40.3. Твердое тело как объект сушки.

В промышленности процессу сушки подвергаются различные вещества, имеющие разнообразные свойства с точки зрения объектов сушки.

Процесс удаления влаги из влажного материала сопровождается нарушением связи ее со скелетом вещества, на что затрачивается определенная энергия. В порядке убывания энергии различают следующие формы связи влаги с материалом, предложенные П.А. Ребиндером: химическую, физико-химическую и физико-механическую.

Химически связанная влага удерживается веществом посредством ионных или молекулярных связей наиболее прочно и не удаляется из влажных материалов при сушке. Химически связанная влага может быть удалена из материала в результате химических взаимодействий или при прокаливании материала.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу.

Адсорбционно связанная влага для капиллярно-пористых тел – это влага, удерживаемая на внутренней поверхности пор адсорбционными силами. В отличие от химически связанной влаги количество адсорбционной влаги для одного и того же материала может быть существенно различным в зависимости от внешних условий. Вследствие энергетической ненасыщенности поверхностных молекул и ионов твердого тела на его поверхности образуется молекулярный слой адсорбированной влаги. Этот слой наиболее сильно связан с материалом. Последующие слои удерживаются менее прочно.

Осмотически связанная влага называется также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Влага набухания влага требует для своего удаления значительно меньшей затраты энергии, чем адсорбционная.

Физико-механическая связь определяет влагу, свободно удерживаемую в объеме пор тела. В свою очередь эта влага подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров. Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном контакте ее с материалом, в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении так и при поглощении ее из окружающей среды. Физико-механическая влага наиболее легко удаляется из материала. В частности, влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами.

Следует отметить, что не существует резкой границы между различными формами связи влаги с материалом. По мере исчезновения одной формы начинает превалировать другая.

С точки зрения кинетики процесса сушки влагу материалов подразделяют на свободную и связанную.

Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения влаги со свободной поверхности.

Под связанной влагой понимают влагу, скорость испарения которой меньше скорости испарения влаги со свободной поверхности.

40.4. Равновесие при сушке

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса: сушка (десорбция влаги из материала) и увлажнение (сорбция влаги материалом). В первом случае парциальное давление паров влаги над материалом (р_м) будет больше, чем во влажном воздухе (р_п). Во втором случае, наоборот ‑ парциальное давление паров влаги над материалом будет меньше, чем во влажном воздухе (р_м < р_п). В процессе сушки парциальное давление паров влаги над материалом уменьшается и в пределе наступает динамическое равновесие (р_м = р_п). Этому состоянию соответствует равновесная влажность материала . Равновесная влажность материала зависит от парциального давления влаги во влажном воздухе или от пропорциональной ему величины относительной влажности воздуха . Зависимость равновесной влажности материала от относительной влажности воздуха определяется экспериментально при постоянной температуре. На рис. 40.3 представлена типичная зависимость равновесной влажности материала от относительной влажности воздуха.

Рисунок 40.3 – Зависимость равновесной влажности материала от относительной влажности воздуха.

Рисунок 40.4 – Изменение влажности материала в процессе сушки.

Кривая 1 характеризует процесс сушки, кривая 2 – процесс сорбции. Расхождение кривых 1 и 2 (гистерезис) указывает на то, что для достижения одной и той же равновесной влажности величина при увлажнении материала должна быть больше, чем при сушке. Вероятной причиной гистерезиса является попадание воздуха в капилляры высушенного материала и его сорбция стенками капилляров. В результате этого при последующем увлажнении материала уменьшается его смачиваемость влагой, и для вытеснения воздуха из капилляров требуется большее парциальное давление водяного пара в воздухе, а значит и большее значение . Влажность материала при равновесии с насыщенным воздухом = 1 называют гигроскопической (см. рис. 40.4).

Влажность материала может быть рассчитана по отношению к его общему количеству G или по отношению к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества G_с, причем

, (40.8)

где G_вл – количество содержащейся в материале влаги, кг.

Влажность, отнесенная к общему количеству материала , в %,

. (40.9)

Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала , в %,

. (40.10)

Количество абсолютно сухого материала не меняется в процессе сушки. Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого вещества и влажность, рассчитанная на его общее количество, связаны между собой зависимостями:

, (40.11)

. (40.12)