CC BY
40
СЕМИНАР 4
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98" МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
А.Е. Афанасьев, С.Н. Гамаюнов, О.С. Мисников, О.В. Пухова,
Тверской государственный технический университет
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИИ ТОРФЯНОГО И САПРОПЕЛЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА
При изучении процессов струк-турообразования торфа и сапропеля, они рассматриваются как многофазные системы. Торфяные и сапропелевые куски при формовочном влагосодержании являются структурированными системами преи-мущественно с коагуляционным типом контактов и с широким спектром энергии связи между частицами, что соответствует определенному этапу сушки материала и носит кинетический характер.
В качестве объектов исследований использовались верховой и низинный торф степенью разложения R = 15 и 30%, а также погребенные под торфяными залежами Тверского региона органический, карбонатный, кремнеземистый са-пропели зольностью А соответственно 17, 64, 74%. Из данного сырья методом экструзии были сформованы куски начальным диаметром 30 и длиной 45 мм. В процессе сушки определяли прочность материалов и локальные значения потенциала влаги Ф с использованием микротен-зиометров [1, 2]. Сушка осуществлялась в изотермических условиях при конвективном теплоподводе при температуре 295 + 2 К и влажности воздуха 0,6...0,7.
Для того чтобы составить целостное представление о качественно переломных концентрационных эффектах (так как сушка является не чем иным, как одним из способов повышения концентрации твердой фазы), происходящих в торфе и сапропелях, обратимся к зависимости прочности R от влагосодержания Ш в виде 1п R = /(Ш ) (рис. 1). Она представляет собой для всех исследованных материалов ломаную ли-
146
нию, сосгояшую из двух прямолинейных участков с сингулярной точкой в области W = W с . Каждый из отрезков характеризует свой период структурообразования, обусловленный изменением энергии межмолекулярных взаимодействий дисперсионных частиц между собой и, следовательно, с дисперсионной средой. При этом характер изменения энергетического уровня приводит к четкой фиксации отдельных стадий (периодов структурообразо-вания). Этим периодам соответствует определенное взаиморасположение твердой и жидкой фазы.
Процесс упрочнения структуры исследуемых материалов можно аппроксимировать зависимостью в виде
R = R о exp (-XW ) (1)
со своими коэффициентами струк-турообразования R0 и X. [1].
Переход структуры дисперсий высокомолекулярных соединений торфа и органоминеральных дисперсий сапропелей на новый энергетический уровень при обезвоживании подчиняется одним и тем же физическим закономерностям. Это позволяет при определенных влажностных состояниях рассматривать универсальные зависимости для систем с различными типами контактов и, следовательно, использовать свои физические константы при различных периодах структурообразования.
Прирашение прочности торфа и сапропеля обусловлено изменением природы и числа связей между элементами структуры при переходе от большего влагосодержания к меньшему. Точка Wc является граничной и разделяет процесс структурообразования на два периода. Первый период определяет процесс структурообра-
зования системы, при котором исследуемый материал переходит из жидкообразной в условнопластичную форму. На втором этапе происходит временная стабилизация коагуляционной структуры и система переходит из вязкопластичного в твердообразное состояние.
Второй период структурообра-зования начинается в убывающем периоде сушки торфяных и сапропелевых систем. Как правило, нарастание прочности здесь выше, чем в первом периоде (рис. 1). Величина прочности на сжатие при равновесном влагосодержании максимальна у органического сапропеля, то есть материала, структура которого априори предрасположена к возникновению в ней водородных межмолекулярных взаимодействий во втором периоде струк-турообразования. С уменьшением содержания органического вещества в системе прочность постепенно снижается.
В процессе структурообразова-ния сапропеля вы-сокой зольности число водородных связей невелико, хотя наряду с силами Ван-дер-
lnfi
0 Wc 2 3 W
Рис. 1. Изменение логарифма прочности Я, МПа в зависимости от его влагосодержания W, кг/кг торфа Я = 15 (1) и 30 (2)%, сапропеля А = 17 (3), 64 (4) и 74 (5)%
ГИАБ
Ваальса они обеспечивают рост прочности в первом периоде, соединяя элементы структуры материала через молекулы воды. Во втором периоде, который совпадает с убывающим периодом сушки, в системе начинают образовываться непосредственные точечные кон-такты. Эти контакты соответствуют площадкам в один или несколько атомов, или в одну ячейку кристаллической решетки. И хотя по сравнению с коагуляционными контактами они обладают более высокой прочностью, величина последней у всей системы невелика (3,15 МПа). Это происходит потому, что при равновесном (Ж = 0,01 кг/кг) и близком к нему влагосодержании из-за отсутствия влаги исчезают предпосылки для формирования водородных связей. Кроме того, между частицами остаются открытые поры, наличие которых (как и других дефектов структуры) также не способствует повышению прочности формованной продукции. Образование ^-связей начинается, как правило, в первом периоде структурообразования и тем раньше, чем ниже предельное напряжение сдвига (то есть в органическом сапропеле).
Анализ полученных результатов показывает, что процессы структурообразования погребенных сапропелей по своей сущности отражают физико-химические свойства, с одной стороны, органического (торф), а с другой - минерализованного (глина) материалов, то есть свойства переходного граничного слоя.
В технологии торфяного и сапропелевого производства важную роль играют явления внешнего массообмена между материалами и окружающей средой, а также процессы внутреннего массопере-носа в них. Интенсивность переноса влаги во многом зависит от массообменных свойств материала, количественной мерой которых являются соответствующие массообменные характеристики [3, 4].
Нахождение массообменных характеристик торфа является слож-
3 і 1999
ной задачей, и достоверность полученных данных в большой мере зависит от правильного выбора метода определения. Наиболее перспективным методом определения коэффициентов массопереноса при сушке мелкокускового торфа является экспериментально-рас-четный метод, основанный на определении локальных полей влагосодержания и потенциала влаги [4].
На рис. 2 приведены характерные графики зависимости изменения логарифма потенциала влаги |Ф| от влагосодержания слоя Жсл для образцов исследуемых материалов.
Измерение потенциала влаги и отбор проб для определения вла-госодержания проводили в двух контрольных точках: у поверхности куска вдоль верхней образующей боковой поверхности и в центре образца. Численные изменения Ф соответствуют данным, полученным другими исследователями с использованием тензиометрического (~ 35 Дж/кг) и адсорбционного методов (~ 1000 Дж/кг) для торфа в соответствующих интервалах влагосодержания. Метод микротензиометрии расширяет диапазон измерения потенциала влаги в материале вплоть до значений низких влаго-
содержаний (до 0,3)
По полученным экспериментальным данным был проведен расчет коэффициентов массопере-носа: влагопроводности X т (кг с/м 3 ), массоемкости с т (с 2/м 2 ), диффузии влаги а т (м 2/с). При этом было сделано допущение о линейном распределении потенциала влаги Ф от центра к поверхности.
На рис. 3.5 представлены графики изменения коэффициентов массопереноса от среднего влагосодержания для исследуемых материалов. Характер кривых изменения массообменных коэффициентов соответствует данным, полученным для аналогичных коллоидных капиллярно-пористых тел (ККПТ) другими авторами [1-4].
Установлено, что коэффициент массоемкости монотонно снижается с уменьшением влагосодержания. Коэффициенты вла-гопроводности и диффузии имеют максимумы в области высоких и низких значений влагосодержания, соответствующие каждому из периодов структурооб-разования дисперсий высокомолекулярных соединений. В кремнеземистом сапропеле коэффициент диффузии имеет максимальное значение только в первом периоде структурообра-зования. Два максимума на зависимостях а т = / (Ж) впервые было обнаружено для формованной продукции из торфа [4]. Характер изменения численных значений коэффициентов при различных влагосодержани-ях определяется формами связи влаги с материалом и видами влаго-переноса. При сушке ККПТ перемещение влаги происходит как в виде жидкости, так и в виде пара. Транспорт жидкости в ККПТ, в основном, может осуществляться: капилляр-но-осмо-тическим переносом — из-за разности капиллярных потенциа-
147
лов, а также пленочным течением, обусловленным градиентом расклинивающего давления [1]. Движение пара при сушке, в свою очередь, обуславливается различными видами диффузии.
Известно, что при больших влагосодержаниях материала
преобладающим механизмом
массопереноса является капиллярный, а при малых - диффузионный [1, 3]. Следовательно, максимумы на кривых X m и а m = f(W можно объяснить следующим образом. При влагосодержании, соответствующем первому максимуму градиент потенциала влаги невелик и его значение составляет ~ 1000 Дж/(кг-м). Следовательно, для поддержания потока влаги i = const (постоянный период сушки) влагопроводящие свой-ства материала должны быть максимальными. Затем по мере увеличения градиента потенциала X m и а m уменьшаются вплоть до окончания постоянного пе-риода сушки. Это указывает на доминирующую роль капиллярного механизма массопе-реноса в области высоких влагосо-держаний (в первом периоде струк-турообразования). С уменьшением влагосодержания материала возраста ет роль парового и пленочного потоков. Градиент потенциала влаги на этом этапе начинает уменьшаться, причем более высокими темпами, чем обезвоживание материала, что, в свою очередь, вызывает некоторое увеличение вла-гопроводности исследуемых материалов в убывающем периоде сушки. По окончании обезвоживания (W = Wр ), i ^ 0, X m и а m ^ 0. На массоперенос и структурообразование оказывает влияние количество сильнораз-ложившегося органического вещества в системе.
Наибольшее его содержание в органическом сапропеле ведет к большей усадке, большей энергии связи влаги с материалом, а также к кольматации влагопроводящих пор.
Поэтому значения коэффициентов диффузии для органического сапропеля (рис. 5 а) на порядок меньше соответствующих показаний для
Массообменные характеристики исследуемых материалов
Исследуемый материал Коэффициенты внутреннего массопереноса
с т-10 3, с 2/м 2 X m-10 9, (кг-с)/м 3 а ^10 9, м 2^
Верховой торф ^ = 15.. .40 %) 6 00 о" о" 0,4.9
Низинный торф ^ = 15.60 %) 00 о" 00 <N2 о" 5 "2 0"
Органический сапропель |> «о, о" 0,1 1,5
Кремнеземистый сапропель 0 о" 3.20 2.6
торфяных систем.
Из анализа результатов, представленных на рис. 3 и 4, следует, что на величину искомых коэффициентов массопереноса оказывает влияние природная дисперсность торфа. С ростом дисперсности материала максимальные значения коэффициентов массопереноса в торфе уменьшаются из-за повышения гидравлического сопротивления влагопереносу.
В большинстве случаев для практического применения необходимо знать порядок и диапазон изменения тех или иных величин. Диапазоны изменения коэффициентов внутреннего массопереноса исследуемых материалов представлены в таблице. большие значения коэффициентов массопере-носа соответствуют более влагонасыщенному материалу.
Характер изменения массообменных характеристик позволяет давать физическую трактовку процессов массопереноса, происходящих в материалах при сушке, и их влияние на процессы струк-турообразования. Численные значения данных коэффициентов имеют большое прикладное значение, так как они позволяют водить аналитическое описание изменения влагосодержания с лью создания метода его прогнозирования и контроля. Значения коэффициентов массопереноса, приведенные в таблице, позволяют составлять прогнозные данные об изменении влагосодержания и, следовательно, оценивать время сушки сапропелевых систем. тверждено положение [1] о том, что каждый из периодов рообразования характеризуется
своими особенностями структуры и соответственно своими значениями коэффициентов массопереноса (по максимуму в каждом из периодов струк-турообразования)
Таким образом, с помощью разработанного метода найдены новые данные о численных значениях и характере изменения коэффициентов диффузии влаги в течение всего процесса сушки формованной продукции из торфа и сапропеля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технолог Афанасьев А.Е., Чураев ии торфяного производства. М.: Недра, 1992. 288 с.
2. Гамаюнов С.Н. Определение массообменных характеристик мелкокускового торфа // Торфяная пром-сть, 1991. № 12. С. 32-36.
3. Антонов В.Я., Малков Л.М., Гамаюнов Н.И. Технология полевой сушки торфа. М.: Недра, 1981. 239 с.
4. Лыков А.В. Тепло- и массооб-мен в процессах сушки. М.: Госэнер-гоиздат, 1956. 464 с.
© А.Е. Афанасьев, С.Н. Гамаюнов, О.С. Мисников, О.В. Пухова
147
