Глава 35.5 Факты образования полых капель

Особый интерес представляет тенденция образования полых частиц в процессе сушки распыленных капель самых разнооб­разных жидких материалов. Учитывая, что в одних случаях тре­буется получать крупные плотные частицы (синтетические мою­щие средства, удобрения), в других наоборот — мелкие легкие полые частицы (фенолоформальдегидные смолы, ПВХ для ми- пластовых сепараторов), необходимо знать причины образова­ния полых частиц при высушивании капель жидких объектов сушки, чтобы по возможности технологическими приемами и средствами управлять процессом формо- и структурообразова­ния.

Существуют различные мнения о механизме образования по­лых структур частиц при сушке жидких материалов.

Фрасер, обсуждая различные механизмы процесса распыле­ния жидкостей, допускает возможность получения полых капе­лек при волновом разрушении жидких пленок. Тонкие пленки, как и струйки, свободно движущиеся в газе, нестабильны и рас­падаются на капли. Если пленка с высокой скоростью входит в газовую среду, вихревое движение газовой фазы заставляет ее колебаться. Поэтому в пленке возникают напряжения, кото­рые могут привести к распаду ее на капельки либо к свертыва­нию в полые струйки, которые, также являясь нестабильными образованиями, распадаются на полые капельки [101].

Факты образования полых капель не вызывают сомнения, а механизмы их формирования — особых возражений. Однако образование полых частиц чаще всего наблюдается при сушке определенных продуктов, таких как мыла, желатин, детергенты, растворы полимеров и т. п. Из истинных растворов, суспензий, и других материалов при низкой температуре сушильной сре­ды обычно получаются сплошные частицы и агломераты.

Маршалл объясняет формирование полых частиц при сушке коллоидных растворов образованием на поверхности капель эластичной паронепроницаемой  пленки. Жидкость испаряется внутри частицы, расширяя при этом ее наружную оболочку и образуя полую сферу. Иногда скорость образования пара внут­ри частицы достаточна для того, чтобы выдуть отверстие в стен­ке сферической оболочки. Тогда получается частица в форме наперстка или горшка [151].

По Томану [146], полые и горшковидные частицы образуют­ся в результате продавливания пленки внутрь капельки, вызы­ваемого отрицательным давлением в жидкой фазе, которое воз­никает в том случае, если первый скаляр тензора напряжения, характеризующего состояние иитермицеллярной жидкости, по­ложителен. В зависимости от того, какого рода причина пони­жения давления, возникающую разность давлений в частице на­зывают осмотическим давлением, давлением набухания или де­фицитом давления диффузии. Кроме того, если подсохшая обо-, лочка на капле имеет пористую структуру, и жидкость в порах образует мениски, то действует отрицательное капиллярное давление, сжимающее и продавливающее во внутрь частицы достаточно эластичную оболочку.

В. Г. Жигалов [32], изучая условия получения полых микро­сфер из фенолоформальдегидных смол, пришел к выводу, что полые частицы получаются вследствие гидромеханического внедрения воздуха в капли в момент распыления жидкости. При сушке и термообработке пузырьки воздуха расширяются, обра­зуя полую или ячеистую структуру частиц. Таким образом, ме­ханизм формирования полых структур, трактуемый В. Г. Жига­ловым, соответствует представлениям Фрасера и Маршалла.

В более поздних исследованиях Маршалл и Чарлзворт [181] предложили схему формо- и структурообразования частиц при сушке капель суспензий, коллоидных и истинных растворов, со­гласно которой образование той или иной структуры частицы определяется свойствами корочки или пленки, образующейся на поверхности капли (жесткая пористая, жесткая малопори­стая, эластичная) и температурой окружающей среды (меньше и больше температуры кипения жидкости).

Если корочка жесткая и пористая, то, независимо от темпе­ратуры сушки, получаются сферические частицы — агломераты. Если корочка жесткая и малопористая, то при t>0_кл получает­ся недеформированная или малодеформированная частица иног­да с шероховатой поверхностью вследствие выделившихся на ней кристаллов солей. При t>0_кл происходит образование пу­зырьков и в частицах, которые могут быть сильно разрушены. Если корочка эластичная непористая, то при t>0_кл происходит ее сжатие и образуется смятая (сморщенная) частица. При t>0_кл происходит образование пузырьков и последующее раз­дувание частицы с разной степенью деформации ее поверхности.

А. А. Долинский с сотр. [31] отводит определяющую роль в формо- и структурообразовании частиц из капель двум ста­диям (периодам): периоду коркообразования на поверхности капли и периоду кипения. Причиной коркообразования может быть кристаллизация, коагуляция, Деструкция растворенного или взвешенного вещества на поверхности капли при контакте с высокотемпературной окружающей средой. Свойства образую­щейся корки (пористость, эластичность, прочность) и интенсив­ность кипения, а также соотношение между длительностями пе­риодов коркообразования и кипения определяют конечную фор­му и структуру частицы.

По нашему мнению, все приведенные предпосылки и теории являются правильными, поэтому ни одной из них нельзя от­дать предпочтение. Каждый из рассмотренных механизмов вно­сит свой вклад в формо- и структурообразование частиц при сушке капель жидких материалов. Причем в зависимости от конкретных свойств объектов сушки и условий тепло- и массо- обмена с окружающей средой может превалировать тот или иной механизм структурообразования.

Например, не вызывает сомнений внедрение пузырьков воз­духа в капельки при распылении жидкости (Фрасер — Жига­лов). Однако, чтобы удержать захваченный воздух внутри кап­ли, жидкость должна обладать высокой вязкостью и способ­ностью образовывать на поверхности пленку или достаточно плотную корку. Этим требованиям отвечают коллоидные рас­творы высокомолекулярных соединений.

После образования твердофазного поверхностного слоя в нем должны действовать одновременно силы, обусловленные внутренним испарением и раздуванием оболочки (по Маршал­лу) и продавливанием корки внутрь частицы (по Томану). Пре­обладание того или иного механизма зависит не только от свойств объекта сушки, но и от степени эквивалентности тепло- и массообмена между высыхающей каплей и окружающей средой.