Литература от Абакумова ч2 / Осмотический массоперенос

вается до 6,5 и 11,5 мм. С увеличением числа осцилляций прирост величины l* уменьшается. При постоянной относительной влажности воздуха с увеличением числа осцилляций устанавливается предельное и постоянное значение пленки l*. В капиллярах с внутренним диаметром d >37 мкм пленка не образуется.

В капиллярах с диаметром 10–20 мкм при смене относительной влажности воздуха от 0,7 до 0,9 на освобождающихся в процессе испарения внутренних поверхностях вновь конденсируется жидкость. Это приводит к росту длины пленки. При последующем уменьшении значений ϕ с менисков, находящихся вблизи открытого конца капилляра, происходит интенсивное испарение воды.

В ненасыщенных влагой материалах имеются заполненные воздухом поры. Для моделирования процессов массопереноса в таких средах

раничены менисками и контактируют с водопроводящими пленками влаги на внутренней поверхности капилляра.

Причиной образования столбика жидкости является адсорбция молекул воды на гидрофильных группах свободной внутренней поверхности капилляра из кварцевого стекла. Молекулы воды образуют в этом случае упорядоченную структуру, имеющую более низкую энтропию, чем обычная вода. Поэтому первичный столбик отсасывает воду из основного столба жидкости (рис. 2.6 а). Осмотический перенос происходит по толстой водной пленке, соединяющей первичный столбик с основным столбом воды в капилляре. Внутри пузырька воздуха значения ϕ близки к единице.

С увеличением относительной влажности в камере интенсивность испарения в окружающую парогазовую среду из первичного столбика снижается. Поэтому возрастает его длина вследствие переноса влаги, поступающей из основного столба жидкости. При этом пузырек смещается в направлении запаянного конца капилляра. Молекулы газа диффундируют внутри столбика жидкости и через левый мениск переходят в парогазовую среду. Этот процесс наблюдается в течение нескольких сотен часов.

Интенсивность испарения из капилляров размером 40 мкм при ϕ=0,58 (рис. 2.6 b, график 1) больше, чем при ϕ=0,93 (2). В первом случае длина столбика жидкости в течение всего времени испарения изменялась незначительно. Во втором случае вся влага конденсировалась по всей длине капилляра. При этом пузырек смещался вправо, а его длина практически осталась постоянной. Аналогичные зависимости отмечены и для капилляров с диаметром 100 и 200 мкм и значении ϕ=0,95 (кривые 3, 4).

2.3.Испарение из капилляров при температурах, близких и превышающих точку кипения

Между стефановским переносом пара, который рассмотрен в разделе 2.2, и вязким течением имеется переходный режим массопереноса. Вязким течением газа нельзя объяснить наблюдаемое в опытах избыточное давление внутри пористого тела при температурах, превышающих температуру кипения. Избыточное давление при переходном режиме связано с наличием не зависящего от радиуса капилляров r встречного диффузионного потока воздуха, который компенсируется при уменьшении размеров капилляра повышением общего давления над мениском [25]. Полагая, что коэффициент диффузионного скольжения пренебрежимо мал, запишем уравнение

пячения в кварцевом сосуде удаляли растворенные газы. Капилляры помещали горизонтально в термостатирующее устройство (рис. 2.7), которое представляет собой массивную камеру 2, покрытую слоем теплоизоляции.

В камере имеется нагревательный элемент 4, капилляры 5 и устройство для ломки капилляров 6, боковое окно для подсветки 3. Внутренняя поверхность камеры зачернена. Верхняя крышка 1 выполнена из органического стекла. Это позволяло проводить наблюдения за испарением из капилляров. Температуру с точностью ± 0,2 К контролировали с помощью

Таблица 2.2. Изменение температуры воды у менисков при испарении из кварцевых капилляров

Рис. 2.12. Зависимости высокотемпературного испарения: а) изопропилового спирта при T =360 (1); 363 (2); 365 (3); 370 (4) К; b) гептана при T =374 (1); 376 (2); 378 (3); 380 (4) К (l, см; τ, ч)

При испарении из капилляров с размерами 1–3 мкм изопропилового спирта (рис. 2.12 а) аномального уменьшения интенсивности испарения при температурах выше температуры кипения Тк, как это имеет место при испарении воды, не наблюдается.

Вода, изопропиловый спирт и н-гептан (рис. 2.12 b) являются соответственно сильно, слабо и неассоциированными жидкостями. С увеличением температуры возрастает число разорванных водородных связей между молекулами, а количество ассоциатов воды уменьшается. В изопропиловом спирте и особенно н-гептане преобладают ван-дер-ваальсовые межмолекулярные связи. Поэтому увеличение температуры не оказывает существенного влияния на изменение структуры этих жидкостей. По этой же причине скорость испарения вблизи температуры кипения для н- гептана (Тк =371,4 К) выше, чем для изопропилового спирта (355,4 К) и тем более для воды.

56

2.4. Испарение смесей жидкостей из капилляров

Во многих технологических процессах из пористых материалов одновременно удаляется несколько различных жидкостей.

Как следует из опытов, скорость перемещения мениска при испарении смесей жидкостей ниже, чем скорость движения первого, более летучего компонента [26, 27]. Это обусловлено понижением концентрации насыщенных паров над поверхностью первого компонента из-за наличия второго. По мере испарения первого компонента происходит снижение скорости перемещения мениска. Она асимптотически стремится к соответствующей величине для второго, менее летучего компонента.

Опыты проводили с цилиндрическими стеклянными капиллярами. Они имели внутренние 4–10 мкм и внешние 150–200 мкм диаметры. Смеси парафиновых углеводов н-гексан–н-гептан, н-гексан–н-октан, н-гексан–

–н-нонан образуют практически идеальные растворы. Давления паров над каждым раствором определяли по закону Рауля.

Зависимости координаты перемещения мениска от времени для смеси гексан–гептан при Т=313 К и для различных концентраций компонентов близки к линейным (рис. 2.13). Для смеси гексан–октан при той же

57

достигается равномерного распределения компонентов из-за более интенсивного удаления летучего компонента.

В табл. 2.3 приведены расчеты мольных долей компонентов и плотностей для смеси гексан–октан при температурах 300–343 К. В таблице значениям N10 и N1, ρ10 и ρ1l соответствуют мольные доли и плотности более летучего компонента (гексана) в объеме (N10, ρ10) и у мениска (N1, ρ1l). По мере снижения мольных долей гексана (N10) уменьшается его плотность в объеме смеси ρ10 и более существенно у мениска ρ1l.

Зависимости перемещения менисков при испарении существенно отличающихся по летучести компонентов смеси гексана–декана приведе-

С пропорциональна квадрату радиуса цилиндри-

ческого капилляра.

С уменьшением концентрации воды до 60 мольных процентов (м. п.) в смеси вода–пропанол-2 при испарении из капилляра с радиусом 2 мкм и температуре 358 К скорость испарения возрастает в три раза, а при концентрации компонентов 40 м. п. воды — 60 м. п. пропанола — на два порядка. С

отличия в скоростях испарения между азеотропными смесями и отдельными компонентами уменьшаются по мере увеличения температуры.

2.5.Неизотермическое испарение жидкостей из капилляров

В процессе сушки внутри пористого тела возникают градиенты температуры, вызывающие дополнительный перенос жидкости за счет термовлагопроводности. Рассмотрим это явление на простейшей модели – цилиндрическом капилляре [28, 29].

Опыты проводили на установке, капилляры в которой находились в полуцилиндрических канавках на поверхности массивной латунной пластины. В пластине по оси капилляров создавали постоянный градиент температуры. Его величину контролировали термопарами.

Температура линейно изменяется по длине капилляров: T(l)=Т0+ Tl , где Т0, T(l) — соответственно температуры у устья капилляра и мениска,T — градиент температуры. Поэтому слои жидкости и пар у мениска принимают температуру нагревателя в месте нахождения фронта испарения. Согласно формуле (2.2.1) при Т0 < 373 К интенсивность испарения j1 ~ v и зависит от температуры, коэффициента диффузии D, парциального давления насыщенного пара pl у мениска. Значения pl возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону.

Рис. 2.19. Зависимость величины обратной потоку пара j1–1 103 (м2 с/кг) от координаты мениска l (мм) при испарении воды в атмосферу сухого воздуха при наличии градиен-

тов температуры Т=6 (1), 0 (2), –6 (3), –12 (4) К/см; Т0 =343 К, r =20 мкм

Рис. 2.20. Зависимость величины обратной потоку пара j1–1 103 (м2 с/кг) от координаты мениска l (мм) при испарении воды в атмосферу сухого воздуха при наличии градиен-

тов температуры Т=3 (1), 0 (2), –3 (3), –6 (4) К/см; Т0 =382 К, r =2,6 мкм

При изотермическом процессе (градиент температуры T =0) зависимость обратной величины потока j1–1 от расстояния l согласно урав-

60