17.4. Формы связи влаги с материалом и равновесие при сушке

Удаление влаги из материала при сушке зависит от формы связи влаги с материалом. При сушке связь влаги с материалом нарушается. Можно выделить следующие формы связи влаги с материалом по мере возрастания ее прочности (энергии связи): механическая, физическая и химическая. Существуют и другие виды классификации форм связи влаги с материалом.

Механически связанная влага удаляется из материала точно также как со свободной поверхности жидкости, т.е. энергия связи молекул с материалом не отличается от энергии межмолекулярного взаимодействия молекул самой влаги. Из этого следует, что для удаления такой влаги потребуется энергия равная теплоте ее испарения. Такая влага, как правило, сосредоточена на поверхности материала или в макропорах (см. разд. 16.2).

Физическая связь влаги с материалом обусловлена адсорбционным взаимодействием молекул влаги с молекулами или ионами материала (дисперсионным, индукционным, электростатическим), энергия которого превышает энергию межмолекулярного взаимодействия молекул самой влаги. При удалении такой влаги требуется больших затрат энергии, чем для простого испарения влаги. Эта влага сосредоточена, в основном, в переходных и микропорах.

Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и при сушке из материала, как правило, не удаляется. Она может удаляться лишь при высокотемпературном прокаливании.

При сушке влагу материала подразделяют в более широком смысле на свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости её испарения со свободной поверхности. При наличии в материале свободной влаги р_н = р_м , где р_м парциальное давление пара над поверхностью материала; р_н давление насыщенного пара над свободной поверхностью. Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости её испарения со свободной поверхности (р_м < р_н).

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса: сушка (десорбция влаги из материала) при (р_м > р_п), где р_п парциальное давление паров влаги в воздухе; увлажнение (адсорбция влаги материалом) при (р_м < р_п).

В процессе сушки р_м уменьшается и приближается к пределу р_м = р_п. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью w_р.

Влажность материала может быть определена по отношению к его общей массе М или по отношению к массе абсолютно сухого материала М_с, последнюю по аналогии с соответствующей характеристикой влажного воздуха иногда называют влагосодержанием материала, при этом

, (17.11)

где М_вл масса содержащейся в материале влаги.

Влажность, отнесенная к общей массе материала (в %):

(17.12)

Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала (в %):

(17.13)

Масса абсолютно сухого материала не меняется в процессе сушки, поэтому величиной w^с наиболее часто пользуются при расчетах. Следует иметь ввиду, что если масса влаги превышает массу сухого материала, то величина w^с может быть более 100%, а также возможность рассматривать данную характеристику как относительную массовую концентрацию (кг влаги / кг материала) без умножения в (17.13) на 100%.

Влажности w^с и w связаны между собой зависимостями:

, (17.14)

. (17.14а)

Равновесная влажность материала зависит от состояния влажного воздуха, которое при фиксированном давлении может задаваться двумя параметрами, обычно, относительной влажностью и температуройТ. Зависимость эта определяется, как правило, опытным путем.

. (17.15)

Зависимость w_р = f() устанавливаемая при постоянной температуре называется изотермой сушки или десорбции (см.(16.1), (16.2)). Как показано на рисунке 17.3, для отдельных материалов изотермы адсорбции и десорбции могут отличаться, что зависит от способа их экспериментального получения (адсорбционная кривая строится по данным при поглощении влаги, а десорбционнаяпри сушке материала содержащего свободную влагу). Объяснением явления гистерезиса в

Рис. 17.3. Изотермы адсорбции (1) и десорбции (2): I свободная влага, IIсвязанная влага

данном случае может служить начальное заполнение пор газом, что препятствует поглощению влаги при адсорбции и приводит к меньшей равновесной влажности материала при адсорбции по сравнению с сушкой.

Равновесная влажность материала, соответствующая значению = 100% (р_п/р_н = 1) называется гигроскопической влажностью w_г. Гигроскопическая влажность является граничной между свободной и связанной влагой в материале. Свободная влага будет удаляться из материала при любой относительной влажности газа, меньшей 100% ( < 100%). Удаление связанной влаги возможно лишь при той относительной влажности окружающей среды, которой соответствует влажность материала, выше, чем равновесная.