Тверде тіло як об'єкт сушіння

5.4. Тверде тіло як об'єкт сушіння.

      5.4.1. Зв'язок вологи з матеріалом.

      Будь-який матеріал, що висушується, характеризується сорбційною ємністю по волозі, тобто кількістю вологи, сорбованої одиницею маси продукту при контакті з вологим газом. Вологоємність матеріалів, що висушуються, а також умови сушіння, його інтенсивність і повнота залежать від природи речовини, яка висушується, і визначальних видів зв'язку вологи з матеріалом. Чим міцніший цей зв'язок (більше енергія зв'язку), тим складніше протікає процес сушіння.

      У порядку убування енергії зв'язку розрізняють наступні форми зв'язку вологи з матеріалом (класифікація П.А. Ребіндера):

      Хімічний зв'язок – волога міцно зв'язана з матеріалом у вигляді гідроксильних іонів або молекулярних з'єднань типу кристалогідратів. Хімічно зв'язана волога може бути вилучена з матеріалу в результаті хімічних взаємодій або прожарювання. У процесі сушіння хімічно зв'язана волога не видаляється;

     Фізико-хімічний зв'язок поєднує наступні види вологи, що відрізняються міцністю зв'язку з матеріалом. Адсорбційний зв'язок викликається дисперсійними, електростатичними й індукційними силами. Внаслідок енергетичної ненасиченості поверхневих молекул і іонів твердого тіла на його поверхні утворюється мономолекулярний шар адсорбованої вологи. Цей шар найбільш сильно зв'язаний з матеріалом. Наступні (полімолекулярні) шари утримуються менш міцно, а властивості вологи, що формує ці шари, наближаються до властивостей вільної рідини. Капілярний зв'язок обумовлений адсорбційним зв'язком полімолекулярних шарів зі стінками капілярів і більш низьким тиском пари над увігнутим меніском у капілярі в порівнянні з плоскою поверхнею. Зниження тиску пари спостерігається тільки для мікрокапілярів      (d ≤ 2∙10^-7м). У макрокапілярах (d >2∙10^-7м) волога практично не зв'язана з матеріалом (крім адсорбційного мономолекулярного шару) і називається вільною. Таку вологу можна видалити механічними способами. Осмотичний зв'язок найбільш сильно виражений у розчинах, його природа виражається в тому, що тиск пари над розчином менше тиску пари над чистим розчинником. Крім того, осмотично зв'язана волога входить до складу кліток матеріалу, що характерно для колоїдних і полімерних матеріалів (волога набрякання).

      Фізико-механічний зв'язок характеризує вологу, що вільно заповнює  об’єми пір тіла при його безпосередньому контакті з рідиною, і вологу змочування. Така волога утримується силами капілярного тиску і поверхневого натягу. Вона має найменшу енергію зв'язку з матеріалом і, крім сушіння, може бути вилучена механічними способами.

      Слід зазначити, що не існує різкої границі між різними формами зв'язку вологи з матеріалом. В міру зникнення однієї форми, починає превалювати інша.

      Відносно процесу сушіння вологу матеріалу класифікують у більш широкому смислові як вільну і зв'язану. Під вільною розуміють вологу, швидкість випару якої з матеріалу дорівнює швидкості її випару з вільної поверхні. При наявності вільної вологи парціальний тиск пари над поверхнею матеріалу р_м дорівнює тискові насиченої водяної пари над вільною поверхнею р_н (р_м=р_н). Під зв'язаною розуміють вологу, швидкість випару якої з матеріалу менше швидкості випару води з вільної поверхні (тобто р_м < р_н ).

      Усі тверді вологі матеріали можна розділити на 3 групи (класифікація М.В. Ликова):

      Капілярно-пористі тіла, у яких рідина в основному зв'язана капілярними силами. При видаленні вологи ці тіла стають крихкими й у висушеному стані легко перетворюються в порошок, стискаються вони слабко (наприклад, силікагель, гіпс, кераміка, полімерні матеріали типу вінілхлоридних).

      Колоїдні тіла, у яких переважає адсорбційно й осмотично зв'язана волога. При висушуванні ці тіла значно стискаються, але при цьому зберігають еластичність (желатин, розчини полімерів).

      Капілярно-пористі колоїдні тіла, у яких рідина має різні форми зв'язку, характерні як для капілярно-пористих, так і для колоїдних тіл. По властивостях ці матеріали займають проміжне положення: стінки їхніх капілярів еластичні і при поглинанні вологи набрякають, а при висушуванні такі тіла стискаються (глина, торф, деякі полімерні матеріали типу полібутилметакрилату й ін.).

      Незважаючи на те, що приведена класифікація є деякою мірою умовною, вона має велике практичне значення, оскільки є узагальненням результатів дослідження процесу сушіння різних реальних матеріалів.

      5.4.2. Рівновага фаз при сушінні.

      Якщо матеріал знаходиться в контакті з вологим газом, то принципово можливі два процеси:

      1) сушіння (десорбція вологи з матеріалу) - при парціальному тиску пари над поверхнею матеріалу р_м, що перевищує його парціальний тиск у повітрі або газі р_п, тобто при р_м > р_п;

      2) зволоження (сорбція вологи матеріалом) - при р_м < р_п.

      У цих процесах тиск р_м змінюється і наближається до границі р_м = р_п. При цьому настає стан динамічної рівноваги, якому відповідає гранична вологість матеріалу, що називається рівноважною вологістю w_р.

      Рівноважна вологість залежить від парціального тиску водяної пари над матеріалом р_п або пропорційної йому величини відносної вологості повітря φ (див. вираження 5.4) і визначається дослідним шляхом. Залежність  установлюється при постійній температурі і є ізотермою, що характеризує дане вологе тіло (рис. 5.2). Крива 1 отримана при випаровуванні (десорбції) вологи з матеріалу, тобто при його сушінні, і називається ізотермою десорбції.       Вище розташована крива 2, яка отримана при

Рис.5.2. Залежність рівноважної вологості матеріалу

               від відносної вологості повітря:

              1 – ізотерма десорбції; 2 – ізотерма сорбції.

зворотному процесі – зволоженні матеріалу, - називається ізотермою сорбції. Розбіжність кривих 1 і 2 (гістерезис) указує на те, що для досягнення того самого рівноважного вологовмісту, відносна вологість газу при зволоженні матеріалу повинна бути більше, ніж при його сушінні.

      5.4.3. Вологість матеріалу і зміна його стану в процесі                      сушіння. Вологість матеріалу може бути розрахована відносно його загальної маси G або відносно маси абсолютно сухої речовини, що знаходиться в ньому, G_с, причому

                                                            ,                                           (5.18)

де G_вол – маса вологи, що утримується в матеріалі.

      Вологість, віднесена до загальної кількості матеріалу (у %):

                                                          .                                          (5.19)

     Вологість, віднесена до кількості абсолютно сухого матеріалу (у %):

                                                          .                                       (5.20)

      Маса абсолютно сухої речовини не змінюється в процесі сушіння, тому для спрощення розрахунків звичайно користуються величинами w^c. Вологість, віднесена до маси абсолютно сухого матеріалу w^c, і вологість, розрахована на його загальну масу w, зв'язані між собою залежностями (у %):

                                        або  .             (5.21)

     Розглянемо зміну стану матеріалу в процесі сушіння (рис. 5.3). При зміні вологості від w₁ до w_г, яку називають гігроскопічною вологістю, матеріал містить вільну вологу (р_м = р_н) і знаходиться у вологому стані (волога зона).

Рис.5.3. Зміна вологості матеріалу в

процесі сушіння

      При цьому відбувається видалення вільної вологи. При зміні вологості від  w_г  до w_р матеріал містить зв'язану вологу (р_м<р_н) і знаходиться в гігроскопічному стані. У процесі сушіння йде видалення зв'язаної вологи.

      Гігроскопічна вологість w_г, знаходиться на границі вільної і зв'язаної вологи в матеріалі. Вільна волога буде видалятися з матеріалу при будь-якій відносній вологості навколишнього середовища меншій за 100%. Видалення зв'язаної вологи можливе лише при тій відносній вологості навколишнього середовища, якій відповідає вологість матеріалу, більша за рівноважну. При гігроскопічному стані матеріалу, що відповідає області над кривою рівноважної вологості, можливе тільки зволоження матеріалу, але не його сушіння.