Глава 04.6 Результаты исследования кинетики сушки единичных ка­пель растворов

Между тем, в зависимости от внешних условий сушки (тем­пература, влажность газа) изменения структуры высушиваемо­го материала, в частности, пористой структуры его, бывают на­столько значительны, что требуется существенная корректиров­ка первоначально установленного класса или группы объекта сушки по приведенным выше структурным классификациям. Например, сушка поливинилбутираля, полибутилметакрилата и других термолабильных полимерных материалов уже при 100— 120 °С приводит к их размягчению и необратимому сплавлению капиллярно-пористой структуры полимерных зерен. Иногда сплавляется поверхностный слой зерна, и не успевшая испа­риться влага оказывается запертой в замкнутых порах внутри материала. В результате этого материал со сравнительно широ­кими порами (до 100 нм) превращается в непористый матери­ал, при этом, естественно, изменяется и механизм внутреннего массопереноса от диффузии стефановского типа к кнудсенов- ской или твердотельной диффузии.

     

     Как известно, кинетика процесса сушки зависит от свойств высушиваемого материала и от условий сушки. Приведенный пример показывает, что в практике нередко встречаются мате­риалы, структура которых зависит от условий проведения про­цесса сушки, т. е. условия сушки влияют на кинетику обезвожи­вания не только непосредственно, но и через изменение струк­туры материала. Таким образом, учет кинетических и техноло­гических аспектов является неизбежным требованием при раз­работке классификаций объектов сушки.

    

     Увязать классификацию форм связи влаги с состоянием ма­териала позволяет упомянутый выше термографический метод М. Ф. Казанского. Этот метод широко используют в практике теплофизического эксперимента, однако его применение ограни­чено условиями медленной изотермической сушки тонких образ­цов материала.

    

     Классификация высушиваемых материалов по структурно-ки­нетическому признаку применительно к объектам расп: шительной сушки сформулирована К Д. Малецкой и А. А. Долинским [84]. Структурные и морфологические изменения высушивае­мых материалов и влияние на них внешних условий в процессе сушки распылением растворов, суспензий, паст особенно вели­ки, поэтому известные классификации могут характеризовать их только на заключительной стадии сушки, когда заканчива­ется формирование из капли раствора твердой структуры час­тицы.

 

     Результаты исследования кинетики сушки единичных ка­пель растворов (суспензий) на экспериментальном стенде, поз­воляющем регистрировать во времени изменения температуры, массы и размера капли, показали существование пяти характер­ных периодов обезвоживания, которые фиксируются на термо­граммах сушки: 1) период прогрева капли до температуры рав­новесного испарения; 2) период равновесного испарения; 3) пе­риод коркообразования (образование слоя обезвоженного ма­териала на поверхности капли); 4) период кипения (сопровож­дается деформацией корки и структурообразованием частицы) и 5) период падающей скорости сушки.

 

     Анализ термограмм сушки растворов, суспензий и компози­ций разной природы при различных режимных параметрах поз­волил обнаружить три характерные типа кинетики сушки, что дает возможность подразделить объекты распылительной сушки на три основные группы.

 

     К первой группе отнесены растворы веществ или суспензии, обезвоживание которых происходит преимущественно при тем­пературе равновесного испарения, близкого к испарению чистого растворителя. Время низкотемпературной стадии обезвожива­ния составляет 75% общего времени сушки. К этой группе от­носятся растворы, суспензии и композиции веществ с началь­ной концентрацией твердой фазы 5—10%, а также высоко кон­центрированные растворы (суспензии) веществ, обладающих гидрофобными свойствами. Типичный вид термограммы сушки для материалов первой группы приведен на рис. 1-4, а.

  

     Ко второй группе отнесены растворы (суспензии), сушиль­ная стадия обезвоживания которых протекает при монотонном повышении температуры, относительная длительность этой ста­дии превышает 25%. Для них характерен вид термограмм, пред­ставленный на рис. 1-4,6. Интенсивность обезвоживания на ис­парительной стадии определяется так же, как и для растворов первой группы, а на сушильной стадии интенсивность влагоот­дачи зависит от скорости внутренних процессов переноса. Это, как правило, растворы с довольно высокой концентрацией рас­творенного вещества. По структуре образующейся твердой фазы эти материалы относятся к капиллярно-пористым.

   

     Третья группа по типу термограмм (рис. 1-4, в) отнесена к растворам, высушиваемым при «жестких» режимах (при тем­пературе газовой среды, значительно превышающей температу­ру кипения раствора). При этом диффузионное сопротивление образующейся твердой фазы настолько велико, что приводит к возникновению значительных температурных и концентрацион­ных градиентов в капле, обусловливающих значительные струк­турные преобразования твердой фазы.

 

     К материалам третьей группы чаще всего относятся раство­ры веществ, которые при сушке образуют твердую фазу, струк­тура которых соответствует классу коллоидных и коллоидных капиллярно-пористых тел (например, растворы высокомолекулярных соединений, композиции синтетических моющих средств), а также кристаллические вещества, образующие по­ликристаллическую жесткую структуру (например, растворы хлорида натрия, бромида натрия и др.).

 

     Следует заметить, что создание всеобъемлющей классифи­кации влажных материалов с учетом всего комплекса опреде­ляющих характеристик представляет собой очень сложную проблему и еще далеко от завершения. Требуются дальнейшие исследования и систематизация объектов сушки как с целью детализации структурно-кинетических, теплофизических, тех­нологических свойств, так и с целью обобщений.

 

     По нашему мнению, классификация высушиваемых материа­лов была бы неполной без характеристики их агрегатного со­стояния, определяющего технологические, гидродинамические и тепло-массообменные свойства объектов сушки, а в некоторых случаях обусловливающего выбор способа сушки. Обычно по агрегатному состоянию влажные материалы подразделяются на сыпучие (твердые), пастообразные и жидкие. Более подробная характеристика, составленная нами на основе обобщений лите­ратурных данных [74, 113, 117] и рекомендаций НИИхиммаша [123], представлена в табл. 1-3.