ТЕМА №7

Процессы сушки в технологии силикатных материалов

1. Роль процессов сушки в технологии силикатных материалов

Сушка – искусственный или естественный процесс удаления влаги из материалов, протекающий при условии, что парциальное давление водяных паров на поверхности высушиваемого материала больше, чем в окружающей среде. Для удаления влаги из материала при сушке необходимо подвести определенное количество теплоты, соответствующее теоретическому расходу на испарение удаляемой влаги и компенсацию тепловых потерь в сушильном устройстве.

Сушка широко распространена во всех областях силикатной технологии. Сушке подвергают материалы самого разнообразного состава, дисперсности и влажности (W= 2-60%); при этом цели этой операции в различных технологиях могут быть различные.

В стекольной технологии сушат песок, т.к. во влажном состоянии он не сыпуч, что осложняет его точную дозировку и получение однородной шихты.

В производстве керамики и цемента сушке подвергают разнообразные кусковые материалы, подлежащие тонкому измельчению, в противном случае мельницы «замазываются». Влажность размалываемого сырья не должна превышать 1-2%, а твердого топлива 1,5-6%. В этом случае цель сушки обеспечить нормальные условия работы помольных агрегатов. Огромное количество влаги удаляют из керамических шликеров и цементных шламов, чтобы подготовить их к обжигу.

Особое значение приобретают процессы сушки при получении керамического полуфабриката. Он содержит влагу или другую временную связку в количествах, которые чаще всего не позволяют совместить ее удаление и окончательный обжиг в одном тепловом агрегате, поэтому в процессе сушки полуфабриката удаляют часть связующей жидкости заранее с тем, чтобы обеспечить:

1. Необходимую прочность полуфабриката, позволяющую рационально размещать его в обжигальных печах.

2. Завершение объёмных изменений материала, связанных с удалением жидкости.

3. Предотвращение дефектов (трещин, разрывов, вздутий и пр.), которые могут возникать из-за интенсивного газовыделения при испарении воды или разложении органических соединений в теле обжигаемого изделия.

Во многих случаях стремятся совместить процессы сушки с другими технологическими операциями, в частности, с измельчением. Используются дробилки-сушилки с подачей в них горячих газов или мельницы совмещенного помола и сушки. При этом сушка идёт более интенсивно, т.к. увеличивается поверхность соприкосновения горячего газа с размолотыми частицами материала, а также используется теплота, аккумулированная мелющими телами и бронеплитами при работе мельницы. В ряде случаев удаётся совместить процессы сушки и последующего обжига в одном технологическом агрегате. Так, в цементной вращательной печи мокрого способа зона сушки занимает 30-35% её длины.

В соответствии с разнообразием решаемых задач и агрегатного состояния высушиваемых материалов или полуфабрикатов используются различные режимы сушки и, соответственно, различные аппараты. Однако все процессы сушки подчиняются единым законам.

Процесс сушки можно разделить на три периода.

1. Период нагрева материала, сопровождающийся нарастанием его температуры до температуры мокрого термометра (t_m) и увеличением скорости сушки до некоторой максимальной величины (dU/dt)max.

2. Период постоянной скорости сушки, в течение которого поверхность материала остается водонасыщенной и убыль воды в единицу времени постоянна и приблизительно равна скорости испарения воды со свободной поверхности.

3. Период падающей скорости сушки, когда поверхность материала уже не является водонасыщенной, и скорость сушки с уменьшением влаги падает. При этом влага испаряется в определённой зоне, которая по мере уменьшения влажности материала перемещается от периферии зерна к его центру.

При сушке изменяется соотношение между жидкой и твердой фазами. При этом растет концентрация твердой фазы и, соответственно, число контактов и их прочность. В результате формируется дисперсионно-связанная коагуляционная структура с определенной прочностью.

Процесс сушки сопровождается усадкой материала. Если скорость диффузии воды из внутренних слоев сырца будет равной или несколько выше скорости внешней диффузии влаги с его поверхности, то усадка будет происходить равномерно без возникновения больших напряжений внутри изделия. Если же скорость диффузии влаги с поверхности изделия будет больше скорости диффузии из внутренних слоев (например, при большой скорости и температуре теплоносителя), поверхностные слои егосохнут быстрее внутренних. При этом величина усадки у наружных больше, чем у внутренних, что приведёт к короблению, деформации и растрескиванию изделий.Особенно опасно явление усадки при сушке пластичных глиняных масс.

Диаграмма процесса сушки

А — изменение влагосодержания (кривая сушки);

Б — кривая скорости сушки;

В — кривая температуры;

Г — температура теплоносителя.

U₀ — начальное влагосодержание;

U_p— равновесное влагосодержание;

U_кр— критическое влагосодержание;

t₀ — начальная температура сушки;

t_m — температура мокрого термометра;

B_n— температура поверхности материала;

B_ц— температура центра материала.

7.2.Теоретические основы сушки

Любой материал, подвергаемый сушке рассматривается как трехфазная система, состоящая из абсолютно сухого материала (содержащего только химически связанную воду, если таковая имеется), воды и воздуха, содержащегося в парах.

В зависимости от характера связи с материалом различают воду:

1. Химически связанную, входящую в состав структуры кристаллической решетки.

2. Адсорбционную, удерживаемую силами адсорбции на поверхности минеральных частиц.

3. Капиллярную, находящуюся в паровом пространстве и удерживаемую капиллярными силами и силами поверхностного натяжения.

4. Свободную, т.е. механически захваченную, которая присутствует только в шламах и шликерах с достаточно высокой влажностью.

При сущке удаляются все виды влаги кромехимической, но чем прочнее ее связь с частицами материала, тем труднее идет удаление.

Для материала по отношению к окружающей среде различают три состояния:

1. Влажностное, при котором материал отдает влагу в окружающую среду.

2. Гигросопическое, при котором материал насыщается влагой из окружающей среды.

3. Равновесное, при котором влагообмен между материалом и средой отсутствует.

Влажность материала, соответствующая равновесному состоянию, называется равновесной влажностью(W_p), а влажность материала, находящегося при данной температуре в равновесии с окружающим воздухом, полностью насыщенным водяными парами (φ = 100%)-гигроскопической( W_г)

Удаление влаги из материала основано на том, что ненасыщенными водяными парами теплоноситель (воздух, газ), омывая материал с влажностью выше гигроскопической, отнимая у него влагу и тем самым уменьшает ее концентрацию на поверхности зерна. Это явление называется внешней диффузией, поскольку влага уходит за пределы осушаемого материала (зерна, изделия). Скорость внешней диффузии определяется параметрами теплоносителя и скоростью его движения. Способность теплоносителя поглощать пары воды зависит от его относительной влажности (т.е. тем суше теплоноситель, чем выше его поглотительная способность и наоборот).

Вследствие разности концентраций на поверхности и внутри зерна (изделия) влага поднимается из внутренних слоев на поверхность, стремясь выровнять нарушенное равновесное состояние. Этот процесс называется внутренней диффузией. Поверхностное испарение и вызванная им внутренняя диффузия влаги продолжается до тех пор, пока из сырца не удалится вся механически примешанная влага. Полное удаление гигроскопической влаги из сырца возможна лишь при нагревании до температуры, превышающей температуру кипения воды при данном давлении. Скорость внутренней диффузии определяется влагопроводностью самого материала (изделия, сырца) и градиентом влажности в направлении ее перемещения. Поверхностные слои изделия при сушке всегда имеют меньшую влажность, чем внутренние. Внутренняя диффузия всегда протекает медленнее, чем внешняя. Наиболее благоприятным условием для сушки является равенство скоростей внутренней и внешней диффузии.

Скорость сушки – это количество воды, удаляемое с единицы поверхности материала в единицу времени. Зависит в основном от температуры, относительной влажности, скорости движения теплоносителя, а также от барометрического давления, структуры, формы и размеров изделия.

Интенсивность влагоотдачи высушиваемого материала зависит от:

1. их физических свойств;

2. гранулометрического состава;

3. начальной и конечной влажности.

Шламы и шликеры можно высушивать с любой скоростью, а сформованные изделия требуют осторожных режимов сушки, выбираемых с учётом размеров изделий и свойств материала.