Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература от Абакумова ч2 / Осмотический массоперенос

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
2.3 Mб
Скачать

 

слоев образца. Метод гидрофо-

 

бизации образцов позволяет опре-

 

делить всю влагу, которая перехо-

 

дит в пар во всем объеме образца.

 

Тем не менее осредненные по

 

всему диапазону удаляемой влаги

 

критерии ε близки (табл. 4.2).

 

Значения ε получаются пу-

 

тем определения

площади ниже

 

кривой ε(u) во всем диапазоне

 

влагосодержаний от начального u0

 

до конечного uк и деления ее на

 

u =u0 uк. Величина ε определя-

 

ет долю испаряемой жидкости в

 

течение

 

всего

времени

сушки

 

внутри гидрофильного

материала

 

и ее перенос в паровой фазе во

 

внешнюю

парогазовую

среду.

 

Разность

1 – ε равна доле влаги,

 

которая

доставляется

в

жидкой

 

фазе к поверхности гидрофильно-

 

го тела. В поверхностных слоях

 

она испаряется и пар поступает во

 

внешнюю среду.

 

 

 

 

Механизм сушки в порис-

 

том стекле и кварце аналогичен в

 

том случае, когда размеры пор

 

кварцевого (3 – 5 мкм) и нижний

 

предел

пор стеклянного

образца

 

(5 мкм) соизмеримы. Для стеклян-

 

ных образцов с размерами пор 40,

Рис. 4.5. Зависимость критерия фазового

100, 160 мкм механизм влагопере-

носа иной.

 

 

 

превращения ε от влагосодержания u, полу-

При диаметре пор, меньшем

ченная при Тс =323 К методом гидрофобиза-

1 мкм, наблюдается резкое сниже-

ции (a, б) и радиоактивных изотопов (в, г)

ние испарения влаги. Связано это

для образцов из пористого стекла с размера-

с тем, что в широких капиллярах

ми пор d =160 (1), 100 (2), 40 (3) и 5 (4) мкм

при ϕ=0,1 (а, в) и 0,76 (б, г)

испарение происходит с менисков.

 

В средних по размеру капиллярах

влага испаряется с менисков и пленок жидкости.

В узких капиллярах диффузия пара от менисков существенно затруднена из-за увеличения сорбции молекул воды на стенках капилляров и возвращения их обратно в жидкость (см. раздел 2.1).

115

Водопроводящие пленки, находящиеся на стенках капилляров, уменьшают сечение каналов, по которым происходит диффузия пара. В таких капиллярах относительная влажность воздуха близка к насыщению. В связи с этим пленки сохраняются и не разрываются вплоть до внешней поверхности тела, с которой происходит испарение и перенос пара в окружающую парогазовую среду. При этом скорость сушки существенно выше, чем для образцов с большими размерами пор (см. табл. 4.1). Интенсивность испарения в последних снижается из-за переноса зоны испарения в более глубокие слои материала.

Таблица 4.2. Значения критерия фазового превращения ε при сушке пористых материалов, рассчитанные по опытным данным

с гидрофобными образцами (I) и радиоактивной меткой (II)

Материал

 

 

 

Относительная влажность

 

 

 

 

 

 

ϕ=0,1

 

 

 

 

ϕ=0,76

 

 

 

 

 

 

 

Размер пор, мкм

 

 

 

 

 

 

5

40

100

 

160

5

 

40

100

 

160

Пористое стекло

I

0,85

0,72

0,78

 

0,78

0,87

 

0,82

0,78

 

0,74

при Т=323 К

II

0,87

0,8

0,8

 

0,8

0,89

 

0,85

0,82

 

0,74

Материал

 

 

 

 

 

Температура, К

 

 

 

 

 

 

323

343

323

343

Пористые образцы

I

0,73

 

0,8

0,72

0,81

кварца

II

0,74

0,78

0,76

0,82

Пористая керамика

II

0,67

 

0,6

0,75

 

0,7

В период постоянной скорости сушки влага к поверхности керамического сферического образца поступает в виде пара и жидкости (рис. 4.6).

Доля жидкостного переноса выше, чем у кварцевых образцов (см. табл. 4.2).

В отличие от кварцевых керамические образцы имеют продолжительный период падающей скорости сушки, в течение которого влагоперенос происходит в паровой фазе

Рис. 4.6. Зависимость скорости сушки q (1, 2) (%/ч), выноса радиоактивности N/N0 (1, 2), критерия фазового превращения ε (1′′, 2′′) при

сушке керамических образцов: Тс =323 К и

ϕ=0,76 (1, 1, 1′′) и 0,1 (2, 2, 2′′)

(ε=1).

В керамическом образце наряду с крупными имеются и мелкие поры. Согласно модели (см. рис. 3.3, II), влага из крупных пор отсасывается в мелкие. Мениски в крупных капиллярах перемещаются в глубь образца.

116

При малых размерах образцов они обезвоживаются вплоть до центра. После удаления влаги из крупных пор начинается испарение из микропор.

При наличии широкого диапазона распределения пор по размерам резкой границы между высохшим и увлажненным материалом не наблюдается. Мениски находятся на разных уровнях от поверхности: микропор – ближе к поверхности, макропор – на большем расстоянии от нее. Так создается зона испарения, которая в процессе сушки перемещается к центру образца.

Выше этой зоны при высокой относительной влажности воздуха внутри пор могут сохраняться пленки влаги, которые мигрируют к поверхности образца. Происходит испарение влаги с поверхности этих пленок и связанных с ними манжетных менисков. Значительно уменьшается при этом испарение с менисков в самой зоне. Интенсивность сушки постепенно снижается по мере удаления оставшейся влаги во всем объеме материала.

4.2. Массоперенос в набухающих минералах

В предшествующем разделе рассмотрен массоперенос и испарение влаги из жестких пористых тел. Для объяснения массопереноса в таких телах применялась капиллярная модель, но для большинства реальных материалов (в том числе, в набухающих глинах) она не применима, т.к. они имеют широкий спектр контактирующих между собой пор, состоят из совокупности химически неоднородных частиц, взаимодействие между которыми происходит путем образования различного вида межмолекулярных связей. Многие материалы набухают в процессе поступления жидкости и претерпевают усадку при ее испарении.

Во всех пористых телах происходят дискретные скачки молекул [24], подобно тем, которые имеют место в обычных жидкостях (см. разделы 3.3, 3.7). Опыты проводили со сферическими образцами глины диаметром 15 мм на установке, приведенной на рис. 4.1. В исследуемые влажные материалы предварительно вводили раствор радиоактивного индикатора Na2S*O4.

Для большинства материалов усадка является линейной функцией его влагосодержания. В малых по размеру образцах линейная усадка наблюдается не во всем диапазоне изменения влагосодержания (рис. 4.7). В общем случае коэффициент объемной усадки k является функцией влагосодержания

k =d(V/V0)/du,

(4.2.1)

где V – объем образца при среднем по объему влагосодержании u; V0 – начальный его объем с влагосодержанием u0.

117

 

В процессе усадки ма-

 

териала возрастает интенсив-

 

ность счета

радиоактивного

 

излучения (рис. 4.8). Бета-

 

излучение с периферии об-

 

разца проходит через колли-

 

матор постоянного диаметра

 

и попадает в счетчик радио-

 

активных излучений.

 

 

По мере усадки увели-

 

чивается телесный угол и со-

 

ответственно

возрастает от-

 

носительный участок поверх-

 

ности образца, с которого бе-

 

та-излучение через коллима-

 

тор попадает в счетчик. Ин-

 

тенсивность удельной радио-

 

активности Nс учетом усад-

 

ки рассчитывается по форму-

 

ле

 

 

Рис. 4.7. Зависимость относительной усадки V/V0

N=N(V/Vн)2/3,

(4.2.2)

(1, 2, 3, 4), коэффициента объемной усадки k (1,

где N – фиксируемая счетчи-

2, 3, 4) от влагосодержания u образцов гидро-

ком радиоактивность участка

слюды (а) и монтмориллонита (b) при: Т=323 К и

ϕ=0,76 (1); 323 и 0,3 (2); 343 и 0,76 (3); 343 и 0,3

поверхности

образца

объе-

(4)

мом V; Vн – его начальный

 

объем.

 

 

В результате обработки экспериментальных кривых убыли влаги,

изменения объема образца и поступления излучения с его поверхности N

получены графики приведенной скорости сушки

 

 

q′=d(u/u0)/dτ=q/u0,

 

(4.2.3)

скорости объемной относительной усадки

 

 

 

α=d(V/V0)/dτ

 

 

(4.2.4)

и выноса относительной радиоактивности N/N0, где N0– максимальная с учетом усадки радиоактивность в конце сушки образца.

Объектами исследования были образцы гидрослюдистой глины и монтмориллонита.

При сушке гидрослюдистой глины наблюдаются постоянный и переменный периоды относительной скорости сушки q(рис. 4.8, графики 1 – 3). По мере роста температуры значения qвозрастают, а равновесные влагосодержания uр, соответствующие окончанию сушки, снижаются.

118

 

Сушка

сопровождается

 

усадкой (графики 1– 3). Зави-

 

симости

темпа относительной

 

усадки α имеют два участка.

 

Точки перехода от равномерной

 

к неравномерной усадке в зави-

 

симости

от

влагосодержания

 

смещены

от критических

точек

 

на графиках

скорости

сушки

 

вправо. Темп усадки отстает от

 

скорости сушки, так как кайма

 

капиллярных менисков отступает

 

в глубь материала и в его по-

 

верхностные слои поступает воз-

Рис. 4.8. Зависимости относительной скоро-

дух.

 

 

 

сти сушки q(1, 2, 3), усадки α (1, 2, 3) и ра-

Согласно

графикам

отно-

диоактивности N/N0(1′′, 2′′, 3′′) от влагосо-

сительной

интенсивности

сушки

держания u образцов гидрослюдистой глины:

i/i0, где i0 – начальная интенсив-

при Т=323 К и ϕ=0,76 (1); 323 и 0,3 (2); 343 и

ность испарения (рис. 4.9), в пе-

0,3 (3)

риод постоянной скорости сушки

 

из-за усадки материала значения i/i0 >1. Вследствие усадки происходит уменьшение внешней поверхности образца, но при этом возрастает реальная поверхность испарения с менисков и пленок жидкости в его периферийных слоях.

Отношение i/i0 можно рассчитать по формуле

 

i/i0 =(q/qп)(V0/V)2/3,

(4.2.5)

где qп – скорость сушки в постоянном периоде. При снижении скорости сушки уменьшаются значения i/i0.

Рис. 4.9. Зависимости относительной интенсивности испарения i/i0 от влагосодержания u при сушке гидрослюдистой глины при: Т=323 К и ϕ=0,76 (1); 323 и 0,3 (2); 343 и 0,3 (3)

Об увеличении реальной площади испарения в процессе усадки свидетельствуют графики выноса радиоактивной метки (см. рис. 4.8, кривые 13), а также критерия фазового превращения

(рис. 4.10а).

Как показано на рис. 4.8 (графики 13и 1 – 3), темп усадки α ниже, чем относительная скорость сушки q. Если α<q, то воздух поступает, а при α>qвытесняется из образца. В случае α<qзона испарения возникает ниже геомет-

119

 

рической поверхности образца. Ис-

 

парение влаги происходит как с

 

менисков, так и пленок влаги.

 

При высоких значениях отно-

 

сительной влажности воздуха в по-

 

рах материала пленки жидкости со-

 

храняются вплоть до периферий-

 

ных слоев материала образца. По

 

микропорам и пленкам влага в

 

жидкой фазе мигрирует в поверх-

 

ностные слои образца и здесь испа-

 

ряется. По этой причине повыша-

 

ются значения N/N0и снижаются

 

ε. Затем пленки разрываются. Воз-

 

никает диффузи-онный перенос па-

 

ра в макропорах.

 

 

Смена механизмов внутрен-

 

него массопереноса зависит от

 

внешних условий сушки, поэтому

 

изменения критерия фазового пре-

 

кращения ε от влажности – неодно-

 

значные. Они зависят от конечного

Рис. 4.10. Зависимости величины критерия

равновесного

влагосо-держания

материалов uр.

Последнее можно

фазового превращения εи от влагосодержа-

найти по изотермам десорбции вла-

ния u при сушке гидрослюдистой глины

(а): Т=323 К и ϕ=0,76 (1); 323 и 0,3 (2);

ги. Для гидрослюды (см. рис. 4.8)

343 и 0,3 (3); и монтмориллонита (б):

значения uр близки к полученным

Т=323 К и ϕ=0,76 (1); 323 и 0,3 (2); 323 и

из изотерм и соответственно равны

0,76 (3); 323 и 0,3 (4); торфа (в) при Т=323

0,12; 0,052 и 0,049.

К и ϕ=0,1 (1), 0,3 (2), 0,5 (3), 0,76 (4)

Аналогичные результаты по-

 

лучены для

монтмориллонита,

имеющего большую усадку и влаго-содержание. Темп усадки (рис. 4.11, графики 14) ниже относительной скорости сушки (1 – 4). По этой причине наблюдается снижение зоны испарения в глубь образцов. Особенно это заметно для низких значений относительной влажности воздуха внешней парогазовой среды ϕ.

При ϕ=0,76 и Т=323 К значения qи α близки, поэтому испарение наблюдается вблизи поверхности, так как значения ε стремятся к единице (рис. 4.10б, график 1). И только при u =0,35 вплоть до равновесного влагосодержания удаление влаги происходит преимущественно за счет диффу- зионно-жидкостного, а затем диффузионного переноса пара.

120

 

N

 

Этому способствует образо-

 

 

 

вание непосредственных контактов

 

 

 

 

 

 

между частицами глины. При об-

 

 

 

разовании

коагуляционных

кон-

 

 

 

тактов усадка прекращается. Глина

 

 

 

из вязкопластичного

переходит в

 

 

 

твердое состояние.

 

 

 

 

 

 

Наибольшая

относительная

 

 

 

интенсивность испарения i/i0 дос-

 

 

 

тигает значения 1,65 (рис. 4.12,

 

 

 

кривая 1). В этом случае влага

 

 

 

максимально отжимается из внут-

 

 

 

ренних объемов образца и перено-

 

 

 

сится в его поверхностные слои,

Рис. 4.11. Графики относительной скорости

где находится зона испарения.

 

сушки q(1 4), скорости усадки α (14) и

Снижение

относительной

выноса на поверхность радиоактивной мет-

влажности воздуха в камере сушки

ки N =N/N0(1′′4′′) образцов монтморил-

до ϕ=0,3 или увеличение темпера-

лонита при: Т=323 К и ϕ=0,76 (1, 1, 1′′);

туры способствуют

более интен-

323 и 0,3 (2, 2, 2′′); 343 и 0,76(3, 3, 3′′); 343

сивному

испарению

влаги,

но

и 0,3 (4, 4, 4′′)

усадка уменьшается. Так, для чет-

 

 

 

вертого образца (ϕ=0,76; Т=323 К, рис. 4.10б, график 4) критерий фазового превращения с уменьшением влагосодержания стремится к нулю. В этом случае скорость обезвоживания опережает темп усадки. Это свидетельствует о том, что в материал поступает воздух и образуется широкая зона испарения по глубине материала. При этом максимальная относительная интенсивность испарения i/i0 снижается до значения 1,15 (рис. 4.12, кривая 4).

Из-за перемещения зоны испарения и каймы капиллярных менисков в глубь образца в периферийных слоях не происходит отжатия осмотической влаги. Последняя испаряется и переносится в окружающую парогазовую среду. Это обстоятельство и является причиной снижения значений i/i0 по отношению к первому опыту (кривая 1).

Рис. 4.12. Зависимость относительной интенсивности испарения i/i0 от влагосодержания u при сушке монтмориллонита: при Т=323 К и ϕ=0,76 (1); 323

и 0,3 (2); 343 и 0,76 (3); 343 и 0,3 (4)

121

Рис. 4.13. Модель ассоциата макромолекул, полученная на компьютере

Сорбированная влага удаляется в конце сушки с очень малой интенсивностью. Молекулы воды диффундируют внутри межслоевых зазоров монтмориллонита и подпитывают пленки влаги на их поверхности. Из этих пленок происходит ее испарение и пароперенос по макропорам в окружающую среду.

При смене режимов сушки фазовый состав переносимой в материале влаги существенно изменяется. Скорость испарения возрастает при снижении относительной влажности парогазовой среды и повышении температуры. С уменьшением относительной влажности воздуха ϕ (рис. 4.12, кривые 1 4) продолжительное время сохраняется пленочный массоперенос и линейная усадка материала (см. рис. 4.11, графики 1, 1).

4.3. Переносвлагиворганоминеральныхматериалах

Органоминеральный материал – торф – имеет еще большую усадку, чем глины, и представляет собой композиционный материал из растительных остатков и минеральных компонентов различной дисперсности. В зависимости от степени биохимического распада растительных остатков (степени разложения) и механического диспергирования его структура близка к набухающим глинам или природным гелям (желатин, агар-агар). В макропорах образуются мениски, которые «опираются» на твердые минеральные частицы и крупные неразложившиеся растительные остатки. В разложившихся тканях растений – ассоциатов макромолекул различного химического состава [32] – влага находится внутри них и между ассоциатами. При анализе процессов массопереноса необходимо учитывать исходную структуру торфа.

В опыте исследовались сферические образцы диаметром 15 мм низинного диспергированного торфа степени разложения 25%. Этот торф имеет 0,65 – 0,7 сорбированной и 1,4 – 1,6 осмотической влаги. Остальная влага (капиллярная) находится в макропорах между крупными

частицами торфа.

Разложившийся и механически диспергированный торф в большей своей части представлен гелеобразной аморфной органической массой. Она состоит из совокупности различных по размеру контактирующих, связанных между собой набухших ассоциатов мак-

ромолекул (рис. 4.13).

122

Внутри этих ассоциатов и в полостях между ними имеют место скачки молекул воды в направлении меньшего влагосодержания.

Перед началом опыта в образцы торфа вводился радиоактивный индикатор Na2S*O4.

Для более детального анализа усадки в течение сушки вводится параметр [32]

β=ρв V/ т.

(4.3.1)

С его помощью можно проследить, как изменяется за определенный интервал времени Δτ объем образца V при удалении из него объема воды т/ρв, где т – уменьшение массы за тот же период времени; ρв – плотность воды. При β=1 изменение объема образца равно объему удаленной из него воды. Если зона испарения перемещается в глубь образца и в него поступает воздух, то значение β< 1.

В процессе интенсивной усадки изменение размеров образца может превышать объем удаленной из него влаги. Это приводит к вытеснению находящегося в порах материала воздуха и увеличению плотности образца γ. Значения β становится больше единицы. Следовательно, с помощью анализа зависимостей параметра β от влагосодержания можно судить о структурных изменениях в материалах в процессе сушки. Кроме того, рас-

считывалась свободная пористость

 

а=1 −γ0(1/ρт +u/ρв),

(4.3.2)

где γ0 /(1 +u), ρт и ρв – плотности торфа и воды. Плотность твердых компонентов торфа ρт определяли с помощью пикнометров.

Вначале сушки при температуре внешней среды 313 К происходит удаление влаги с поверхностных слоев образца (рис. 4.14). В более удаленных от периферии участках влага сохраняется дольше, так как в макропорах устанавливается высокая относительная влажность воздуха.

Постепенное снижение скорости сушки q при влагосодержании 2 – 3,5 связано с преимущественным удалением влаги в макропорах во всем объеме образца. Затем испаряется влага между ассоциатами и различными неорганическими частицами торфа. Возникает капиллярноосмотическое давление, приводящее к усадке. Поэтому в начальной стадии сушки значения β≈1, а пористость а незначительно возрастает.

Перед началом второго постоянного периода сушки наблюдается увеличение температуры поверхности Тп и значений плотности γ, а также темпа изменения скорости радиоактивного излучения из образца вследствие уплотнения торфа B =dN/dτ.

Во втором постоянном периоде сушки имеет место сжатие ассоциатов торфа, о чем свидетельствует кривая γ0. Плотность образца γ уменьшается, а значения пористости а резко возрастают. Это свидетельствует о

123

том, что воздух поступает в образец (β< 1). Частицы уплотнены настолько, что увеличение капиллярно-осмотического давления не приводит к их дальнейшей усадке. Затем наблюдается постепенное удаление осмотической влаги во всем объеме образца.

Рис. 4.14. Сушка образцов низинного торфа при Т=313 К, ϕ=0,4: а – изменение в течение времени сушки τ (ч) значений влагосодержания u (1), объема V 106 3) (2) скорости сушки q –1) (3), относительной удельной активности N (4), температуры Т (К)

на поверхности (5) и центре (6) образцов; б – изменение плотностей γ 102 (1) и γ0 102 (кг/м3) (2), q –1) (3), коэффициента β (4), свободной пористости а (5) и изменения ин-

тенсивности излучения B –1) (6) в зависимости от u

Последний переменный этап сушки при u <1 связан с удалением оставшейся осмотической и затем сорбированной влаги из ассоциатов. При таком влагосодержании образца происходит уже непосредственное сцепление функциональных полярных групп макромолекул через водородные и другие виды связей. Это вызывает молекулярную усадку, приводящую в

124