2. Равновесие фаз при сушке

Рассмотрим влажное твердое тело, находящееся в контакте с газо­вым потоком. При постоянном давлении и определенной темпера­туре влажный газ характеризуется величиной относительной влаж­ности:

. (21.30)

Если давление пара жидкости в материале р_м отличается от парциального давления пара в газовом потоке р_п, то между двумя фазами будет иметь место массообмен вплоть до состояния равно­весия, которое возникает при р_м= р_п. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому

Рис. 21-I. Диаграмма состояния влажного материала

предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью .

Направление массопереноса определяется абсолютными значе­ниями величин р_м и р_п. Если р_п > р_м, перенос влаги осуществляется из газа к твердому телу, т. е. происходит процесс сорбции (увлажне­ния). В противоположном случае, когда р_п < р_м, перенос влаги осуществляется из твердой фазы в газовую, т.е. идет процесс десорбции (сушки).

Когда давление пара жидкости в материале р_м становится равным парциальному давлению пара в газовой фазе р_п, массообмен прекращается и достигается состояние динамического равно­весия. При этом в условиях постоянных давления и температуры каждому значению относительной влажности φ соответствует опре­деленная величина влагосодержания (равновесного) материала. Имея совокупность величин , можно построить изотерму, которая будет характеризовать данное влажное тело (изотерма сорбции – рис. 21-1).

Например (рис. 21-1), влагосодержанию материала соответ­ствует равновесная относительная влажность φ*, и если

- последует десорбция (сушка материала);

- будет сорбция (увлажнение материала).

Пусть - влагосодержание материала, соответствующее рав­новесному состоянию с газом, относительная влажность которого φ = 100%. Если тело с влагосодержанием находится в контакте с газом относительной влажности φ, процесс сушки будет происходить до тех пор, пока влагосодержание материала достигнет величины , которая соответствует данной влажности φ. Более продолжительный контакт влажного тела с данной газовой средой не приведет ни к каким дополнительным изменениям.

Р азность влагосодержаний ( ) представляет собой отно­сительное количество влаги, которое может быть удалено при

Рис. 21-2. Изотермы сорбции

и десорбции:

относительной влажности газовой фазы φ. Когда влагосодержание твердого тела ниже , давление паров жидкости в материале меньше парциального давления пара чистой жидкости. Влага, соответствующая такому влагосодержанию, называется связанной.

Если влагосодержание материала превышает величину , давление паров жидкости в материале такое же, как и парциальное давление пара чистой жидкости. Поэтому влагу, соответствующую разности влагосодержаний , принято называть несвязанной (свободной). Отметим, что величину называют максимальным гигроскопическим влагосодержанием (влажностью).

Таким образом, можно выделить две области состояния влаж­ного материала:

1. область влажного состояния (влажная зона), когда давление паров жидкости в материале не зависит от влажности материала и равно давлению насыщения свободной жидкости при температуре материала ( );

2. область гигроскопического состояния (зона связанной влаги), когда давление пара жидкости над поверхностью материала отли­чается от давления насыщенного пара свободной жидкости и зави­сит от его влажности и температуры ( ).

На практике деление на зоны оказывается условным, так как часто при среднем значении влагосодержания, превышающем , влагосодержание на поверхности материала может быть близким к равновесному.

Следует отметить наличие на диаграмме изотерм десорбции (рис. 21-2). Причем для кривых сорбция – десорбция ха­рактерно явление гистерезиса, указывающее на то, что для до­стижения одного и того же равновесного влагосодержания относи­тельная влажность газа при увлажнении материала должна быть больше, чем при его сушке.

А. В. Лыковым проведен анализ кривых сорбция-десорбция на основе изучения большого экспериментального материала по испа­рению различных жидкостей из пористых сорбентов. Согласно этому анализу начальный участок изотермы (φ = 0 – 10%) имеет характерную для мономолекулярной адсорбции выпуклость к оси влагосодержания тела, поглощение жидкости сопровождается значительным выделением теплоты. На участке в интервале φ от 10 до 90% кривые обращены выпуклостью к оси относительной влажно­сти газа, что характерно для полимолекулярной адсорбции. По­глощение жидкости на этом участие сопровождается значительно меньшим выделением теплоты. В интервале φ от 90 до 100% жидкость поглощается без выделения теплоты и является в основ­ном капиллярной. В точке пересечения изотермы с прямой φ = 100% достигается максимальное гигроскопическое влагосо­держание.

Аналитическое описание связи между равновесным влагосодержанием материала w° и относительной влажностью воздуха φ пред­ставляет большие трудности. В интервале φ от 10 до 90% А. В. Лыковым предложена простая эмпирическая зависимость

, (21.31)

где а и b-постоянные коэффициенты, зависящие от температуры и свойств ма­териала.