Равновесие в процессах сушки

 

Большинство твердых материалов способно поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Окружающая влажный материал среда содержит либо водяной пар, либо смесь водяного пара с газами. Обозначим парциальное давление водяного пара , если он в смеси с газами или без них является окружающей средой.

Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное равновесное давление водяного пара над влажным высушиваемым материалом . Равновесное давление водяного пара над материалом зависит от влажности материала, температуры и характера связи влаги с материалом. Если , то происходит процесс сушки, иначе – имеет место увлажнение материала.

С ростом температуры и скорости движения газа относительно влажного материала возрастает. Абсолютное значение этой величины зависит от характера связи влаги с материалом. Чем сильнее эта связь, тем меньше . Влажность материала, отвечающая условию , соответствует достижению равновесия.

Различают несколько форм связи влаги с материалом. Рассмотрим их в порядке убывающей энергии связи.

Химически связанная влага. Содержится в материале в виде химических соединений типа гидрооксидов или кристаллогидратов. Связь может быть нарушена при проведении химической реакции или прокаливания. При сушке эта влага не удаляется.

Адсорбционно связанная влага. Влажность материала обусловлена адсорбцией воды на наружной поверхности материала и на поверхности его пор.

Осмотически связанная влага (влага набухания) содержится внутри структурного скелета материала и удерживается осмотическими силами.

В этих двух случаях связь воды с материалом имеет физико-химическую природу.

Капиллярно связанная влага находится в макро- и микрокапиллярах. Имеет механическую связь с материалом, поэтому наиболее легко удаляется.

Давление пара над поверхностью материала тем меньше, чем прочнее связь между водой и материалом.

Влажному материалу присущи все формы связи с водой. Трудно при этом разграничить периоды сушки, соответствующие различным видам связи молекул воды с молекулами вещества. Поэтому экспериментальным путем строят изотермы сорбции, т. е. зависимости влажности материала от относительной влажности воздуха при постоянной температуре . Изотермы сорбции позволяют определять равновесную влажность при сушке.

На рис. 6.2. изображена петля гистерезиса при сушке и увлажнении материала. Нижняя кривая получена при испарении (десорбции) влаги из материала, т. е. при его сушке и называется изотермой десорбции, верхняя – к адсорбции (увлажнении) влаги высушенным материалом и называется изотермой сорбции.

Расхождение кривых (гистерезис) указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности материала влажность воздуха при увлажнении должна быть больше, чем при его сушке.

Высушенный материал, содержащий до сушки сильно связанную влагу, может иметь после сушки равновесное парциальное давление водяного пара меньшее, чем в атмосферном воздухе. Такой материал способен поглощать влагу из атмосферного воздуха и называется гигроскопическим.

Влажность материала может быть рассчитана по отношению к его общему количеству или по отношению к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества.

Рис. 6.2. Зависимость равновесной влажности материала (древесины)

от относительной влажности воздуха

 

Влажность, отнесенная к общему количеству вещества:

.

Влажность, отнесенная к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества:

.

Количество абсолютно сухого вещества не меняется в процессе сушки и для упрощения расчетов обычно используют .

Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала, и влажность, рассчитанная на общее количество вещества, связаны между собой зависимостями

; .

При конвективной сушке процесс сводится к удалению влаги из материала за счет разности парциальных давлений паров над материалом ,и в окружающей среде сушка происходит при условии . При равенстве наступает состояние равновесия, и процесс сушки прекращается. При этом в материале устанавливается влажность , называемая равновесной. При материал увлажняется. Этот процесс называется сорбцией. Обычно сушку ведут до равновесной влажности материала.

Количество испарившейся жидкости со свободной поверхности можно определить по формуле А.В. Лыкова:

,

где W, m – количество и молекулярная масса испарившейся жидкости соответственно; D – коэффициент диффузии водяного пара; T_f – средняя арифметическая температура между температурой на поверхности испаряющейся жидкости и температурой окружающего воздуха; l – размер поверхности испарения в направлении воздушного потока; – движущая сила процесса испарения влаги; – парциальное давление водяных паров в сушильном агенте;
А – величина, зависящая от гидродинамических условий сушки (критерия Рейнольдса).

Между количеством испарившейся жидкости и количеством затраченного на ее испарение тепла существует связь в виде зависимостей

где Т – температура воздуха; q – температура испаряющейся жидкости на поверхности; r – теплота парообразования воды.

При сушке испарение влаги с поверхности связано с диффузией влаги изнутри материала к этой поверхности. Эти два процесса должны находиться в строгом соответствии, в противном случае возможно пересыхание, коробление поверхности материала и ухудшение его качества.

Процесс сушки характеризуется двумя периодами: постоянной скорости и падающей скорости (рис. 6.3).

В первом периоде удаляется поверхностная влага материала. При этом все тепло расходуется только на испарение влаги. Температура материала в этот момент постоянна и равна температуре мокрого термометра. После достижения критической влажности , которая соответствует началу удаления связанной влаги (гигроскопической), начинается второй период сушки (точка С), когда удаляется влага, перемещающаяся к поверхности за счет диффузии от внутренних слоев. Критическая влажность больше гигроскопической, т. к. при сушке материала влажность внутренних слоев больше, чем на его поверхности.

Значение критической влажности тем меньше отличается от значения гигроскопической влажности, чем меньше разница во влажности на поверхности и внутри материала. Поэтому критическая влажность зависит от толщины материала и режима сушки.

В период постоянной скорости сушки температура на поверхности материала равна температуре мокрого термометра. В период падающей скорости сушки температура материала постепенно возрастает и в конце сушки приближается к температуре сушильного агента. Этот период продолжается до достижения .

 

а) б)

 

Рис. 6.3 Зависимости изменения влажности материала от времени (а)

и скорости сушки от влажности материала (б)

 

Теоретически равновесная влажность может быть достигнута лишь при бесконечно большой продолжительности сушки. Влажность, близкая к равновесной, достигается по истечении некоторого промежутка времени. На основании экспериментов установлено, что скорость продвижения влаги внутри материала определяется формой связи влаги с материалом.

Продолжительность сушки зависит от рода высушиваемого материала, его геометрических размеров, назначения, типа сушилки, способа подвода тепла, режима сушки и ряда других причин. Вследствие этого аналитическое определение продолжительности сушки в ряде случаев представляет определенные трудности. Чаще всего продолжительность сушки определяют экспериментальным путем.