Виды связи влаги с материалом

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с материалом. Чем прочнее эта связь, тем труднее протекает про- цесс сушки. При сушке связь влаги с материалом нарушается. Существует сле- дующая 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. Последняя удаляется только при нагревании материала до высокой температуры (прокали- вании) или химическом воздействии.

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

1) Адсорбционно-связанная влага - удерживается у поверхности раздела кол- лоидных частиц с окружающей средой. Обладая большой поверхностью, кол- лоидные структуры имеют большую адсорбционную способность. Прочно  свя-

занная с материалом эта влага называется связанной. Адсорбционная влага удерживается молекулярным силовым полем.

2) Осмотически удержанная и структурная влага - отличается от адсорбци- онной тем, что она связана с материалом менее прочно, удерживается осмоти- ческими силами и находится внутри клеток материала (называемая иначе вла- гой набухания).

Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага. Она содержится в капиллярах тела и на его поверхности.

Кинетика сушки

При конвективной сушке влажных материалов влага перемещается в ма- териале по направлению от центра кусков материала к периферии, где материал омывается сушильным агентом. Это в основном диффузионный процесс, дви- жущей силой которого является разность между концентрациями влаги в раз- личных точках материала. Однако он усложняется тепловым воздействием на материал.

Количество влаги m W, прошедшей через поверхность F за время t при

градиенте концентрации dc / dx:

mW  = -KW  × F × (dc / dx) ×t ,                             (69)

где KW  – коэффициент, зависящий от характера связи влаги с материалом и от его характеристик.

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

Перемещение влаги внутри продукта происходит также под действием температурного градиента и имеет направление теплового потока, при этом проявляется действие термовлагопроводности. Например, если нагрев про- дукта осуществляется с его поверхности, то влага под действием температурно- го градиента перемещается от периферии к центру.

Количество влаги, которое перемещается под действием температурного градиента dt /dx:

m t = -K t

× F × (dt / dx) ×t

,                                                         (70)

где Kt  – коэффициент, аналогичный K W.

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

m=mW-mt,                                                        (71)

где m – 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  окружаю-

щую среду является разность парциальных давлений водяного пара:

DP = Р Н

- P В ,                                                 (72)

где PН – парциальное давление насыщенного пара в пограничном паровом слое;

PВ – парциальное давление водяного пара в окружающей среде. Количество продиффундировавшего пара:

m = B(P Н - P В  )F t ,                                                                       (73)

где В – коэффициент испарения;

F – площадь поверхности испарения.

Количество влаги, прошедшее через пограничный слой в окружающую среду, должно быть равно количеству влаги, подведённой к нему 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.16) в координатах: влажность материала в массовых процентах (w) - время в минутах или часах (t). В начале сушки в течение небольшого промежутка времени линия сушки имеет вид кривой прогрева ма- териала (отрезок АВ). Затем начинается первый период постоянной скорости сушки. В этот период линия сушки имеет вид прямой. Температура материала в этот период принимает значение, равное температуре мокрого термометра t м (отрезок ВС). В первый период сушки происходит удаление свободной влаги. Когда свободная влага полностью удалена, наступает второй период - период удаления связанной влаги.

В точке С, соответствующей определенной влажности материа- ла, характер линии сушки изменя- ется. Она становится кривой, асим- птотически приближающейся к зна- чению W р – равновесной влажно- сти при заданных условиях сушки. Во втором периоде скорость сушки непрерывно уменьшается. Форма линии сушки зависит от вида связи влаги с материалом и его структу- ры, т. е. от условий перемещения влаги внутри продукта. При дости- жении равновесной влажности пре- кращается удаление влаги из мате- риала. Температура материала рав- на температуре окружающего его теплоносителя (точка Е). Однако

w, %

А

t

Рис. 16. Кривая сушки

для достижения равновесной влажности требуется значительное время.

На основании кривых сушки можно построить кривые скорости сушки

(рис. 17). Для этого по оси абсцисс откла-

дывают содержание влаги в материале, по  dw

оси ординат – скорость сушки, пред- d t

ставляющую собой изменение влаги за

единицу времени dw /dt. Скорость сушки для данной влажности материала выража- ется тангенсом угла наклона касательной, проведенной к точке кривой сушки.

Вид кривых скорости сушки во втором периоде может значительно отли- чаться, в зависимости от форм связи влаги

wР                                        w,%

с материалом.

Рис. 17. Кривая скорости сушки