Твердое тело как объект сушки

Любой высушиваемый материал может характеризоваться сорб­ционной емкостью по влаге, т. е. количеством влаги, сорбированной единицей массы продукта при контакте с влажным газом. Влагоемкость высушиваемых материалов, а также условия сушки, ее интен­сивность и полнота зависят от природы высушиваемого вещества, которая определяет вид связи влаги с продуктом. Виды связи влаги с материалом можно классифицировать по величине энергии этой связи.

Поскольку процесс сушки сопровождается, как правило, разру­шением этих связей, целесообразно оценить их энергию. Согласно Лыкову, работа отрыва 1 моля воды А при изотермически обра­тимом процессе без изменения состава будет

. (21.25)

где ∆F - изменение свободной энергии системы.

По уравнению Гиббса-Гельмгольца имеем

. (21.26)

где Н - энтальпия изотермического процесса, или теплота отрыва связанной воды.

Дифференцируя уравнение (21.25) по Т, получим

. (21.27)

где Q₁ (w⁰)- теплота испарения воды из материала при данном влагосодержании w°; Q_{0 -} теплота испарения свободной воды.

Так как Q₁ (w °) > Q₀ > 0, имеем

,

т. е. давление пара воды в материале меньше давления пара сво­бодной воды.

Обычно полагают, что в небольшом интервале температур

(21.28)

Отсюда можно получить зависимость между давлением пара связанной воды, температурой и теплотой испарения:

. (21-29)

В порядке убывания энергии различают следующие формы связи влаги с материалом, предложенные П. А. Ребиндером:

в случае химической связи влага прочно связана с веществом в виде гидроксильных ионов или молекулярных соединений типа кристаллогидратов. Химически связанная с материалом влага мо­жет быть удалена в результате химических взаимодействий или прокаливания. В процессе сушки химически связанная влага не удаляется;

адсорбционная связь вызывается дисперсионными, электростати­ческими и индукционными силами. Вследствие энергетической нена­сыщенности поверхностных молекул и ионов твердого тела на его поверхности образуется мономолекулярный слой адсорбированной влаги. Этот слой наиболее сильно связан с материалом. Последую­щие (полимолекулярные) слои удерживаются менее прочно, а свой­ства влаги, формирующей эти слои, приближаются к свойствам свободной жидкости. Энергия связи такого типа может быть рассчитана по уравнению (21.26);

капиллярная связь обусловлена адсорбционной связью полимолекулярных слоев со стенками капилляров и более низким давле­нием пара над вогнутым мениском в капилляре по сравнению с плоской поверхностью. Понижение давления пара наблюдается в случае, если диаметр капилляра . Такие размеры капилляров (микрокапилляров) характерны только для очень тон­копористых тел. В макрокапиллярах влага практи­чески не связана с материалом (кроме адсорбционного мономоле- кулярного слоя) и называется свободной. Такую влагу можно уда­лить механическими способами;

осмотическая связь наиболее сильно выражена в растворах. Природа этой связи выражается в том, что давление пара над раствором меньше давления пара над чистым растворителем;

физико-механическая связь определяет влагу, свободно удержи­ваемую в объеме пор тела. Она может быть удалена механическими способами, причем процесс обезвоживания в этом случае лимитируется гидравлическим сопротивлением пор тела, подобно сопро­тивлению фильтрующей перегородки и осадка при фильтрации.

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

По Лыкову, все твердые влажные материалы можно разделить на 3 группы: капиллярно-пористые; коллоидные; капиллярно-по­ристые коллоидные тела. Хотя эта классификация и является условной, она имеет большое практическое значение, поскольку возникла при обобщении результатов исследования процесса сушки различных материалов.

В капиллярно-пористых материалах жидкость в основном свя­зана капиллярными силами. При удалении влаги эти тела становят­ся хрупкими и в высушенном состоянии легко превращаются в порошок. Они слабо сжимаются. В качестве примера таких материалов можно привести силикагель, гипс, керамику, полимер­ные материалы типа винилхлоридных.

К коллоидным телам относятся материалы, в которых преобла­дает адсорбционно и осмотически связанная влага. При высуши­вании эти тела значительно сжимаются, но при этом сохраняют эластичность (желатина, растворы полимеров).

В капиллярно-пористых коллоидных телах жидкость имеет раз­личные формы связи, характерные как для капиллярно-пористых, так и для коллоидных тел. По свойствам эти материалы занимают промеж} точное положение: стенки их капилляров эластичны и при поглощении влаги набухают, а при высушивании такие тела сжи­маются (глина, торф, некоторые полимерные материалы типа полибутилметакрилата и др.).

В последнее время предпринимаются попытки классифициро­вать высушиваемые влажные материалы по размерам пор. В основе такой классификации (Б. С. Сажин с сотр.) лежит критический радиус пор, уменьшению которого соответствуют усложнение внутрипористой структуры материала и увеличение диффузионного сопротивления движению влаги (в виде жидкости или пара) к по­верхности частиц, а следовательно, увеличение продолжительности сушки и усложнение форм связи влаги с материалом.

Все влажные материалы делят на 4 группы в порядке уменьше­ния критического диаметра пор, внутри которых различают под­группы, учитывающие адгезионно-когезионные свойства материала (налипание на металлические поверхности, комкование и т.д.). К первой группе отнесены материалы с критическим диаметром пор более 100 нм. Продолжительность сушки материалов этой группы невелика (например, во взвешенном слое 0,5-3 с). Во вторую группу входят материалы с критическим диаметром пор от 100 до 6 нм. Продолжительность сушки материалов второй группы значительно больше, чем первой (во взвешенном состоянии – до 30 с). К третьей группе отнесены материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2 нм. Продолжительность сушки таких материалов составляет ми­нуты и даже десятки минут. Материалы четвертой группы, крити­ческий диаметр пор которых менее 2 нм, характеризуются очень низкой скоростью сушки, при этом продолжительность сушки исчисляется часами.