Виды связи влаги с материалом

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом. Чем прочнее связь, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается. П.А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом:

1. химическая (ионная, молекулярная);

2. физико-химическая (адсорбционная, осмотическая, структурная);

3. механическая (влага в капиллярах и макрокапиллярах, влага смачивания).

Наиболее прочным видом связи влаги является химическая. Может быть удалена только при нагревании материала до высокой температуры (прокаливании) или химическом воздействии.

В процессе сушки удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически. Влага, связанная с материалом физико-химически, может быть удалена при помощи сушки. Формы физико-химической связи разнообразны:

- Адсорбционно-связанная влага- удерживается у поверхности раздела коллоидных частиц с окружающей средой. Обладая большой поверхностью, коллоидные структуры имеют большую адсорбционную способность. Прочно связанная с материалом эта влага называется связанной водой. Адсорбционная влага удерживается молекулярным силовым полем.

- Осмотически удержаннаяиструктурная влага- отличается от адсорбционной тем, что она связана с материалом менее прочно, удерживается осмотическими силами и находится внутри клеток материала (называемая иначе влагой набухания).

Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага. Она содержится в капиллярах тела и на его поверхности. Капилляры пористых тел различаются по диаметру. Капилляры, средний радиус которых меньше 10^-5 см называются микрокапиллярами.

Кинетика сушки

При конвективной сушке влажных материалов влага перемещается в материале по направлению от центра кусков материала к периферии, где материал омывается сушильным агентом (воздухом). Такое перемещение влаги (миграция) – это в основном диффузионный процесс, движущей силой которого является разность между концентрациями влаги в различных точках материала. Однако этот процесс усложняется тепловым воздействием на материал.

Количество влаги , прошедшей через поверхность за время при градиенте концентрации :

, (3-34)

где - коэффициент, зависящий от характера связи влаги с материалом и от характера материала.

В материале влага может перемещаться в виде жидкости и в виде пара. При большой влажности материала преобладает миграция влаги в виде жидкости.

Перемещение влаги внутри продукта происходит также под действием температурного градиента. При этом надо иметь в виду, что перемещение влаги под тепловым воздействием имеет направление теплового потока, при этом проявляется действие термовлагопроводности. Это означает, что если нагрев продукта осуществляется с его поверхности, то влага в силу температурного градиента перемещается от периферии к центру.

Количество влаги, которое перемещается под действием температурного градиента :

, (3-35)

где - коэффициент, аналогичный коэффициенту .

Таким образом, суммарное количество перемещаемой влаги при наличии разности ее концентраций и температурного градиента будет равно:

, (3-36)

где — общее количество диффундируемой влаги, кг.

Для того чтобы уменьшить эффект термовлагопроводности, продукт при сушке необходимо по возможности измельчать.

Сушка материала состоит из трех этапов:

1. перемещения влаги внутри высушиваемого материала по направлению к его поверхности;

2. парообразования;

3. перемещения пара от поверхности материала в окружающий воздух.

Движущей силой диффузии влаги из поверхностной пленки в окружающую среду является разность парциальных давлений водяного пара

, (3-37)

где: - парциальное давление насыщенного пара в пограничном паровом слое; - парциальное давление водяного пара в окружающей среде.

Количество продиффундировавшего пара:

, (3-38)

где: - коэффициент испарения; - площадь поверхности испарения.

Количество влаги, прошедшее через пограничный слой в окружающую среду, должно быть равно количеству влаги, подведенной к этому слою из материала. Скорость сушки может лимитироваться этими обоими процессами и зависит от свойств материала и режима сушки.

Наблюдая за изменением массы материала в процессе сушки, строят кривую сушки (рис.9.1) в координатах: влажность материала в массовых процентах ( ) - время в минутах или часах ( ). В начале сушки в течение небольшого промежутка времени линия сушки имеет вид кривойпрогрева материала. Затем начинается I период постоянной скоростисушки. В этот период линия сушки имеет вид прямой. Температура материала в этот период принимает значение, равное температуре мокрого термометра (отрезок на температурной кривой). В первый период сушки происходит удаление свободной влаги (влаги макрокапилляров и смачивания). Когда свободная влага полностью удалена, наступает второй период - период удаления связанной влаги. В точке С, соответствующей определенной влажности материала, характер линии сушки изменяется. Она становится кривой, асимптотически приближающейся к значению - равновесной влажности при заданных условиях сушки. Во втором периоде скорость сушки непрерывно уменьшается. Форма линии сушки зависит от вида связи влаги с материалом, структуры материала, т. е. от условий перемещения (миграции) влаги внутри продукта. При достижении равновесной влажности прекращается удаление влаги из материала. Температура материала равна температуре окружающего материал теплоносителя (точка ). Однако для достижения равновесной влажности требуется значительное время.

На основании кривых сушки можно построить кривые скорости сушки (рис.3.16). Для этого по оси абсцисс откладывают содержание влаги в материале, по оси ординат — скорость сушки, представляющую собой изменение влаги во времени dw/dt. Скорость сушки для данной влажности материала выражается тангенсом угла наклона касательной, проведенной к точке кривой сушки.

Вид кривых скорости сушки во втором периоде может значительно отличаться. Второй период сушки, в зависимости от форм связи влаги с материалом, может сам складываться из нескольких периодов. Для материалов, имеющих сложную структуру, наблюдается вторая критическая точка, соответствующая границе влажности , при которой изменяется механизм перемещения влаги в материале. Кривая 1 (рис.3.17) типична для капиллярно – пористых тел (например, сухарей), для которых верхний участок определяет скорость удаления ка-пиллярной влаги, а нижний, начиная с влажности равной , - адсорбционной. Линии 2 и 3 соответствуют скоростям сушки, боль-шей или меньшей, чем те, которые подчиняются прямолинейному закону. Кривая 2 характерна для тканей и других тонколистовых материалов, или когда материал растрескивается во время сушки. Кривая 3 имеет место в случае, когда на поверхности материала образуется корка, препятствующая диффузии влаги к поверхности раздела фаз, или, например, для керамических материалов.