Форма связи влаги с материалом

Механизм 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.

Химическая 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. Это влага не может быть удалена из материала при сушке.

В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалами физико-химически и механически. Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая, в свою очередь, подразделяется на влагу макро капилляров и микро капилляров (капилляров со средним радиусом приблизительно больше или меньше 10 ^-5 см.). Макро капилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микро капилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, гак и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макро капилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическими способами.

Физико-механическая связь влаги с материалом объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом, адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала. Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно больше затраты энергии, чем влага набухания. Присутствие этих видов влаги особенно характерны для коллоидных и полимерных материалов.

Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют в 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_M = Р_n, где Р_n - 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_м < Р_n.

Влажность материала

Влажность материала W может быть рассчитана по отношению к его общему количеству G и по отношению к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества G_С.

Влажность, отнесенная к общему количеству материала, в %:

(10.1)

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

(10.2)

При этом

(10.3)

где: G_вл – количество содержащейся в материале влаги, кг.

Количество абсолютно сухого материала не меняется в процессе сушки и для упрощения расчетов обычно пользуются величинами W^С.

Влажность, отнесенная к количеству абсолютно сухого материала W^С, и влажность, рассчитанная на его общее количество W, связаны между собой зависимостью, в %:

(10.4)

или

(10.5)

Рассмотрим изменение состояния материала в процессе сушки (рис. 10.2).

При изменении влажности от W₁, до W₂ материал содержит свободную влагу (Р_М = Р_n) и находится во влажном состоянии. При этом изменении влажности от W₂ до W_p, материал содержит связанную влагу (Р_М < Р_n) и находится в гигроскопическом состоянии. Точка А называется гигроскопической, а соответствующая ей влажность W_r - гигроскопической влажностью. Также как и во всей области влажного состояния, в точке А, соответствующей f = 100%, Р_M = Р_n.

Гигроскопическая влажность W_г находится на границе свободной и связанной влаги в материале. Свободная влага будет удаляться из материала при любой относительной влажности окружающей среды меньше 100% (f < 100%). Удаление связанной влаги возможно лишь при той относительной влажности окружающей среды, которой соответствует влажность материала, большая равновесной. На рис. 2 вся область, где материал может сушиться, заштрихована. При гигроскопическом состоянии материала, отвечающем области над кривой равновесной влажности, возможно увлажнение материала, но не его сушка.

Рис. 10.1. Зависимость равновесной влажности материала

от относительной влажности воздуха W_r, %

1 - изотерма десорбции, 2 - изотерма сорбции.

Рис. 10.2. Изменение влажности материала в процессе сушки.

(10.6)

где: К₂ - константа скорости периода постоянной скорости.

(t₂ – t₁) - продолжительность зоны II.

В зоне III влажность отписывается уравнением:

(10.7)

где:

Тогда общее уравнение сушки составит:

(10.8)

Описание установки

Установка (см. рисунок 4) состоит из влагомера 1, на одну из чашечек которого помещается образец высушиваемого материала 2. Над образцом устанавливается электролампа 3, излучаемая инфракрасные лучи. Лампа присоединена к сети через трансформатор 4. Напряжение, подаваемое на лампу, не должно превышать 110 Вт (см. деление автотрансформатора).

Рис. 10.4. Схема установки.

1 – влагомер, 2 – высушиваемый материал,

3 – электролампа, 4 - трансформатор