3.2. Общая характеристика процессов в силикатных материалах и изделиях

При тепловой обработке в силикатных материалах и изделиях протекают физические и физико-химический процессы, сопровождающиеся поглощением или выделением теплоты. Физико-химические и химические процессы, связанные с изменением внутренней энергии (энтальпии) вещества, называют термохимическими. Эти процессы, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими. К ним относятся процессы сушки, дегидратации разложения сырьевых материалов, плавления.

Процессы, идущие с выделением теплоты, называются экзотермическими. К ним относятся кристаллизация, перекристаллизация, гидратация, т.е. процессы, в результате которых образуются вещества с меньшей внутренней энергией.

Сведения о фазовых, химических превращениях в материалах при нагревании (охлаждении) важны для установления температуры и режимов тепловой обработки, а знание энтальпий реакций, которые происходят в материале и изделиях, важно при составлении тепловых балансов тепловых установок и расчете расхода топлива на тепловую обработку.

Температурные интервалы фазовых и химических превращений, энтальпии реакций, кинетика процессов, показатели массообменных процессов, фазовый состав устанавливаются методами дериватографии и рентгенофазового анализа.

Для получения керамических изделий, стекла, вяжущих веществ и изделий на их основе используются различные исходные материалы, сырье, добавки и т.д. Основным сырьем для получения служат глина, песок, мел, сода, гипс и др.

По мере нагрева керамической массы, стекольной шихты или сырьевой смеси для получения цементного клинкера из них удаляется влага, происходит разложение соединений с выделением химически связанной воды (дегидратация глин, каолинов, гипсового камня), углекислого газа (декарбонизация мелов, известняков, доломитов) и образование новых кристаллических фаз и силикатных расплавов, дающих в результате многостадийных процессов керамический черепок, стекло с заданными свойствами или известь, портландцементный клинкер.

В зависимости от состава шихты, керамической массы, сырьевой смеси указанные процессы протекают с разной скоростью в определенных температурных интервалах.

3.3. Сушка в технологии силикатных материалов

3.3.1. Краткие сведения о процессе сушки. Сушка  термический процесс удаления воды (влаги) из материалов путем испарения. Протекает она при условии, когда парциальное давление водяных паров на поверхности высушиваемого материала больше, чем в окружающей среде. Материалы сушат для того, чтобы подготовить их к дальнейшим процессам  измельчению, просеиванию, смешению, горению или приданию необходимой, так называемой сырцовой прочности сформованным изделиям (например, керамический кирпич, фарфоровые изделия).

В производстве стекла и вяжущих материалов сушат сырьевые компоненты шихты: песок, шлак, глину, известняк, гидравлические добавки и прочие материалы. Большое количество времени отведено на процесс сушки в производстве керамики, где сушат глину, глиняный шликер, различные виды формованных изделий. Материал при сушке не должен терять присущих ему свойств, необходимых на последующих стадиях производства. Например, глина после сушки должна сохранить свойство пластичности, топливо не должно терять свою летучую горючую часть, гипсовые изделия после сушки должны сохранять свою прочность.

Сушка сырья перед размолом снижает расход электроэнергии на помол. Сушка топлива, кроме того, повышает его теплоту сгорания и температуру горения.

Сушка  это наиболее продолжительный и ответственный процесс при получении материалов и изделий в ряде силикатных технологий. Энергозатраты на сушку могут достигать 10% всех затрат на производство.

При сушке из материалов и изделий удаляется влага, которая может присутствовать в них в разных видах и формах. Различают механическую (свободную), кристаллизационную, химически связанную влагу.

Механическая влага может находиться в материале в капельном состоянии, в виде жидкости смачивания, внутри капилляров (капиллярная). Капиллярная влага разделяется на макро- и микрокапиллярную, а также цеолитную. Такую влагу часто называют карьерной.

Кристаллизационная влага в материале входит в состав кристаллогидратов (например, CaSO₄ · 2H₂O; Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O).

Химически связанная влага  это структурная вода основной кристаллической фазы материала, имеющая соответственно молекулярную и ионную связь.

Прочность связи влаги с материалом увеличивается в направлении от свободной (капиллярная влага) до химически связанной.

В первую очередь при сушке удаляется механическая влага.

Кристаллогидратная вода не удаляется при сушке. Она удаляется при более высокой температуре в процессе дегидратации кристаллогидратов.

Структурная вода теряет связь с материалом и удаляется только в процессе обжига материала.

В зависимости от видов связи воды с материалом последние разделяются на: капиллярно-пористые (песок, шлак и др.); коллоидные (глина); коллоидно-капиллярно-пористые (торф, древесина и др.).

Различают три состояния материала по отношению к окружающей среде: влажностное, равновесное и гигроскопическое.

Под влажностным понимается такое состояние, при котором парциальное давление водяных паров на поверхности материала выше, чем парциальное давление водяных паров в окружающей среде. При этих условиях материал при сушке отдает влагу.

Равновесное состояние наблюдается при равенстве парциальных давлений водяных паров на поверхности материала и в окружающей среде. В этих условиях сушка материала не происходит.

При гигроскопическом состоянии материала парциальное давление водяных паров на поверхности материала меньше, чем парциальное давление их в окружающей среде. В этом случае материал сорбирует влагу из окружающей среды и постепенно переходит в равновесное состояние.

Количественными характеристиками, характеризующими содержание влаги в материале, являются относительная (W_от) и абсолютная влажность (W_а) или влагосодержание (U) и выражаются следующими зависимостями:

; (3.1)

; (3.2)

, (3.3)

где m_вл, m_сух  соответственно массы влажного и сухого материала, кг.

Зависимость между относительной и абсолютной влажностью имеет вид

, %, (3.4)

, %. (3.5)

Влажность материала, соответствующая его равновесному состоянию, называется равновесной влажностью (W_р).

Влажность материала, находящегося при данной температуре в равновесии с окружающей средой, полностью насыщенной водяными парами (=100%), называется гигроскопической (W_г).

С использованием методов сорбции и десорбции Лыковым А. В. установлено, что: в интервале 10 >  > 0 протекает молекулярная сорбция влаги с выделением теплоты; в интервале 90 >  > 10 формируется полимолекулярный слой влаги на поверхности материала; в интервале 100% >  > 90% происходит интенсивное поглощение влаги без выделения теплоты, что свидетельствует о связи влаги с материалом капиллярными силами.

При сушке удаление влаги из материала разделяют на два этапа  внешнюю диффузию, когда влага с поверхности материала испаряется в окружающую среду и внутреннюю диффузию, при которой влага в виде жидкости или пара перемещается внутри материала по капиллярам к наружной поверхности кусков материала или изделий.

В капиллярах влага образует вогнутые мениски и удерживается силами поверхностного натяжения. По мере удаления влаги из поверхностных слоев материала между внутренними и наружными слоями возникает перепад влагосодержания. Отношение влагосодержания к толщине изделия называют градиентом влагосодержания. С увеличением его увеличивается поступление влаги из внутренних слоев к поверхностным, благодаря чему поверхность материала не пересыхает.

Явление переноса влаги в материале в виде жидкости под действием диффузионно-осмотических и капиллярных сил Лыков А. В. назвал влагопроводностью (изотермической массопроводностью). Перемещение влаги при этом пропорционально градиенту (перепаду) влажности в теле.

Явление перемещения влаги в виде пара (диффузионно-эффузионный перенос) названо паропроводностью. Это явление в материале при сушке происходит при влажности его ниже гигроскопической, когда капилляры его освобождаются от находящейся в них жидкости.

В связи с наличием в материале градиента температуры дополнительно возникает тепловой поток, обусловливающий перенос влаги из мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой. Эта закономерность перемещения влаги по направлению теплового потока называется термовлагопроводностью (термической массопроводностью).

В общем виде закон переноса влаги (массопроводности) в материалах записывается уравнением

, кг/(м² · ч), (3.6)

где  суммарный поток влаги, перемещающейся через единицу поверхности внутри тела в единицу времени, кг/(м² · ч); а_m  коэффициент потенциалопроводности; ₀  плотность абсолютно сухого материала, кг/м³; U, Т, Р  градиенты соответственно влагосодержания, температуры, давления;   коэффициент, учитывающий влияние на а_m отношения перепада влагосодержаний к перепаду температур; _р  коэффициент, учитывающий влияние на а_m отношения изменения массопереноса к перепаду давления.

Первый член уравнения (3.6) учитывает суммарный перенос влаги в виде жидкости и пара в гигроскопической области при изотермических условиях, а также перенос жидкости при любых температурных условиях в области влажного состояния тела, второй член  термодиффузию влаги, диффузионный перенос пара и перемещение жидкости за счет расширения защемленного воздуха, которые вызваны наличием градиента температуры.

Третий член уравнения характеризует молярный перенос парогазовой смеси (пара и воздуха) под действием градиента общего давления, возникающего при интенсивном нагреве влажного тела. При температуре тела менее 100С избыточное давление пара практически отсутствует. Поэтому для обычных режимов сушки керамических изделий третий член уравнения (3.6) не учитывают.

Расход теплоты на совершение массообменных процессов внутри материала определяется по уравнению (2.163).

В развернутом виде балансовое уравнение тепло- и массопереноса для процесса сушки с использованием зависимостей (2.3), (2.163) записывается в виде

(3.7)

где   коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к поверхности материала, Вт/(м² · к); и  средняя температура соответственно теплоносителя и поверхности материала, С; r  теплота испарения воды, кДж/кг; R_v  отношение объема сухого материала к его поверхности, м³/м²; dU/dt  скорость испарения, кг/(м² · с).

Левая часть уравнения представляет собой конвективный поток теплоты от теплоносителя к материалу. Первый член правой части учитывает расход теплоты на испарение влаги, второй  расход теплоты на нагрев материала теплопроводностью, последующие  соответственно на нагрев материала вследствие движущейся в нем массы влаги за счет градиентов влагосодержания, температуры и давления.

3.3.2. Периоды процесса сушки. Скоростью сушки называется количество влаги, удаляемой в единицу времени с единицы поверхности испарения материала [кг/(м² · ч)].

По характеру скорости удаления влаги процесс сушки можно разделить на три основных периода  прогрева, постоянной скорости сушки, падающей скорости сушки (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Периоды процесса сушки:

I  период прогрева; II  период постоянной скорости сушки; III  период падающей скорости сушки; IV  период равновесного состояния; V  период влажного состояния; VI  период гигроскопического состояния материала.