Учебное пособие 800321

химические свойства высушиваемых материалов, предопределяющие форму связи влаги с ними.

П. А. Ребиндер [1] предложил определять форму этой связи затратой энергии на отрыв 1 моль влаги от абсолютно сухого вещества при определенном его влагосодержании. Впоследствии эту теорию развил М.Ф. Казанский [3], исследовавший очередность удаления влаги из высушиваемого материала.

Согласно классификации П.А. Ребиндера, выделяют по порядку убывания энергии связи три формы:

-химическую;

-физико-химическую;

-физико-механическую.

Химически связанная с материалом влага образуется в точных количественных соотношениях и включает ионную (влага в виде гидроксильных ионов) и молекулярную (в виде кристаллогидратов) влагу. Эти связи могут быть разрушены или в результате химической реакции, или при прокаливании. Такая влага при сушке, как правило, из материалов не удаляется, поскольку температуры процессов сушки существенно ниже.

Физико-химическая влага (связь в не строго опреде-

ленных количественных соотношениях) представляет собой влагу в виде адсорбированного пара из окружающей среды поверхностью в порах, пустотах и капиллярах, составляющих материальный скелет вещества (адсорбционно связанная влага), и влагу, проникающую в материал за счет осмотического давления, вызывающего избирательную диффузию влаги из окружающей среды через полупроницаемую оболочку (осмотически связанная влага). Адсорбционно связанную влагу по значению энергии связи делят на влагу моно- и полимолекулярной адсорбции. Первая из них имеет физические свойства, несколько отличные от свойств обычной воды (она обладает свойствам упругого твердого тела; температура замерзания ее

9

снижается до – ). К осмотически связанной влаге относят и структурную, приобретенную при образовании и росте тела, например растительных клеток в древесине. Эта влага по своим свойствам не отличается от обычной жидкости.

Физико-механическая влага (влага, удерживаемая в неопределенных количествах) включает влагу, находящуюся в микро- и макрокапиллярах, порах, пустотах, а также влагу смачивания, проникающую в материал при непосредственном соприкосновении его с жидкостью.

Микрокапиллярами называют капилляры, в которых длина свободного пробега молекул много меньше диаметров капилляров. В них давление насыщенного пара над поверхностью мениска меньше давления насыщенного пара над открытой плоской поверхностью жидкости, поэтому возможен процесс капиллярной конденсации пара. Для нормальных условий

капилляр радиусом менее 10 8 м относятся к микрокапиллярам.

Реальные материалы, подвергаемые сушке, имеют, как правило, неоднородную пористую структуру, поэтому они редко укладываются в строгую классификацию по форме связи влаги. В связи с этим применительно к сушке различают две формы влаги: свободную и связанную. Свободной называется влага, испаряющаяся с поверхности влажного материала с той же скоростью, что и с поверхности воды. Влага, испаряющаяся из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности воды, называется связанной. Влагосодержание материала на границе этих двух форм называется критическим.

Выявление общих физических закономерностей в процессах переноса теплоты и массы внутри влажных материалов, а также рассмотрение их структурно-механических характеристик позволило А. В. Лыкову [1] предложить классификацию сушимых материалов. Согласно этой классификации все влажные материалы делят на три группы:

- капиллярно-пористые;

10

-коллоидные;

-капиллярно-пористые коллоидные.

Капиллярно-пористые материалы при обезвожива-

нии практически не изменяют свои размеры. При глубоком обезвоживании и механическом воздействии они могут быть превращены в дисперсные материалы, например обожженные керамические материалы, активированный уголь, песок и т. п.

Коллоидные материалы при изменении содержания в них влаги существенно изменяют геометрические размеры, сохраняя эластичные свойства. К ним относятся, например, желатин, мучное тесто и т. д.

Капиллярно-пористые коллоидные материалы име-

ют капиллярно-пористую структуру, однако стенки капилляров, как правило, эластичны, способны к набуханию при увлажнении и усыханию при обезвоживании. Материалы этой группы обладают свойствами материалов двух вышеназванных групп. Большинство влажных материалов относится к третьей группе, например торф, ткани, кожа, древесина и др.

Изучение закономерностей переноса теплоты и массы при сушке типичных представителей каждой из групп позволяет качественно прогнозировать процесс сушки принадлежащих к этой группе материалов.

1.4.1.Характеристики влажности материалов

Вобщем виде масса влажного материала можно представить в виде суммы масс абсолютно сухого материала, кг

11

Количество влаги, приходящееся на единицу массы су-

хого материала называется влагосодержание или влажность

на сухую массу:

в долях

Количество влаги, приходящееся на единицу общей массы материала называется просто влажность или влаж-

ность на сухую массу:

В долях

в процентах

Для пересчета одной влажности в другую используются следующие соотношения

Поскольку в процессах расчетов сушки и сушильных установок полагают массу сухого вещества неизменной, то использование влагосодержания является предпочтительным. В данном пособии, если нет на то специальных оговорок, будем под термином влажность понимать влагосодержание.

Влажностью на общую массу в основном пользуются в расчетах тепловых эффектов при сжигании твердых видов топлива.

Находясь в равновесии с окружающим воздухом (или сушильным агентом), влажный материал имеет одинаковую с ним температуру, а давление паров воды в материале равно парциальному давлению паров в воздухе. В этом состоянии материал имеет определенное влагосодержание, называемое равновесным. Поскольку степень насыщения водяных паров в воздухе характеризует величина относительной влажности воздуха, то аналогично ей равновесное влагосодержание влажного материала растет с повышением температуры.

Если окружающий воздух или сушильный агент находятся в состоянии насыщения, то соответствующая ему равновесная влажность вещества называется гигроскопической.

1.5. Динамика сушки

Сушка материалов сопровождается изменением ло-

кального влагосодержания и температуры внутри материала в пространстве и во времени. Совокупность этих про-

цессов называют динамикой сушки.

При изучении переноса массы и теплоты внутри материала (внутренняя задача сушки) используют или молекуляр- но-кинетический, или термодинамический метод исследования. Первый из них базируется на изучении микроскопической картины происходящих при этом процессов и осмысливании

13

физической сущности отдельных составляющих сложного явления, второй - на изучении макроскопической картины переноса.

Перемещение влаги внутри материала происходит в виде жидкости и пара. С уменьшением влагосодержания материала доля пара возрастает. Перенос газообразного вещества обусловлен: направленным движением отдельных молекул за счет взаимной диффузии молекул пара и воздуха; стесненной (кнудсеновской) диффузией в капиллярах, размер которых меньше средней длины свободного пробега молекул; термодиффузией и тепловым скольжением; бародиффузией (переносом молекул компонента с большей массой в область повышенного давления); молярным переносом (поток Пуазейля), когда перемещаются скопления молекул под действием разности давлений в разных точках тела. Движение жидкости обусловливается действием капиллярных, осмотических, гравитационных, термокапиллярных и других сил.

Сложная структура реального влажного материала, непрерывное изменение средних и локальных влагосодержаний

итемпературы создают сложную картину процессов переноса, не поддающуюся строгому количественному анализу.

Имеющиеся в настоящее время зависимости, описывающие отдельные явления переноса, отражают картину массопереноса во влажных телах лишь качественно.

Для количественного описания полей влагосодержания

итемпературы используют термодинамический метод, являющийся обобщением многочисленных наблюдений за свойствами макроскопических систем. Согласно этому методу перенос субстанции происходит при наличии разности потенциалов переноса в разных точках пространства, причем от большего потенциала к меньшему. В состоянии термодинамического равновесия, т. е. в таком состоянии, в которое приходит изолированная макроскопическая система по истечении

14

достаточно большого времени, потенциалы соприкасающихся тел и отдельных их участков одинаковы.

Согласно [2] существуют три основных движущих силы, перемещающих влагу к поверхности высушиваемого материала:

-разность концентрации;

-разность температур;

-разность давлений.

Перемещение влаги под действием неравенства концентраций может быть описано диффузионным законом Фика применительно к высушиваемому материалу: плотность потока массы пропорциональна градиенту концентрации и направлена противоположно ему; коэффициент пропорциональности называется коэффициентом диффузии. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации).

Перенос вещества под действием разности темпера-

тур был открыт А.В. Лыковым в 1934 г. Закон термовлагопроводности Лыкова гласит: влага в материале перемещается по направлению теплового потока (противоположно градиенту температур) а газ (пар) – в противоположную сторону. Предложенный Лыковым коэффициент пропорциональности между градиентом температуры и плотностью теплового потока носит название термоградиентного коэффициента.

П.Д. Лебедев на основании большого количества экспериментальных данных в 1952 году подтвердил наличие пото-

ка массы под действием разности давлений (бародиффузия),

возникающих при температурах близких или больших 100 . В общем виде уравнение переноса массы при сушке ма-

териала может быть записано в следующем виде:

15

где

IМ - количество жидкости, переместившееся внутри

тела в единицу времени через единицу поверхности, названное плотностью потока жидкости или массы, кг/(м2-с);

aМ - коэффициент потенциалопроводности, м2/с;

w- локальная концентрация влаги, кг/кг;

x- координата, м;

0 - плотность абсолютно сухого материала, кг/м3;- термоградиентный коэффициент, 1/°С;

aР - коэффициент фильтрационного переноса, м2/с,

Н/м2;

( w, t, p ), возникающим в материале при сушке.

Третий член уравнения (7) имеет значение как движущая сила перемещения влаги только при температурах, близких или превышающих 100 °С, в материале, сушимом при атмосферном давлении (фактически не сушка, а выпарка). В низкотемпературных процессах он равен нулю. Второй член этого уравнения, наоборот, при температуре около 100 °С и выше близок к нулю. Поэтому в низкотемпературных процессах сушки при температуре сушки менее 100 °С уравнение имеет первые два члена , а при более 100 °С - первый и третий члены.

Коэффициенты aМ и зависят от температуры и влажности материала. При высокой влажности (выше крити-

16

ческой) и постоянной температуре материала коэффициент aМ остается примерно постоянным, что соответствует пере-

мещению в виде жидкости осмотически связанной и капиллярной влаги. При дальнейшем удалении влаги из более мелких капилляров она может перемещаться не только в форме жидкости, но и частично в парообразном состоянии; в этом

случае коэффициент aМ уменьшается. Еще большее уменьшение aМ наблюдается, когда влага перемещается главным

образом в паровой фазе (влага полимолекулярной или мономолекулярной адсорбции).

Иной характер зависимости от влажности и температуры имеет коэффициент . Он уменьшается с повышением температуры. При больших количествах капиллярной влаги в материале коэффициент с уменьшением средней влажности, материала увеличивается за счет благоприятного влияния на перемещение влаги в капиллярах защемленного воздуха и достигает максимума

Далее, при уменьшении влажности (и достижении критической влажности) часть влаги может перемещаться в паровой фазе и вследствие относительной термодиффузии пара и воздуха уменьшается. При наличии в материале только адсорбционно связанной влаги становится отрицательным, так как пар стремится переместиться в направлении, противоположном направлению теплового потока.

1.6. КИНЕТИКА СУШКИ

Под кинетикой сушки подразумевают процесс изме-

нения во времени средних по объему высушиваемого материала влагосодержания wC и температуры t .

17

Графическую зависимость wC f ( ) называют кривой

сушки. Закономерности изменения влагосодержания и температуры высушиваемого материала используются для определения продолжительности сушки до заданного конечного влагосодержания, количества испаренной влаги и теплоты на сушку.

Изменение влагосодержания в единицу времени dwC d называют скоростью сушки, а графические зависимости вида dwCd f (wC ), dwCd f ( ) - кривыми

скорости сушки.

Рассмотрим кинетические закономерности сушки материала при удалении из него свободной и связанной влаги на примере конвективной сушки с постоянными параметрами

режима: температура сушильного агента tC const , его отно-

C const (рис. 1). Как видно из рисунка, на кривой сушки

можно выделить ряд характерных периодов.

Период прогревания (участок продолжительностью0 ) характеризуется увеличением температуры материала от

tН до tМ , уменьшением среднего влагосодержания от wСН до некоего промежуточного значения и увеличением скорости сушки dwC d от нуля до максимального значения N .

Участок с продолжительностью 1 носит название пе-

риода постоянной скорости или первого периода сушки.

Изменение влагосодержания во времени в этом периоде происходит линейно и зависит от условий теплообмена между сушильным агентом и сушимым материалом. В течение первого этапа сушки происходит удаление свободной влаги. В этот момент испарение влаги с поверхности материала близко к адиабатному процессу. Парциальное давление пара над высу-

18