CC BY
20УДК 666.972.125
С.А. ТОКАРЕВА, директор ЗАО «НИИкерамзит» (Самара); В.П. ПЕТРОВ, д-р техн. наук, Самарский государственный архитектурно-строительный университет
Сушка сырцовых гранул при производстве особо легкого керамзита
Вопросы сушки сырцовых гранул при производстве пористых заполнителей освещены в литературе недостаточно полно. Считается, что ввиду малости размеров в гранулах не возникает опасных напряжений, которые способны привести к значительным разрушениям. И если все же это происходит, то, по мнению ряда специалистов, не является серьезным нарушением технологии, поскольку образовавшиеся мелкие кусочки также вспучиваются. Практика, однако, показывает, что разрушение гранул, образование мелочи дестабилизирует процесс обжига, вынуждает снижать температуру вспучивания, что в конечном итоге ведет к повышению плотности заполнителей. Трещины, возникающие в гранулах по той же причине, снижают их прочность. Все это является неприемлемым для технологии высококачественного заполнителя.
Тепло- и массоперенос в процессе сушки. При сушке влажных материалов происходят одновременно два процесса: испарение влаги (массоперенос) и перенос тепла (теплообмен). Теплообмен, осложненный массо-обменом, имеет специфические особенности по сравнению с чистым теплообменом.
Проблема сушки влажных материалов включает вопросы переноса тепла и массы внутри тела (внутренняя задача) и в пограничном слое на границе раздела фаз (внешняя задача). Результирующая интенсивность сушки зависит от условий переноса тепла и массы внутри тела и на границе раздела фаз. Интенсивность сушки максимальна, когда возможность переноса тепла и массы в пограничном слое соответствует возможности перемещения влаги и тепла внутри тела.
На интенсивность сушки влияют как внешние условия переноса тепла и массы, так и внутренние — перенос тепла и влаги внутри тела.
Внешний тепло- и массоперенос. Передача тепла к высушиваемому телу может осуществляться тремя путями — конвекцией, лучеиспусканием и теплопроводностью (кондукцией).
Конвективный теплообмен наблюдается при омыва-нии тела газом (или жидкостью), имеющим температуру, отличную от температуры тела.
Уравнение теплообмена в стационарных условиях имеет вид:
Q = а(1с-1п^, 2 (1)
где а — коэффициент теплообмена, кДж/(м-ч.град); ^ и ^ — температура соответственно среды и поверхности тела, оС; F — поверхность испарения, м2.
Коэффициент теплообмена зависит от гидродинамических условий обтекания тела жидкостью, газом, от свойств газа и т. д.
Условия переноса тепла от газа к телу описываются системами дифференциальных уравнений, которые не всегда могут быть решены применительно к конкретным условиям теплообмена. В этом случае экспериментально изучают условия теплообмена между телом и средой в зависимости от различных переменных факторов.
В практике сушки керамических материалов широкое применение нашли расчетные формулы А.В. Лыкова и А.Ф. Чижского [1, 2]. Скорость испарения воды с по-
верхности влажного материала согласно Чижскому можно вычислить по следующей формуле:
М = ивп(Рп-Рс), кг/(м2.ч), (2)
где вп — коэффициент массопереноса; по данным ВТИ, вп = 0,00168 + 0,00128v; Рп и Рс — парциальные давления насыщенного пара при температуре поверхности материала (1п) и среды (1с), Н/м2.
Внутренний тепло- и массоперенос. Перенос массы внутри влажного тела может происходить в виде жидкости или пара, если фазовый переход осуществляется внутри капиллярного тела.
Коэффициент диффузии ат зависит от влажности и температуры вещества. Для капиллярно-пористых тел с повышением влажности коэффициент диффузии увеличивается. Непрерывное увеличение ат характерно для переноса влаги в виде пара; если же влага переносится в виде жидкости, значение ат может оставаться постоянным. Для капиллярно-пористого коллоидного тела при наличии осмотической влаги изменение коэффициента ат в зависимости от влажности происходит по сложной зависимости вследствие переноса влаги в виде пара и жидкости. По А.В. Лыкову коэффициент диффузии влаги равен:
ат = [С/(1-Ар'^)].(Т/1000)п, (3)
где А, С и п — константы уравнения.
Для капиллярно-пористых тел (кварцевого песка и керамических паст, содержащих глину в количестве меньше 10%) А = 0,0032; п = 20; С = (0,7-50)105; для капиллярно-пористых коллоидных тел (глин и керамических паст, содержащих глину в количестве более 10%) А = 0,0019; п = 10; С = 0,6-13.
Средняя интегральная влажность материала в условиях, когда на поверхности тела достигается гигроскопическая влажность и начинается период падающей скорости сушки, называется критической влажностью Wкp.
Значение критической влажности зависит от интенсивности сушки (скорости и температуры потока воздуха), размера тела и его начальной влажности. С увеличением скорости потока воздуха критическая влажность возрастает; также она зависит и от температуры среды при конвективной сушке. Критическую влажность в шарообразном теле по А.В. Лыкову можно определить из следующего выражения:
Wкр = Wr + 10Мd/amPo, (4)
Усадочные напряжения и деформации, возникающие при сушке. В процессе сушки происходит усадка изделий, вызываемая удалением влаги. Неравномерность усадки может вызвать опасные напряжения, деформации и трещины. Усадка сырцовых гранул происходит в период постоянной скорости сушки и заканчивается после достижения гранулой критической влажности. Процесс усадки гранул можно представить в следующем виде. Влага, заполняя поры во влажном образце, образует на границе раздела гранула - воздух вогнутые мениски в капиллярах. В процессе сушки происходит испарение жидкости, и поверхностное натяжение ее в капиллярах увеличивается, что приводит к сжатию гранул. Размеры гранул сокращаются, до тех пор пока частички глины (порошка) не придут во взаимное соприкосновение, сопровождающееся трением между ними. Когда трение
научно-технический и производственный журнал
достигнет величины, превосходящей силы поверхностного натяжения влаги в капиллярах, дальнейшее уменьшение размеров прекращается. Это соответствует моменту, когда средняя влажность гранул достигнет значения критической влажности W^. После этого усадка прекращается, а дальнейшее удаление влаги сопровождается лишь увеличением пористости гранул, так как капилляры освобождаются от находящейся в них влаги. Высушенные ранее наружные слои стремятся уменьшить свои размеры, а внутренние слои, сохраняющие первоначальный (или больший) размер, препятствуют усадке наружных. Происходит «недопущенная» усадка наружных слоев, и вследствие этого на поверхности гранул возникают растягивающие, а внутри — сжимающие усилия. Растягивающие напряжения по мере углубления внутрь гранулы постепенно уменьшаются и в нейтральных поверхностях становятся равными нулю (нейтральной условно можно назвать такую поверхность, в которой напряжения равны нулю, а влажность равна средней влажности тела). Затем знаки меняются, и начинают действовать сжимающие напряжения, которые достигают максимума в центре гранулы.
Несмотря на некоторую условность приведенной схемы напряжений, пользуясь законами теории упругости, А.В. Лыков показал, что величина возникающих напряжений в керамических изделиях пропорциональна разности влагосодержаний в центре и на поверхности изделия (Aw = иц — ипов) и коэффициенту линейной усадки б.
Таким образом, для данного конкретного материала критерием трещинообразования, определяющим допустимый режим сушки и возможность появления опасных напряжений и трещин, например во влажных гранулах, является максимально допускаемый перепад влажности между средней (интегральной) влажностью гранулы Wт и влажностью на ее поверхности W^, т. е.
Awr. макс (W^i ^ макс, %. (5)
При условии параболического распределения влаги по сечению гранулы в период постоянной скорости сушки в качестве критерия трещинообразования можно и удобно использовать максимально допускаемый перепад влажности в центре гранулы Wц и на ее поверхности W^.
Для шара численное значение максимально допускаемого перепада влажности между центром и поверхностью равно:
Aw маКс = 1,67(W - W^W. % (6)
Для каждого материала и типа изделия существует своя максимально допустимая и безопасная в отношении образования трещин интенсивность (скорость) сушки гранул Ммакс. В период постоянной скорости сушки (при условии, что перепад температуры в грануле At = 0 и влага распределяется по закону параболы) максимально допустимую скорость сушки гранул диаметром d можно определить по следующему уравнению:
Ммакс = am.Aw макс Ро/1004 КгД^ЧХ ф
где ро — плотность сухой керамической массы, кг/м, d — диаметр гранулы, м.
Минимально допустимую длительность обезвоживания сырца керамических тел сферической формы, безопасную в отношении возникновения трещин, в период постоянной скорости сушки zi мин можно вычислить по формуле:
z1 мин = ^С^нач — / 24am Aw макс. (8)
То есть минимальная безопасная скорость сушки в период усадки (период постоянной скорости сушки) пропорциональна квадрату диаметра гранулы.
И.М. Пиевским на основе значительного объема экспериментов и теоретических исследований доказано, что степень влияния интенсивности процесса сушки на внутренний массоперенос определяется гидрофильными свойствами материала (величиной мономо-
лекулярной адсорбции т) [4]. Интенсивность испарения влаги с рабочей поверхности образца приводит к росту интенсивности внутреннего массопереноса, но с увеличением гидрофильности материала влияние интенсивности сушки на внутренний массоперенос уменьшается. Уменьшение коэффициента диффузии влаги с увеличением гидрофильных свойств материала объясняется увеличением в системе влаги более прочных форм связи. И.М. Пиевским получена следующая эмпирическая зависимость между коэффициентом диффузии влаги в материале и величиной мономолекулярной адсорбции:
ат = Ы0-4/(0,054 + 0,612т), м2/ч (9)
Количество связанной воды мономолекулярного слоя можно вычислить по формуле Лэнгмюра:
т = 100S1hp[c.(P/Ps)/(1+ с.Р^)], (10)
где S1 — поверхность дисперсной фазы; h — толщина слоя воды мономолекулярного слоя, которую можно принять равной диаметру молекулы воды h = 2,76.10-8см; р — плотность воды, равная единице; с — константа, характеризующая энергию адсорбции в первом слое; Р^ — равновесное относительное давление.
Обработав результаты многочисленных экспериментов разных авторов, удалось установить, что между величиной мономолекулярной адсорбции и удельной поверхностью дисперсных материалов существует тесная корреляционная связь, которая с высокой вероятностью описывается следующим линейным уравнением:
т = 0,0225S, %, (11)
где S измеряется в м2/г.
Например, S = 100 м2/г, тогда т = 0,0225.100 = 2,25%; или S = 4000 см2/г = 0,4 м2/г и т = 0,0225.0,4 = 0,009%.
Если предположить, что растрескивание гранул, происходящее в первом периоде сушки, вызвано возникающими в нем нормальными напряжениями стхх, превышающими предел прочности материала, то, опираясь на исследования [3], можно показать, что при интенсивности сушки М=1,72 кг/(м2.ч) в поверхностных слоях гранул размером 20 мм возникают критические напряжения сткрит = 100 кПа, при которых в гранулах появляются трещины. То есть интенсивность сушки сырцовых гранул размером менее 20 мм не должна превышать М = 1,72 кг/(м2.ч) и прочность на разрыв керамической пасты при такой интенсивности сушки на конечном этапе не должна быть ниже величины стп = 100 кПа.
Величину мономолекулярной адсорбции можно использовать в качестве критерия для сопоставления и оценки сушильных свойств сырья и расчетов состава шихты. В зависимости от величины мономолекулярной адсорбции керамические пасты предлагается делить на высокочувствительные т > (1,15—1,3%) и малочувствительные т < 0,35%.
Состав шихты, с позиций безопасной сушки гранул, может быть рассчитан по следующему уравнению:
тш = с^1 + с2т2 +...+ ст (12)
где с1, с2, ..., с — доля компонентов в шихте; т1, т2, ... mi — величины мономолекулярной адсорбции компонентов шихты; или
тш = 0,0225 (сД + с^2 +...+ ^ ), (13) где S1 ; S2 — удельная поверхность компонентов шихты.
Доказано, что рациональному составу шихты отвечает следующий оптимальный интервал величины мономолекулярной адсорбции: топт = 0,35—0,8%.
Оптимальные параметры сушки сырцовых гранул. В табл. 1 приведены результаты экспериментов, реализованных с целью выявления влияния состава керамической пасты на параметры сушки сырцовых гранул и прочность высушенных образцов. Режим сушки во всех экспериментах был одинаковым и заключался в выдерживании сформованных образцов в помещении при температуре 20 ± 2оС в течение 48 ч [4].
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 32 апрель 2011 Ы *
Таблица 1
№ опыта План опытов т, % ат.104 кг/(м2.ч) Ммакс кг/(м2.ч) ^мин' S, м2/г кПа W "V %
1 аbсde 0,549 2,58 11,1 4,02 24,4 126 13
2 Ьсе 0,39 3,44 14,84 3,31 17,3 73 12,1
3 ас 0,12 7,85 45,22 0,67 5,3 50,6 11,4
4 cd 0,063 8,55 55,4 0,37 2,8 38,8 11,2
5 аЬ 0,54 2,59 10,89 3,87 24 114 12,8
6 bd 0,382 3,46 14,12 3,2 17 75,6 12
7 ade 0,111 7,88 43,65 0,59 4,9 44,2 11,2
8 е 0,055 8,62 54,06 0,32 2,4 27,8 11
9 Глина смышляевская 2,138 0,736 3,97 18 95 512 14,2
10 Глина кряжская 1,013 1,38 6,93 8,32 45 206,6 13,8
Примечание. В столбце двумя латинскими буквами обозначены верхние уровни факторов. Если буква отсутствует, значит, данный фактор находится на нижнем уровне. Буквой а обозначен 1-й фактор, Ь - 2-й, с - 3-й, d - 4-й, е - 5-й.
Таблица 2
Факторы Верхний уровень, ^ = + 1 Основной уровень, ^ = 0 Нижний уровень, ^ = -1 Интервал варьирования, А
Х1 - вид глины Смышляевская Кряжская
Х2 - содержание глины, % 25 15 5 10
Х3 - содержание НУЧ, % 8,5 5 1,5 3,5
Х4 - содержание ЛСТ, % (сверх 100%) 0,65 0,5 0,35 0,15
Х5 - удельная поверхность шлакового порошка, см2/г 4500 3500 2500 1000
Факторами, влияние которых на сушильные свойства керамических паст изучалось, являлись:
Х1 — вид глинистого сырья;
Х2 - содержание шлакового порошка;
Х3 — содержание НУЧ;
Х4 — содержание лигносульфонатов технических (ЛСТ);
Х5 — удельная поверхность шлакового порошка.
Условия кодирования факторов представлены в табл. 2.
Опыты проводили по плану дробной реплики вида 25-2. План экспериментов приведен в графе 2 (табл. 1).
В графах 3—7 (табл. 1) приведены параметры сушки гранул, состав шихты которых определен матрицей планирования (вторая графа). Эти параметры вычисляли по следующим формулам: т(%)— (11); ат(м2/ч) — (9); Ммакс (кг/(м2.ч) — (7); zмин (мин) — (8). Суммарную поверхность компонентов шихт ^,(м2/г), вычисляли простым сложением поверхностей составляющих шихт.
В 8-й графе приведена прочность высушенных гранул на сдвиг, полученная экспериментальным путем.
В последней графе (табл. 1) приведены значения влажности образцов в момент их испытания. Эту влажность можно считать равновесной.
После высушивания прочность гранул на сдвиг увеличилась в среднем в 13 раз (от 6 до 20 раз). Только в четырех случаях — в 1-м, 5-м, 9-м и 10-м опытах прочность на срез оказалась выше контрольной величины стср = 100 кПа. Отметим, что эта величина получена для оптимальных значений т = 0,4 — 0,5%. При значениях т < 0,4 повышается влагопроводность материала и, как следствие, уменьшаются усадка и напряжения в гранулах, т. е. целостность гранул сохраняется и при более низкой прочности на сдвиг.
Обработкой результатов опытов методами регрессионного анализа установлены следующие линейные уравнения между некоторыми параметрами системы:
стср = 68,8 + 15,0х1 + 28,4х2; (14)
zмин = 2,044 + 0,248х1 + 1,556х2; (15)
т = 0,246 + 0,054х1 + 0,189х2. (16)
В уравнениях значения факторов даны в кодовом масштабе.
Основное влияние на сушильные свойства гранул оказывают дисперсность и количество вводимой глины. Более дисперсная смышляевская глина оказывает и наибольшее влияние на прочность сырых и высушенных гранул.
Между прочностью на сдвиг высушенной до равновесной влажности керамической пасты и удельной поверхностью дисперсной фазы просматривается тесная корреляционная связь, коэффициент корреляции равен г = 0,9. Зависимость прочности пасты на срез от удельной поверхности дисперсной фазы достаточно надежно описывается линейным уравнением:
стср = 5^ кПа. (17)
Эту формулу и уравнения (14) — (17) можно применять при выполнении предварительных расчетов режимов сушки сырцовых гранул до равновесной влажности и предварительной оценки сушильных свойств разрабатываемых составов.
Ключевые слова: сырцовые гранулы, процесс сушки, растрескивание, тепломассоперенос.
Список литературы
1. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968, 470 с.
2. Чижский А.Ф. Сушка керамических материалов и изделий: монография. М.: Стройиздат, 1971. 178 с.
3. Петров В.П., Макридин Н.И., Ярмаковский В.Н. Пористые заполнители и легкие бетоны. Материаловедение. Технология производства. Самара: СГАСУ, 2009. 435 с.
4. Пиевский И.М., Гречина В.В., Назаренко Т.Д., Степанова А.И. Сушка керамических материалов пластического формования: монография. Киев: Наукова думка, 1985. 142 с.
научно-технический и производственный журнал
