РАВНОВЕСИЕ ФАЗ ПРИ СУШКЕ

Рассмотрим влажное твердое тело, находящееся в контакте с газо­вым потоком. При постоянном давлении и определенной темпера­туре влажный газ характеризуется величиной относительной влаж­ности:

. (21.30)

Если давление пара жидкости в материале р _м отличается от парциального давления пара в газовом потоке р _п, то между двумя фазами будет иметь место массообмен вплоть до состояния равно­весия, которое возникает при р _м = р _п. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому предельная влажность материала, называемая

Рис. 21-I. Диаграмма состояния влажного материала

равновесной влажностью .

Направление массопереноса определяется абсолютными значе­ниями величин р _м и р _п. Если р _п > р _м, перенос влаги осуществляется из газа к твердому телу, т. е. происходит процесс сорбции (увлажне­ния). В противоположном случае, когда р _п < р _м, перенос влаги осуществляется из твердой фазы в газовую, т.е. идет процесс десорбции (сушки).

Когда давление пара жидкости в материале р _м становится равным парциальному давлению пара в газовой фазе р _п, массообмен прекращается и достигается состояние динамического равно­весия. При этом в условиях постоянных давления и температуры каждому значению относительной влажности φ соответствует опре­деленная величина влагосодержания (равновесного) материала. Имея совокупность величин , можно построить изотерму, которая будет характеризовать данное влажное тело (изотерма сорбции – рис. 21-1).

Например (рис. 21-1), влагосодержанию материала соответ­ствует равновесная относительная влажность φ*, и если

- последует десорбция (сушка материала);

- будет сорбция (увлажнение материала).

Пусть - влагосодержание материала, соответствующее рав­новесному состоянию с газом, относительная влажность которого φ = 100%. Если тело с влагосодержанием находится в контакте с газом относительной влажности φ, процесс сушки будет происходить до тех пор, пока влагосодержание материала достигнет величины , которая соответствует данной влажности φ. Более продолжительный контакт влажного тела с данной газовойсредой не приведет ни к каким дополнительным изменениям.

Разность влагосодержаний () представляет собой отно­сительное количество влаги, которое может быть удалено при относительной влажности газовой фазы φ. Когда влагосодержание твердого тела ниже , давление паров жидкости в материале меньше парциального давления пара чистой жидкости. Влага, соответствующая такому влагосодержанию, называется связанной.

Рис. 21-2. Изотермы сорбции и десорбции:

Если влагосодержание материала превышает величину , давление паров жидкости в материале такое же, как и парциальное давление пара чистой жидкости. Поэтому влагу, соответствующую разности влагосодержаний , принято называть несвязанной (свободной). Отметим, что величину называют максимальным гигроскопическим влагосодержанием (влажностью).

Таким образом, можно выделить две области состояния влаж­ного материала:

1) область влажного состояния (влажная зона), когда давление паров жидкости в материале не зависит от влажности материала и равно давлению насыщения свободной жидкости при температуре материала ();

2) область гигроскопического состояния (зона связанной влаги), когда давление пара жидкости над поверхностью материала отли­чается от давления насыщенного пара свободной жидкости и зави­сит от его влажности и температуры ().

На практике деление на зоны оказывается условным, так как часто при среднем значении влагосодержания, превышающем , влагосодержание на поверхности материала может быть близким к равновесному.

Следует отметить наличие на диаграмме изотерм десорбции (рис. 21-2). Причем для кривых сорбция – десорбция ха­рактерно явление гистерезиса, указывающее на то, что для до­стижения одного и того же равновесного влагосодержания относи­тельная влажность газа при увлажнении материала должна быть больше, чем при его сушке.

А. В. Лыковым проведен анализ кривых сорбция-десорбция на основе изучения большого экспериментального материала по испа­рению различных жидкостей из пористых сорбентов. Согласно этому анализу начальный участок изотермы (φ = 0 – 10%) имеет характерную для мономолекулярной адсорбции выпуклость к оси влагосодержания тела, поглощение жидкости сопровождается значительным выделением теплоты. На участке в интервале φ от 10 до 90% кривые обращены выпуклостью к оси относительной влажно­сти газа, что характерно для полимолекулярной адсорбции. По­глощение жидкости на этом участие сопровождается значительно меньшим выделением теплоты. В интервале φ от 90 до 100% жидкость поглощается без выделения теплоты и является в основ­ном капиллярной. В точке пересечения изотермы с прямой φ= 100% достигается максимальное гигроскопическое влагосо­держание.

Аналитическое описание связи между равновесным влагосодержанием материала w° и относительной влажностью воздуха φ пред­ставляет большие трудности. В интервале φ от 10 до 90% А. В. Лыковым предложена простая эмпирическая зависимость

, (21.31)

где а и b -постоянные коэффициенты, зависящие от температуры и свойств ма­териала.

21.4. ДИАГРАММА ЭНТАЛЬПИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ ВОЗДУХА

Как отмечалось ранее, в большинстве технологических процессов термического обезвоживания материалов (тепловой сушки) в ка­честве сушильного агента используют воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива. Для определения параметров влажного воздуха, изменяющихся в процессе сушки, может быть использована диаграмма Л. К. Рамзина, на которой в координатах энтальпия (H) – влагосодержание (х) нанесены линии постоянной относительной влажности (φ = const), изотермы (t = const) и линия зависимости парциального давления водяного пара от влагосодер­жания воздуха (рис. 21-3). Диаграмма построена для среднегодово­го давления центральных районов России (Р = 100 кПа). Чтобы обеспечить корректное выполнение линий φ = const (не допустить их слияния), угол между осями координат составляет 135°, т.е. линии постоянной энтальпии наклонены под таким углом к оси влагосодержаний.

Построение линий на диаграмме проведено в соответствии с ранее полученными уравнениями: изотермы – по выражению (21.20), линии φ = const и парциального давления водяного пара – по уравнению (21.12).

Кроме того, на диаграмме имеются пунктирные линии (на рис. 21-3 эти линии не показаны), которые соответствуют постоян­ной температуре мокрого термометра. Чтобы определить понятиетемпературы мокрого термометра, необходимо рассмотреть изо­барно-адиабатическое испарение при контакте воздуха с поверхно ­ стью жидкости.

В процессах, где давление (Р) постоянно и соответственно P d V = d(PV), бесконечно малое количество теплоты d Q можно

Рис. 21-3. Диаграмма (P_общ = 100 кПа)