Глава 1. Кристаллические дисперсные материалы как объект сушки

Кристаллические дисперсные материалы могут быть орга­нического и неорганического происхождения. К ним относится большой класс минеральных солей (соли натрия, калия, бария, йода, марганца, сульфаты, сульфиды), органические соедине­ния (сахар-песок, пищевые кислоты — лимонная, винная, ща­велевая,—нафталин, веронал и др.), минеральные удобрения, фармацевтические препараты. Большинство из них хорошо растворяется в воде и увеличивает   степень  растворимости с повышением температуры. Часть материалов чувствительна к недопустимому превышению температуры, меняя при этом внешний вид, физико-химические свойства, структуру. Так как сушка влажных материалов, в том числе и кристаллических дисперсных, является не только теплофизическим, но и техно­логическим процессом, то последний должен быть таким обра­зом организован, чтобы сохранить, а в некоторых случаях да­же улучшить свойства материала. Так, например, при сушке хлористого калия (флотоконцентрат) необходимо сохранить амины жирного ряда, присутствие которых в значительной сте­пени препятствует слеживаемости хлористого калия при его хранении. Последнее обстоятельство повышает эффективность использования удобрений при их внесении в почву. Недопусти­мые превышения температуры материала и времени его вы­держки в зоне сушки могут привести к порче продукта (карамелизация сахара) или ухудшению его товарных свойств (рас­трескивание кристаллов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В большинстве случаев конечная влажность кристалличе­ских материалов невелика и составляет доли процента. Это обусловливается способностью минеральных солей при повы­шенной влажности слеживаться, а в органических соединени­ях, кроме этого, могут происходить процессы разложения и порчи продуктов при их хранении.

Характерной особенностью рассматриваемых материалов является также то, что размер частиц колеблется от не­скольких микрон до нескольких миллиметров и, следова­тельно, при их сушке неизбежно возникает проблема уноса мелких частиц. Иногда унос материала практически недопус­тим из-за его токсичности (например, для перманганата ка­лия).

Рассматриваемые материалы могут иметь различную крис­таллическую структуру—кубическую, в виде октаэдров, призм и т. д. Их можно разделить на две группы: материалы, не имею­щие в своем составе химически связанной воды, и имеющие эту связь—кристаллогидраты. Вода, входящая в кристаллогидра­ты, является самостоятельной единицей их кристаллической ре­шетки. Прочность связи между веществом и кристаллизацион­ной водой в кристаллогидратах весьма различна. Одни из них теряют кристаллизационную воду уже при комнатной темпера­туре (Na₂CO₃- 10H₂O), обезвоживание других требует доволь­но высокой температуры (прокаливание). Иногда удаление кристаллизационной воды нежелательно (например, для ли­монной кислоты), так как при этом теряются некоторые свой­ства материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства кристаллогидратов несколько отличаются от ана­логичных свойств безводных кристаллических дисперсных ма­териалов (они имеют повышенную слеживаемость, комкуемость). Естественно, что энергия связи влаги с материалом для кристаллогидратов и безводных кристаллов существенно раз­лична. Следовательно, для рационального выбора того или иного способа сушки влажного материала необходимо знать его гигроскопические свойства.

 Гигроскопичность различного рода удобрений была иссле­дована П. А. Барановым [1] и Н. Е. Пестовым [37]. Однако они не получили изотерм сорбции и не рассматривали вопросы, связанные с изучением связи влаги с материалом. Изотермы сорбции кристаллических водорастворимых дисперсных мате­риалов впервые были получены в работах [60, 61]. Исследова­лись гигроскопические свойства хлористого калия (КС1) тен-зиметрическим методом при температурах воздуха 22—23, 40 и 60 °С.

Как видно из рис. 1, а, для хлористого калия заметное по­глощение влаги имеет место лишь при ф>66%, причем с увеличением влажности воздуха до определенного значения сравнительно не намного увеличивается влагосодержание материала, а начиная с £/=0,2 кг/кг независимо от темпера­туры направление кривойU=f(q>) резко меняется, что связано с изменением механизма поглощения влаги.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Механизм поглощения влаги можно представить следую­щим образом [37, 61]. Вначале идет процесс моно- и полимолекулярной адсорбции, затем заполнение влагой капилляров, об­разованных трещинами и щелями в кристаллах, и растворение соли в поглощенной воде; раствор постепенно начинает рас­пространяться по поверхности тела, и дальнейшее поглощение влаги осуществляется насыщенным раствором соли, т. е. про­исходит процесс абсорбции. В этот же момент направление кривой изотермы сорбции изменяется. В работе [61] дана также зависимость, аппроксимирующая  участок  изотермы  сорбции от ф = 66% до ф = 85%, имеющий наибольшую   практическую ценность.

Эксперименты показали, что максимальная гигроскопиче­ская влажность для водорастворимых веществ уже не являет­ся границей, характеризующей гигроскопическое и влажное состояние материала, как это имеет место для других капил-лярнопористых тел. По изложенной в работе [60] методике бы­ли выполнены также исследования гигроскопических свойств сахара-песка [31, 52]. В работе [31] были построены изотермы сорбции водяного пара сахарным песком для температур 6, 20, 35, 50, 60 °С (рис. 1, б), при этом установлено, что при про­чих равных условиях равновесная влажность сначала умень­шается (от 6 до 20 °С), а потом увеличивается (от 20 до 60 °С). Изотермы десорбции для сахара-песка были получены И. Б. Ткаченко (Новицкой) [55] тензиметрическим методом. Опыты были проведены для температур 20 и 50 °С для нескольких фракционных составов сахарного песка (эквивалентные диа­метры при этом равнялись 0,94, 0,5, 0,39 мм)(рис. 2). Анализ изотерм десорбции показал, что температура оказывает замет­ное влияние на величину равновесной влажности, особенно при больших значениях ф. Исследования по гигроскопическим свойствам тростникового сахара-сырца изложены в работе [50]. Изотермы сорбции и десорбции позволяют не только каче­ственно оценить формы связи влаги с материалом, но и опре­делить величину энергии этой связи, обусловливающей в большой степени выбор метода сушки. Из анализа изотерм сорбции и величин энергии связи вла­ги с материалом (рис. 3) видно, что кристаллические дисперсные материалы имеют слабую связь влаги с материалом, по­этому для их сушки нужно применять такие методы, которые характеризуются высокой интенсивностью сушки при сравни­тельно незначительном времени пребывания материала в зо­не сушки. При расчете процесса сушки влажных, в том числе и крис­таллических дисперсных материалов, необходимо знать их теплофизические свойства, особенно зависимости этих свойств от температуры и влажности материала.

 

При расчете процесса сушки влажных, в том числе и крис­таллических дисперсных материалов, необходимо знать их теплофизические свойства, особенно зависимости этих свойств от температуры и влажности материала. Источника тепла постоянной мощности. Как видно из рис. 4, для перманганата калия и сахарного песка (кривые 1, 4) коэффи­циент теплопроводности линейно возрастает с увеличением влажности, так же как и для других дисперсных материалов 158]. Для бромистого натрия (кривая 3) коэффициент теплопровод­ности в исследуемом диапазоне влажности W=0-9% не за­висит от последней. Авторы [4] объясняют это особенностью поглощения влаги бромистым натрием, частицы которого представляют собой смесь агломератов из мельчайших кристаллов. Поэтому при увлажнении NaBr влага поглощается в первую очередь мельчайшими капиллярами, которые пронизывают описанные выше агломераты, а вследствие образования би-гидрата NaBr *2H₂O до определенной влажности на поверхности частиц  не появляется   пленка   насыщенного   раствора, способствующая улучшению контакта между частицами, как это имеет (NaBr, KBr, КМпО₄) по   методу  плоского для большинства водорастворимых кристалли­ческих дисперсных материалов. Характер изменения коэффициента теплопроводности бро­мистого калия в зависимости от влажности резко отличается от изменениядля других материалов при неизменной темпе­ратуре. Кривая 2 (рис. 4) имеет максимум причто неоднократно было подтверждено экспериментальными иссле­дованиями [4]. Основное влияние на характер изменения ко­эффициента температуропроводности перечисленных выше материалов от влажности  (рис. 4, кривые 5, 6, 7, 8) оказывает коэффициент теплопроводности. Теплоемкость исследованных материалов, как показали эк­сперименты, имеет линейную зависимость от влажности и хо­рошо описывается известной формулой [58].