Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Зерносушение. Учебное пособие
.pdf
41
По П.А. Ребиндеру все формы связи делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь и механическая связь.
Xимическая связь проявляется в строго определенных молекулярных соотношениях. Такая вода обладает наиболее высокой
энергией с материалом, она связана в виде гидроксильных групп
ионной связью в результате химической реакции (гидратации), а
также молекулярной связью (образование кристаллогидратов). При
образовании химической связи материал не просто увлажняется, а
меняются его свойства. Вода, как таковая, исчезает и входит в
структуру кристалла или в состав нового вещества. Обычной тепловой сушкой ионные и молекулярные связи не нарушаются, удаление химически связанной воды возможно лишь при химическом
взаимодействии или прокаливании материала.
Физико-химическая связь более разнообразна и характерна различными не строго определенными соотношениями. Здесь различают
адсорбционную, осмотическую и структурную формы связи.
Адсорбционное связывание воды сопровождается контракцией системы «коллоидное тело – влага» в результате объем материала после набухания становится меньше, чем сумма объемов
влаги и обезвоженного коллоида. Разность между этой суммой
(ΔV) и объемом коллоида, удерживающего адсорбционно связанную влагу, характеризует величину сжатия системы. Кроме того,
при адсорбционном связывании воды выделяется некоторое количество тепла (Q – теплота набухания), неодинаковое для различных коллоидных тел.
На начальной стадии сорбции молекулы водяного пара
притягиваются молекулами, находящимися на поверхности тела.
Так образуется первый мономолекулярный слой влаги толщиной
в одну молекулу. Именно в этот период выделяется наибольшее
количество тепла, так как первый слой молекул находится под
огромным давлением, обусловленным силовым полем.
К первому мономолекулярному слою сорбирует второй
слой воды и т. д. Толщина слоя полимолекулярной сорбции может составлять сотни диаметров молекул воды, а величина энергии связи воды с веществом при этом снижается. Абсорбция вла-
42
ги происходит как на внешней, так и на внутренней поверхности
мицеллы, поэтому различают адсорбционную влагу интермицеллярную и интрамицеллярную.
Осмотически связанной называют влагу, дополнительно
поглощаемую коллоидным телом путем диффузии или осмоса
через стенки клеток без дальнейшего выделения тепла и сжатия
системы. При этом наблюдается увеличение объема коллоидного
тела и изменение давления набухания. Такая влага появляется в
том случае, когда в соприкосновение приходят два раствора разной концентрации, разделенные полунепроницаемой перегородкой (характерной для большинства тканей зерна). Через эту перегородку свободно проходят молекулы растворителя (воды), а для
частиц растворенного вещества представляют препятствие.
Природу осмотического проникновения воды вовнутрь замкнутой клетки коллоидного тела установил академик С.М. Липатов. По его теории коллоидное капиллярно-пористое тело состоит из замкнутых клеток, стенки которых созданы из нерастворимой высокомолекулярной фракции. Внутри клетки находится
низкомолекулярная растворимая фракция, которая попала туда
еще при формировании геля и не способна пройти через стенки
ячейки.
Растворимая фракция находится и на внешней поверхности
клетки и отличается только концентрацией. Поскольку концентрация низкомолекулярной фракции внутри больше, чем вне
клетки, то вода проникает внутрь путем осмоса через стенку
ячейки. Таким образом, диффузия воды обусловлена разностью
осмотических давлений низкомолекулярной (растворимой) фракции. Причем в отличие от неживой коллоидной системы проникание воды в ткани зерна подчиняется не только классическим
законам физики, но и биологическим особенностям клетки.
Например, осмотическая вода изменяет свои свойства, вступая в
различные физические и химические взаимодействия с компонентами клетки.
Физико-механическая форма связи характеризуется удерживанием воды в неопределенных соотношениях в микро- и макрокапиллярах, а также связь смачивания.
43
Микрокапиллярами (r < 10-5см) влага поглощается путем
сорбции пара из влажного воздуха, а также при непосредственном соприкосновении материала с жидкостью.
Макрокапиллярная (r > 10-5см) влага также появляется в
результате поглощения из влажного воздуха в замкнутых капиллярах или непосредственного контакта с жидкой водой в результате капиллярного давления.
И наконец, влага смачивания - наименее прочно связанная
влага, она находится в порах и пустотах тела, а также на его поверхности. Все указанные три формы связи представляют слабую
связь, и только тонкий слой воды непосредственно у поверхности
тела связан адсорбционно. Таким образом, большая часть удержанной воды является свободной и при сушке сохраняет свои
свойства.
Характер удаления влаги из материала обусловливается
природой образования формы ее связи с веществом. Влага смачивания может быть удалена механическим путем; из макрокапилляров перемещается в виде жидкости по капиллярам; осмотическая - путем диффузии через стенки клеток. Для удаления адсорбционно-связанной влаги необходимо перевести ее в пар.
3.2. Энергия связи влаги с зерном
Различные формы связи влаги с материалом отличаются
энергетическим уровнем, то есть в процессе сушки затрачивают
определенную энергию. Эта энергия Е, Дж/моль, определяется по
формуле
Е = R·T·( Рн/Рм) = - R·T·lnφ ,
где R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль;
Т – температура, К;
Рн– давление насыщенного пара свободной воды над плоской
поверхностью, Па;
Рм– парциальное давление пара на поверхности зерна с вла-
госодержанием U, Па;
φ – относительная влажность воздуха в долях единицы.
44
В начальный период сушки, когда удаляется слабо связанная влага, Е=0. В зерне это наблюдается до гигроскопической
влажности. При дальнейшем понижении влажности величина Е
растет. В соответствии с классификацией влаги (рисунок) в зерне
мономолекулярная адсорбция, протекающая со значительным
выделением теплоты, происходит при небольшой влажности зерна в интервале относительной влажности воздуха (φ) 0 – 10 %,
причем кривая имеет выпуклость к оси абсцисс. Естественно, что
при удалении этой влаги затрачивается то же количество теплоты
дополнительно.
Рисунок. Схема классификации влаги в зерне
В интервале φ 10 – 90 % участок АВ изотермы обращен выпуклостью к оси ординат, что характерно для полимолекулярной
адсорбции и осмотически связанной влаги. На этом этапе выделяется меньше теплоты сорбции, а с увеличением влажности зерна плавно уменьшается.
45
В интервале φ 90 – 100 % изотерма сорбции приближается к прямой, что соответствует влаге микрокапилляров. На участкеВС
изотермы поглощение влаги происходит без выделения теплоты.
И наконец, при φ близкой к 100 % имеет место поглощение
макрокапиллярной влаги путем сорбции пара из воздуха с последующей капиллярной конденсацией. Кроме того, происходит проникновение внутрь замкнутых клеток зерна и осмотической влаги.
После точки С на кривой изотермы, соответствующей гигроскопической влажности, полное заполнение всех макрокапилляров и проникновение влаги внутрь зерна возможно при непосредственном контакте зерна с водой.
Глава 4. ТЕПЛОВЛАГООБМЕН В ПРОЦЕССЕ СУШКИ ЗЕРНА
В сушильной технике и технологии наибольшее распространение получил конвективный способ сушки, включающий,
комплекс процессов: перенос теплоты от агента сушки к зерну,
перемещение влаги внутри зерна, унос влаги с поверхности зерносушильной камеры. Причем внутри просушиваемого материала наблюдается неравномерное распределение влаги и температуры. В большинстве случаев концентрация влаги внутри материала больше, чем на его поверхности, а температура (при сушке
нагретым воздухом) наоборот, поверхностных слоев больше, чем
внутренних. Эта разность концентрации влаги и температуры и
представляет движущие силы сушильного процесса, вызывающие
перемещение влаги.
При концентрационном переносе (называемое влагопроводностью) влага движется от мест с большей концентрацией к
местам с меньшей концентрацией. И если это перемещение происходит только молекулярными путем, что характерно для коллоидных тел, то такой перенос называется внутренней диффузией
влаги, а ее интенсивность iк, кг/(м2·ч), прямо пропорциональна
градиенту концентрации влаги
U
:
UDi
0к
,
46
где D – коэффициент внутренней диффузии влаги (коэффициент
влагопроводности), м2·ч;
U – влажность материала, кг/кг с.в.;
γ0– удельная масса сухого материала, кг/м3;
U
– градиент влажности, кг/кг с.в.
Знак минус означает, что вектор iкнаправлен в противоположную сторону по отношению к вектору
U
.
Таким образом, iкесть количество влаги, перемещающейся
в единицу времени через единицу изовлажностной поверхности.
Коэффициент влагопроводности в процессе сушки не остается
величиной постоянной, а зависит от влажности материала, так
как диффузия происходит как в виде пара (при переносе адсорбционно-связанной влаги), так и в виде жидкости (при переносе
осмотически поглощенной влаги).
При конвективной сушке температура поверхности материала выше, чем в центре, в результате чего создается температурный градиент, вызывающий перемещение влаги в виде жидкости
и пара от мест с большей температурой к местам с меньшей температурой. Такое явление называется термовлагопроводно-стью.
Температурный градиент может вызвать расширение защемленного воздуха в капилляре (если это имеет место), и тогда
происходит перемещение жидкости в этом капилляре по направлению теплового потока.
Интенсивность термического переноса влаги (термовлагопроводность itкг/(м2·ч)) прямо пропорциональна градиенту температуры
tDi
0t
,
где δ – коэффициент термовлагопроводности, кг вл./(кг с.в.·°С);
t
– температурный градиент, °С/м.
Коэффициент термовлагопроводности также зависит от влажности материала, то есть обусловлен формой связи с материалом.
Таким образом, общий поток влаги в случае наличия перепада влажности и температуры равен
)(
0
tUDi
.
47
При конвективной сушке направление векторов
Uиt
противоположно, поэтому термовлагопроводность выполняет
отрицательную роль, так как представляет дополнительное сопротивление для концентрационного переноса влаги. В реальных
условиях зерносушения температурный градиент невелик, по
этой причине принято считать, что поток влаги обусловлен в основном влагопроводностью. Однако явление термовлагопроводности играет важную роль при других способах сушки, например,
при радиационной сушке (ИК-лучами).
4.1. Кинетика и динамика сушки
В процессе сушки влажность и температура материала и
скорость его обезвоживания непрерывно изменяются, то есть
процесс является нестационарным. Исследование и анализ результатов сушки проводят с помощью графического изображения
Основных зависимостей в виде кривых скорости сушки и температурных кривых.
Кривая сушки (рис. 4.1) характеризует изменение влажности материала от продолжительности процесса.
Рис. 4.1. Кривая сушки wc=f(τ)
48
Как видно, в начале процесса по линии (АВ) наблюдается
кратковременная стадия прогрева материала, а влажность его изменяется по кривой. В точке (В) скорость сушки достигает максимальной величины, а температура поверхности материала становится равной температуре мокрого термометра. Дальнейший
ход сушильного процесса протекает по линейному закону (отрезок ВС) с постоянной скоростью и без дополнительного нагрева
материала. Участок (ВС) характеризует первый период сушки и
называется периодом постоянной скорости сушки. В этот период
вся теплота, подводимая к материалу, расходуется на испарение
влаги.
Начиная с точки (С) происходит замедление процесса испарения, и до конца сушки влажность материала уменьшается по
кривой линии. Это второй период сушки или период падающей
скорости сушки. В точке (С) материал достигает так называемой
первой критической влажности w
c
к
, скорость сушки (N) уменьшается, а кривая (СD) в конце сушки асимптотически приближается к значению равновесной влажности (w
c
р
), соответствующей
принятому режиму сушки. С точки (D) кривая плавно переходит
в прямую, параллельную оси абсцисс, и тогда скорость сушки
dwс/dτ = 0, то есть сушильный процесс прекращается. Следует
отметить, что кривая wc=f(τ) не полностью характеризует процесс
сушки с точки зрения кинетики.
Кривая скорости сушки – dwс/dτ = f(wc) позволяет провести
анализ характера протекания всего сушильного процесса
(рис. 4.2). Ее получают путем графического дифференцирования
кривой сушки. Для этого на кривой сушки отмечают ряд равных
отрезков и к каждой точке деления проводят касательную. Измеряя наклоны касательной (то есть, зная тангенс угла), определяют
скорость сушки в данный момент времени в зависимости от
влажности материала.
Характер кривой скорости зависит от формы связи влаги с
материалом, механизма перемещения влаги, структуры материала
и его размеров. Анализ кривой показывает, что в стадии прогрева
материала скорость сушки (N) возрастает от 0 до максимума и
остается в течение всего первого периода сушки. Второй период
начинается с точки (К1) – первая критическая влажность, равная
49
гигроскопической – затем скорость сушки падает и становится
равной нулю в точке пересечения с осью абсцисс, в которой материал достигает равновесной влажности. Для зерна второй период начинается по прямой линии, а после второй критической
точки (К2) кривая обращена выпуклостью к оси абсцисс. Температурная кривая θ = f(wc) характеризует изменение температуры
материала θ в процессе сушки (рис. 4.3).
Рис. 4.2. Кривая скорости сушки dwc/dτ = f(wc)
Рис. 4.3. Температурная кривая θ = f(wc)
50
В стадии прогрева температура материала быстро возрастает, дости-
гает значения температуры испаряющейся жидкости и остается без
изменения на протяжении всего первого периода сушки.
После первой критической влажности температура материала быстро повышается и по достижении равновесной влажности
становится равной температуре агента сушки.
Таким образом, первая критическая точка (К1) делит весь
сушильный процесс на два периода, отличающихся как скоростью сушки, так и температурой просушиваемого материала, которые оказывают влияние на его качество.
4.2. Анализ процесса сушки зерна
При сушке зерна величина первой критической влажности
зависит от исходной влажности и режима сушки и колеблется от
17 до 24 %. Чем больше исходная влажность зерна, тем интенсивнее скорость сушки в первом периоде, но и тем короче этот
период, что объясняется различной связью влаги с основными
фракциями зерна – крахмалом и белками. Поскольку белки гидрофильнее крахмала и связывают влагу прочнее и в большем количестве, то чем выше начальная влажность зерна, тем прочнее
эта связь. Соответственно и скорость отдачи влаги при сушке будет ниже у белковой фракции. Таким образом, в первом периоде
сушки влагу отдает крахмал, как слабо связавший влагу, однако
этот период длится недолго, и весь дальнейший характер сушильного процесса определяет белковая фракция. А так как сушка белков происходит с меньшей скоростью, то и после критической точки (K1) кривая dw/dτ падает вниз.
Однако при сушке зерна может не быть первого периода с
постоянной скоростью процесса, что наблюдается в современных
сушилках с интенсивными способами и режимами сушки, а также при сушке зерна с невысокой влажностью. А так как качество
зерна гарантируется лишь в первом периоде сушки, то подбором
рациональных режимов можно обеспечить сушильный процесс с
постоянной скоростью. Так, например, перед наступлением второго периода сушки можно прервать подачу сушильного агента и
обеспечить некоторую отлежку зерна, тогда последующий процесс сушки снова пройдет в периоде постоянной скорости.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]