Литература от Абакумова ч2 / Осмотический массоперенос

такта. Это приводит к обезвоживанию макропор в начале левой половины колонки с крупнозернистым (рис. 3.4 b, кривая 3′), а затем с мелким песком (кривая 4′).

Несмотря на то, что зоны испарения в левой и правой половинах колонки последовательно перемещаются вглубь ее, относительная интенсивность испарения i/i0 ≈0,7 остается постоянной (кривая 1). Это происходит вплоть до полного по всей высоте колонки обезвоживания крупных пор в мелкой фракции песка. По системе обезвоженных макропор в обеих частях колонки пар переносится в атмосферу. Кроме того, из правой половины колонки он перемещается не только вдоль ее оси, но и через свободные от воды поры крупнозернистого песка.

Оставшаяся после обезвоживания макропор в левой половине колонки манжетно-пленочная влага испаряется, а также частично отсасывается мелкозернистой фракцией песка (кривая 3″). В связи с этим возникает участок переменной интенсивности испарения (кривая 1). В конце сушки удаляется пленочная влага из обеих фракций песка (кривые 3″, 4″).

Радиоактивность в левой половине колонки с крупной фракцией песка постепенно возрастает (рис. 3.4 b, кривая 3). Кривые 3 и 4 существенно отличаются от кривых 2 и 3 рис. 3.4 а из-за различных механизмов массопереноса в первой и второй моделях.

Увеличение радиоактивности до значений N/N0 ≈0,3 (рис. 3.4. b, кривая 3) вызывается вначале обезвоживанием макропор. Но и после их обезвоживания в левой половине колонки радиоактивность продолжает возрастать до полного обезвоживания крупных пор правой половины с мелким песком и достигает значения N/N0 ≈0,45. Это происходит из-за отсасывания оставшейся влаги в правую половину из макропор левой. Возможен также малоинтенсивный пленочный перенос в верхние слои правой половины колонки (кривая 3″). По этой причине радиоактивность в ней (кривая 4) до полного обезвоживания макропор (кривая 4′) возрастает.

Только в конце сушки за счет удаления пленочной влаги в поверхностных слоях колонки (кривая 4″) относительная радиоактивность возрастает до значений N/N0 ≈0,3, а общая радиоактивность колонки (кривая 2) достигает величины 0,75. Низкая конечная относительная радиоактивность вызвана тем, что влага испаряется преимущественно внутри тела, а не на его поверхности. Кроме того, менее интенсивен жидкостный перенос, который наблюдался в модели I.

Таким образом, в зависимости от способа контакта частиц дисперсного материала с неоднозначной пористостью и размером пор механизмы массопереноса в них — различные. Влага испаряется с поверхности образца колонки в том случае, если имеется источник, из которого она по связанной системе пор может поступать в зону испарения. Если такой источник влаги отсутствует, то фронт испарения перемещается в глубь по-

71

Песок фракции <0,17 мм имеет различные по размерам поры и щели. Наиболее узкие клиновые щели образуются непосредственно в местах контакта частиц песка.

В начальной стадии сушки происходит испарение с поверхности полностью влагонасыщенного материала. Затем мениски в крупных порах отступают вглубь образца. С менисков в местах контактов между частицами песка продолжается испарение влаги. Они отсасывают воду из крупных пор. Это приводит к снижению суммарной интенсивности испарения

и незначительному увеличению радиоактивности на поверхности образца, что согласуется с моделью II

(рис. 3.3).

Первое критическое влагосодержание W1 наступает тогда, когда влага полностью испаряется из крупных пор по всей высоте колонки. Испарение оставшейся манжетнопленочной влаги происходит с уменьшающейся во времени скоростью сушки («падающем периоде» [34]). В течение этого периода наблюдается увеличение радиоактивности вследствие значительного обезвоживания (рис. 3.5 b) поверхностных слоев песка.

Верхний слой песка толщиной 2,5 см имел влажность 0,6–1%. Жидкостной перенос в этом случае весьма мал из-за разрыва водопроводящих пленок при влажности менее 3% (рис. 1.16). Оставшаяся манжетная и затем адсорбированная влага удаляется путем испарения и диффузии пара по системе обезвоженных макропор в окружающую парогазовую среду.

Кривые распределения влажности и радиоактивности вдоль колонок (рис. 3.5 b) позволяют получить дополнительную информацию о внутреннем механизме влагопереноса при конвективной сушке. Первый разбор серии идентичных колонок (кривая 1)

73

ропоры. Это предопределяет механизм обезвоживания материала. Происходит испарение с поверхности пленок и менисков и перемещение фронта испарения вглубь образца.

Сушка однородной фракции песка 0,2–0,3 мм подобна обезвоживанию фракции менее 0,17 мм. Более высокая концентрация метки (рис.3.7 а, кривая 3′) у поверхности образца свидетельствует о том, что обезвоживание пятисантиметрового слоя происходит до влажности менее 3%. Из-за отсутствия подпитки влаги из макропор, как это наблюдалось в песке фракции < 0,17 мм, в однородной фракции 0,2–0,3 мм имеет место интенсивное обезвоживание поверхностных слоев и перенос зоны испарения в более глубокие слои материала (рис.3.7 а, кривые 1′–3′).

74

Интенсивность поступления бета-излучения из колонки с песком фракции 0,5–1 мм больше, чем из мелкозернистого (<0,17 мм). Она наблюдается при более высокой средней влажности из-за существенного (менее 1%) иссушения поверхностных слоев колонки (рис. 3.7 b, кривая 3).

Чем крупнее поры, тем больше скорость испарения вследствие интенсивного конвективного обмена пара и воздуха в макропорах с атмосферой и обезвоживание верхних слоев материала в период постоянной скорости сушки.

Однако из-за малого числа микрокапилляров скорость сушки нижних слоев колонки крупного песка

3′). Относительная влажность в порах от основания колонки до зоны испарения близка к единице. Поэтому толстые пленки влаги в этой части колонки могут сохраняться. Выше зоны испарения по мере снижения относительной влажности воздуха в порах мелкозернистого песка до ϕ→0,5 толщина пленок постепенно уменьшается.

В гранулированном силикагеле при ϕ=0,5 (рис. 3.11 а) интенсивность испарения и количество вынесенного индикатора из-за иссушения

тельной влажности воздуха ϕ, а только возрастает интенсивность парообразования и его перенос по макропорам во внешнюю парогазовую среду.

Таким образом, уменьшение относительной влажности воздуха внешней среды вызывает увеличение интенсивности сушки материалов. На скорость испарения влияют поперечные размеры образцов из-за различной интенсивности подвода тепла в зону испарения, а также гидрофобизация материала.

3.3.Осмотический массоперенос в пористых материалах

Осмотический перенос жидкостей (в частности, воды) является причиной многих явлений и процессов, происходящих в живой и неживой природе. Осмотическое давление позволяет слабому ростку растения, появившемуся из зерна, преодолеть сопротивление слоя почвы и выйти на ее поверхность, сдвигать камни, разрушать асфальт. За счет осмотического переноса влага в грунте и по стволам деревьев (например, эвкалиптов) доставляется на высоту более сотни метров.

Осмотические явления известны давно. Еще древние египтяне откалывали большие куски камня от монолита с помощью набухших деревянных клиньев и использовали их для строительства пирамид.

Осмотический перенос растворителя играет большую роль при миграции жидкости в почвах, растениях, организмах и клетках животных, набухании различных материалов, получении пресной воды из растворов.

Осмотические явления (и соответственно давления и массоперенос) возникают тогда, когда в любой смеси веществ какие-либо ее компоненты (газы, растворитель, растворенные вещества) более, а другие менее подвижны. Малая подвижность происходит вследствие различных причин: проницаемости, фазовых переходов (льдообразования), адсорбции, ассоциации, ионного обмена, воздействия внутренних и внешних полей, химических реакций. Активные составляющие системы (в частности, растворитель) воздействуют на смесь таким образом, чтобы снизить концентрацию неактивных компонентов в пределе до нуля путем разбавления. Это возможно, если имеется приток в данный локальный объем активных компонентов из окружающего пространства [35]. Такое явление наблюдается при переносе растворителя через полупроницаемую мембрану. Через такую мембрану молекулы растворителя проходят, а перенос растворенного вещества (молекул, ионов) — затруднен.

Пусть раствор имеет n1 молей растворителя и n2 растворенного вещества. Молекулы растворителя, поступающие через полупроницаемую мембрану, стремятся разбавить раствор путем осмотического всасывания.

79

Возникающее при этом осмотическое давление можно измерить осмомет-

ром ([9], т. 1, с. 241).

Подобные явления наблюдаются при ограниченном растворении – набухании различных материалов (агар-агар, желатин и др.). Большая часть поглощенной воды — это осмотическая (энтропийно-связанная по П. А. Ребиндеру [33]) влага.

Приращение мольной энтропии при идеальном смешивании молекул растворителя и растворенных веществ равно

i=1

где ni — число молей смешиваемых m компонентов; Ni — их мольные доли; R — универсальная газовая постоянная.

Для растворов высокомолекулярных соединений [9, 12] необходимо учитывать мольные доли всех компонентов, составляющих органическую массу, и проводить оценку подвижного звена (кинетического элемента) каждой органической составляющей композиционного материала.

Процесс набухания происходит до тех пор, пока осмотическое давление не компенсируется упругими напряжениями, возникающими в пространственной структуре скелета (матрице) материала.

Приращение парциальной мольной энтропии смешения компонентов можно найти путем дифференцирования соотношения (3.3.1) по параметрам Ni. Для первого компонента (растворителя) значения

При поглощении растворителя в процессе набухания или смешении малых концентраций второго компонента изменением парциальной эн-

тальпии можно пренебречь ( H ≈ 0 ) [9]. Это следует, в частности, из рис.

где V1 — объем моля растворителя; ps и ps0 — соответственно давление насыщенного пара над раствором и чистым растворителем.

Положим S1 = Sсм . Из уравнений (3.3.2) и (3.3.5) следует, что при n2 <<n1

80