Теоретические основы сушки.
Сушка – это целый комплекс явлений, связанных с тепло- и массообменном между материалом и окружающей средой, в результате чего происходит перемещение влаги из внутренней части материала на поверхность и её испарение. Любой материал, подвергаемый сушке рассматривается как трёхфазная система, состоящая из абсолютно сухого материала (содержащего только химически связанную воду, если таковая имеется), воды и воздуха, содержащегося в порах.
В зависимости от характера связи с материалом различают воду:
► химически связанную, входящую в состав структуры кристаллической решётки;
► адсорбционную, удерживаемую силами адсорбции на поверхности минеральных частиц;
► капиллярную, находящуюся в поровом пространстве и удерживаемую капиллярными силами и силами поверхностного натяжения;
► свободную, то есть механически захваченную, которая присутствует только в шламах и шликерах с достаточно высокой влажностью.
При сушке удаляются все виды влаги кроме химической, но чем прочнее её связь с частицами материала, тем труднее идёт удаление.
Для материала, по отношению к окружающей среде, различают три состояния:
► влажное, при котором материал отдаёт влагу в окружающую среду;
► гигроскопическое, при котором материал насыщается влагой из окружающей среды;
► равновесное, при котором влагообмен между материалом и средой отсутствует.
Влажность материала, соответствующая равновесному состоянию, называется равновесной влажностью (Wp), а влажность материала, находящегося при данной температуре в равновесии с окружающим воздухом, полностью насыщенным водяными парами (φ = 100%) – гигроскопической (Wг). Удаление влаги из материала основано на том, что насыщенный водяными парами теплоноситель (воздух, газ), омывая материал с влажностью выше гигроскопической, отнимает у него влагу и тем самым уменьшает её концентрацию на поверхности зерна. Это явление называется внешней диффузией, поскольку влага уходит за пределы осушаемого материала (зерна, изделия). Скорость внешней диффузии определяется параметрами теплоносителя и скорость его движения. Способность теплоносителя поглощать пары воды зависит от количества содержащейся в нём влаги, т. е. от его относительной влажности. Чем выше относительная влажность сушильного агента, тем меньше он может поглотить паров и, наоборот, чем суше теплоноситель, тем выше его поглотительная способность, и влага с поверхности материала удаляется быстрее.
Вследствие разности концентраций на поверхности и внутри зерна (изделия) влага поднимается из внутренних слоёв на поверхность, стремясь выровнять нарушенное равновесное состояние. Этот процесс называется внутренней диффузией. Поверхностное испарение и вызванная им внутренняя диффузия влаги продолжаются до тех пор, пока из сырца не удалится вся механическая примешанная влага. Полное удаление гигроскопическое гигроскопической влаги из сырца возможно лишь при нагревании до температуры, превышающей температуру кипения воды при данном давлении. Скорость внутренней диффузии определяется влагопроводностью самого материала (изделия, сырца) и градиентом влажности в направлении её перемещения. Поверхностные слои изделия при сушке всегда имеют меньшую влажность, чем внутренние. Внутренняя диффузия всегда протекает медленнее, чем внешняя. Наиболее благоприятным условием для сушки является равенство скоростей внутренней и внешней диффузии. Количество воды, удаляемой с единицы поверхности материала в единицу времени – скорость сушки, зависит в основном от температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя, а также от таких факторов, как барометрическое давление и размеры изделия.
Рис.37. Диаграмма процесса сушки: I, II, III – периоды скорости сушки:
А – кривая сушки (изменение влагосодержания), В – кривая скорости сушки, Вп – температура поверхности материала, Вц – температура центра материала, Г – температура теплоносителя, tм – температура мокрого термометра, Uo, Uкр, Up – начальное, критическое и равновесное влагосодержание, соответственно, to – начальная температура материала.
Процесс сушки можно разделить на три периода (рис.37):
Период нагрева материала, сопровождающийся нагревом его температуры до температуры мокрого термометра и увеличением скорости сушки до некоторой максимальной величины (dU/dt)max.
Период постоянной скорости сушки, в течение которого поверхность материала остаётся водонасыщенной, убыль воды в единицу времени постоянна и приблизительно равна скорости испарения воды со свободной поверхности.
Период падающей скорости сушки, когда поверхность материала уже не является водонасыщенной, и скорость сушки с уменьшением влаги падает. При этом влага испаряется в определённой зоне, которая по мере уменьшения влажности материала перемещается от периферии зерна к его центру. Зона испарения находится там, где давление пара в данный момент равно давлению насыщенного пара при температуре материала.
При сушке изменяется соотношение между жидкой и твёрдой фазой. При этом растет концентрация твердой фазы и, соответственно, число контактов частиц, суммарная площадь контактов и их прочность. В результате формируется дисперсно-связанная коагуляционная структура с определённой прочностью.
Процесс сушки неизбежно сопровождается усадкой материала. Если скорость диффузии воды из внутренних слоёв сырца равной или несколько выше скорости внешней диффузии влаги с его поверхности, то усадка будет происходить равномерно без возникновения больших напряжений внутри изделия. Если же скорость диффузии влаги с поверхности изделия будет больше скорости диффузии из внутренних слоёв (например, при большей скорости и температуре теплоносителя), поверхностные слои его сохнут заметно быстрее внутренних. При этом величины усадок различных слоёв будут разные (у наружных больше, чем у внутренних), что приводит к короблению, деформации и растрескиванию изделий. Особенно опасно явление усадки при сушке пластичных глиняных масс. Даже микроскопические трещины, не видимые глазом, могут привести в ходе последующего обжига к существенному ухудшению качества и даже к разрушению изделий.
Интенсивность влагоотдачи высушиваемых материалов зависит от их физических свойств, гранулометрического состава, начальной и конечной влажности. Жидкие шламы и шликера можно высушивать с любой скоростью, а сформованные изделия требуют осторожных режимов сушки, выбираемых с учетом размеров изделий и свойств материала.