

, 
(7.1) 

 


2
, , ,
U
f
x y z 
 
, 
(7.2) 

Влагосодержание можно выразить как массовую долю или % 

влаги 

W  от всей массы поступающего на сушку вещества 



н
к
G
G
W


 

 



 
н
к
/
/
100
/
%
U
W G кг кг
W
G
W




, 
(7.3) 

Влагосодержание можно также выразить как массовую долю 

или % влаги 

W  от массы сухого вещества 

к
G
 

 


 
к
к
/
/
100
/
%
U
W G кг кг
W G
 


, 
(7.4) 

Отношение массы влаги к общей массе влажного материала 

определяется как влажность этого материала – U . Она может 
изменяться в широких пределах (от 0 до 100%). При влажности 0% мы 
будем иметь абсолютно сухой материал, при влажности 100% — воду. 

В сушильной практике использовать для расчетов влажность 

материала в связи с переменной величиной показателей трудно, 
поэтому вводится понятие — влагосодержание материала, при 
котором неизменной величиной является масса абсолютно сухого 
вещества – U . Влагосодержание материала определяется как 
отношение массы влаги в материале к массе сухого вещества его. Этот 
показатель изменяется от абсолютно сухого вещества до состояния 
воды. 

Теорию сушки можно разделить на три основных раздела: 

статику, кинетику и динамику процесса сушки. 

Статика сушильного процесса изучает формы связи между 

влагой и сухим веществом высушиваемого материала, свойства 
воздуха как сушильного агента и взаимодействие материала и воздуха 
во время сушки. 

Кинетика и динамика сушильного процесса рассматривают 

вопросы внутреннего и внешнего переноса тепла и массы в процессе 
сушки, то есть тепло– и массообмен в условиях нестандартно 
протекающего процесса, когда непрерывно меняются характеристики 

- 5 - 

сушильного агента и высушиваемого материала. Объектом сушки 
обычно является какое-либо вещество, состоящее из твердой и жидкой 
фаз (наличием в нем газообразной фазы можно пренебречь). 

Связь между влагой и сухим веществом высушиваемого 

материала в коллоидно–капиллярно–пористом теле в зависимости от 
величины энергии разделяют на четыре формы: 

Химическая связь, при которой вода входит в состав молекулы 

вещества; эта связь обладает наиболее высокой энергией. Химически 
связанную воду удалить из вещества без его разрушения невозможно, 
поэтому такая форма связи влаги при сушке материала не 
учитывается. Эта форма воды не определяется принятыми методами 
определения влажности материала; 

Адсорбционная связь, когда вода в виде тонкой пленки 

удерживается силами поверхностного натяжения на внутренней и 
внешней поверхности мицелл коллоидного тела. Для удаления 
адсорбционной воды необходима длительная сушка; 

Осмотическая связь, при которой вода связана с твердым 

телом непрочно и легко удаляется из материала. Иногда этот вид связи 
называют 
влагой 
набухания. 
Осмотически 
удерживаемая 

адсорбционная вода связана с сухим веществом физико-химической 
связью; 

Капиллярная связь, которой обладает вода, содержащаяся в 

капиллярах и связанная с сухим веществом механической связью. В 
зависимости от радиуса капилляра различают макрокапиллярную 
влагу, которая находится в капиллярах со средним радиусом более 

7
2 10
d



 м, и микрокапиллярную влагу, находящуюся в капиллярах 

со 
средним 
радиусом 
менее 
7
2 10
d



 
м. 
Для 
удаления 

микрокапиллярной влаги требуется больше энергии, чем для удаления 
макрокапиллярной и даже осмотически удерживаемой влаги. 

В сушильной практике влагу в материале различают также по 

характеру взаимодействия ее с окружающей средой. По этому 
признаку 
она 
делится 
на 
свободную, 
гигроскопическую 
и 

равновесную. 

Свободная влага – влага материала, которая испаряется с такой 

же интенсивностью, как влага со свободной поверхности. Известно, 
что количество влаги, испаренной со свободной поверхности, прямо 
пропорционально 
продолжительности 
испарения, 
поверхности 

испаряющейся жидкости и коэффициенту испарения, который зависит 

- 6 - 

от скорости движения воздуха. При скорости воздуха, равной нулю, 
испарение происходить не будет, коэффициент испарения равен нулю. 
При возрастании скорости воздуха в определенных пределах 
коэффициент 
испарения 
увеличивается. 
Однако 
при 
больших 

скоростях воздуха влияние скорости на процесс испарения мало 
заметно. 

Следует иметь в виду, что вследствие того, что водяной пар 

легче воздуха, при испарении влаги со свободной поверхности 
образуются конвективные токи, что способствует уносу молекул пара 
и ускоряет испарение. Количественно свободную влагу можно найти 
как разность между первоначальной влажностью материала и 
гигроскопической влажностью его. 

Гигроскопическая влага – влага, обусловливающая такую 

влажность материала, при которой упругость паров воды на 
поверхности материала меньше упругости паров над поверхностью 
свободно испаряющейся воды. В этом случае испарение влаги из 
материала протекает медленнее, чем испарение влаги в этих же 
условиях со свободной поверхности. 

Соотношение между свободной и гигроскопической влагой в 

материале зависит от его коллоидно-структурных свойств. Чем 
больше свободной влаги, тем материал быстрее сохнет. 

Равновесная влага – влага, создающая влажность материала, 

при которой наступает равновесие между материалом и сушильным 
агентом. При этой влажности передвижения влаги из материала в 
сушильный агент и обратно не наблюдается. Такая равновесная 
влажность зависит от температуры и относительной влажности 
воздуха и изменяется с изменением их. 

Графически равновесная влага может быть определена по 

кривым десорбции (процесс снижения влажности до равновесной) и 
сорбции (процесс поглощения влаги материалом из воздуха), которые 
представлены на рис. 7.1. 

Сушильный процесс представляет собой процесс удаления 

влаги 
из 
материала 
до 
достижения 
равновесной 
влажности. 

Равновесная влажность имеет большое значение в сушильной 
практике, так как по ее значению определяют потенциальную 
возможность воздуха как сушильного агента, связь влаги с 
материалом, условия хранения высушенного продукта, характера тары 
для его упаковки. На протекание сушильного процесса большое 
влияние оказывают также влагопроводность и влагоотдача материала. 

- 7 - 

 

Рис. 7.1. Зависимость равновесной влажности материала от 

относительной влажности воздуха: 

1 – изотерма десорбции; 2 – изотерма сорбции 

Влагопроводность (перенос влаги внутри материала) – это 

способность влаги перемещаться из центра материала к его 
пограничному слою в виде жидкости или пара. Интенсивность 
перемещения зависит от физико-химических свойств материала, 
влажности, температуры, причем в процессе сушки эта интенсивность 
падает. 

Влагоотдача 
(внешний 
перенос) 
– 
способность 
влаги 

перемещаться в зону испарения. Влагоотдача также изменяется в 
процессе сушки и зависит от состояния наружного слоя материала. 

Как указывалось, в качестве теплоносителя и влагопоглотителя 

в сушильной практике в промышленности пищевых концентратов 
применяют воздух. Свойства воздуха как сушильного агента 
(теплоносителя и влагопоглотителя) определяются его физическим 
состоянием. 

Удаление влаги с воздухом возможно только при его 

движении, без движения воздуха нельзя осуществить конвективную 
сушку. Скорость движения воздуха зависит от его количества, сечения 
сушилки и внутренних сопротивлений, создаваемых аппаратом и 
высушиваемым продуктом. 

Процесс сушки представляет собой взаимосвязанные процессы 

тепло- 
и 
массообмена 
между 
высушиваемым 
материалом 
и 

- 8 - 

сушильным агентом. Этот обмен может протекать как на поверхности 
материала (внешний тепломассообмен), так и внутри частиц материала 
(внутренний тепломассообмен). 

Для характеристики процесса сушки используют кривые 

сушки (рис. 7.2), которые строят в координатах   (время сушки) и U 
(влагосодержание). Также на данном графике по оси θ обозначается 
изменение 
температуры 
высушиваемого 
материала, 
которая 

увеличивается по мере сушки продукта. 

 

Рис. 7.2. Кривая сушки материала ( влагосодержание – время) 

Участок прямой АВ характеризует поcтоянную скорость 

сушки (за равные промежутки времени испаряется одинаковое 
количество влаги). 

В 
этом 
периоде 
сушки 
температура 
материала 
равна 

температуре мокрого термометра  
мt
, то есть испарение влаги 

происходит только с поверхности материала, а влага из внутренних 
слоев его диффундирует на поверхность в жидком виде. Первый 
период сушки продолжается до тех пор, пока влажность материала не 
сравняется с гигроскопической влажностью. 

- 9 - 

На продолжительность первого периода и интенсивность 

сушки влияет в первую очередь не температура сушильного агента, а 
его объем и количество тепла, подводимого с ним. В данном случае, 
учитывая, что температура продукта в этот период сушки не может 
быть выше температуры мокрого термометра, т. е. практически всегда 
ниже 100°С, нет смысла значительно завышать температуру 
сушильного агента и, наоборот, желательно увеличить его объем. Во 
избежание охлаждения продукта и остановки из-за этого процесса 
сушки нужно подводить к высушиваемому материалу не меньше 
тепла, чем затрачивается его на испарение влаги. Интенсивность 
процесса сушки в этот период не зависит от физико-химических 
свойств материала и влагосодержания, а является только функцией 
параметров сушильного агента. 

Точка 
В по абсциссе характеризует гигроскопическую 

влажность, точка С – равновесную влажность при достижении которой 
сушильный процесс прекращается. 

Участок кривой ВС характеризует второй период сушки, когда 

скорость сушки уменьшается с уменьшением влагосодержания 
материала. Температура материала в этот период все время 
увеличивается и к концу его приближается к температуре сушильного 
агента. После достижения гигроскопической влажности продукта 
характер испарения влаги меняется. Зона испарения влаги все время 
перемещается вглубь материала, и испарение уже происходит не с 
поверхности продукта, а на некоторой глубине. Так как в данном 
случае зона испарения углубляется, скорость сушки все время 
снижается. В результате обезвоживания верхних слоев материала 
происходит нарушение капилляров продукта (сжатие их), что 
вызывает существенное уменьшение скорости сушки и деформацию 
продукта. 

В этот период сушки важно поддерживать как можно более 

высокую температуру продукта в результате повышения температуры 
сушильного агента. Однако температуру сушильного агента надо 
выбирать с учетом технологических свойств материала, что в 
некоторых случаях может ограничить уровень ее.Во второй период 
сушки на протяженность процесса и его интенсификацию основное 
влияние оказывают температура теплоносителя и физико-химические 
свойства продукта. 

Кинетику процесса сушки изучают по кривым сушки и кривым 

скорости сушки, представленным на рис. 7.2 и рис. 7.3. 

- 10 - 

 

Рис. 7.3. Кривая скорости сушки (скорость сушки - влагосодержание) 

Кинетика сушки. Константы скорости сушки 

 

Кинетику сушки определяет закон изменения содержания 

жидкости в высушиваемом материале. Содержание жидкости в 
твердых материалах оценивают – количеством влаги, содержащимся в 
единице количества сухого материала. 

Анализ процесса конвективной сушки проводится на примере 

конвективной сушки, которая представляет собой сложный тепло–
массообменный процесс, в котором подвод тепла к материалу и отвод 
образующихся паров производится сушильным агентом чаще всего 
воздухом. 

Движущей силой процесса является разность парциальных 

давлений или концентраций пара непосредственно над поверхностью 
материала и в окружающем сушильном агенте. 

Сушка твердых материалов, в зависимости от характера 

удаления жидкости, подразделяется на две основные части: сушка в 
первом и втором периодах.