КАСАТКИН

Равновесие при сушке

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса: 1) сушка (десорбция влаги из материала) при парциальном давлении пара над поверхностью материала р_ы, превышающим его парциальное давление в воздухе или газе р_п. т. е. при р_и > р„; 2) увлажнение (сорбция влаги материалом) при Рш ^ Рп •

В процессе сушки давление р_№ уменьшается и приближается к пределу Рм ~ Рп- При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью w_p.

Равновесная влажность зависит от парциального давления водяного пара над материалом р_п или пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха <р [см. выражение (XV,3) I и определяется опытным путем.

4. Равновесие при сушке

591

Для этой цели навеска высушиваемого материала помешается в среду « различной от- носительной влажностью ф при < = сош1 и периодически взвешивается. Влажность мате- риала при достижении им постоянной массы является равновесной. Обычно навески доводят до постоянной массы в эксикаторе с растворами серной кислоты различной концентрации и получают зависимость от ф (рис. ХУ-З).

Зависимость т_р — / (<р) устанавливается при постоянной температуре и, таким образом, является изотермой. Кривая 1 на рис. ХУ-З получена при испарении (десорбции) влаги из материала, т. е. при его сушке, и называется изотермой десорбции. Вышерасположенная кри- вая 2, полученная при обратном процессе — увлажнении высушенного материала,— называется изотермой сорбции.

Расхождение кривых 1 и 2 (гистерезис) указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности величина ф воздуха при увлажнении материала должна быть больше, чем при сушке последнего. Вероятной причиной гистерезиса является попадание воздуха в капилляры высушенного материала и его сорбция стенками капилля- ров. В результате этого при последующем увлажнении материала уменьшается его смачи- ваемость влагой и для вытеснения воздуха из капилляров требуется большее парциальное давление водяного пара илн большая величина ф (изотерма сорбции 2 расположена выше

изотермы 1).

Рис. ХУ-З. Зависимость равновесной влажности материала от относительной влажности воздуха:

I г— изотерма десорбции; 2 — изотерма сорбции.

игросколическое -^\-'влажное состояниеI

тгтпаиир •

Рис. ХУ-4. Изменение влажности материала в процессе сушки.

Формы связи влаги с материалом. Ме- ханизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги

с материалом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается.

П. А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая.

Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в определенных (стехиометрических) соотношениях и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из материала при сушке.

В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокап'илляров (капилляров со средним радиусом приблизительно больше и меньше 10~⁵ см). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмоти

592

Гл. XV. Сушка

чески связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерно для коллоидных и полимерных материалов.

Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют з более широком смысле на свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. Следовательно, при наличии в материале свободной влаги р_и — р_н, где р_н — давление насыщенного пара воды над ее свободной поверхностью. Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой из материала меньше скорости испарения воды со свободной поверхности р_ы <р_н.

Влажность материала и изменение его состояния в процессе сушки. Влажность материала может быть рассчитана по отношению к его общей массе С или по отношению к массе находящегося в нем абсолютно сухого вещества в_с, причем

О — б_с б_вл

где бцл — масса содержащейся в материале влаги.

Влажность, отнесенная к общему количеству материала (в %):

Оал

100 (XV, 13)

Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала (в %):

^ = ^2-100 (XV, 14)

Ос

Масса абсолютно сухого материала не меняется в процессе сушки, и для упрощения расчетов обычно пользуются величинами ю^с. Влажность, отнесенная к массе абсолютно сухого материала да^с, и влажность, рассчитанная на его общую массу Ьо, связаны между собой зависимостью (в %):

^шС=-ж^¹⁰⁰ • <^Х^¹⁵>

или

=“ 100 (XV, 15а)

100+ ю^с

Рассмотрим изменение состояния материала в процессе сушки (рис. Х\М). При изменении влажности от ы)_г до ш_т материал содержит свободную влагу (р_ы = р_н) и находится во влажном состоянии. При изменении влажности от до да_р материал содержит связанную влагу (р_м <5 <р_н) и находится в гигроскопическом состоянии. Точка А называется гигроскопической, а соответствующая ей влажность хш_т — гигроскопической влажностью. Так же как и во всей области влажного состояния, в точке А, соответствующей Ф = 100%, р_м = р_н.

Гигроскопическая влажность ю_г находится на границе свободной и связанной влаги в материале. Свободная влага будет удаляться из материала при любой относительной влажности окружающей среды меньше 100% (ф <; 100%). Удаление связанной влаги возможно лишь при той относительной влажности окружающей среды, которой соответствует влажность материала, большая равновесной. На рис. ХУ-4 вся область, где материал может сушиться, заштрихована. При гигроскопическом состоянии материала, отвечающем области над кривой равновесной влажности, возможно только увлажнение материала, но не его сушка,

5. Материальный и тепловой балансы сушки

593

Yandex.RTB R-A-252273-3
Содержание
Yandex.RTB R-A-252273-4