Термический анализ кизельгурового шлама Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Процессы и аппараты пищевых производств

УДК 543.226

Профессор С.Т. Антипов, аспирант Д.М. Визир, профессор С.В. Шахов, аспирантМ.О. Жигулина

(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. (473) 255-35-54

Термический анализ кизельгурового шлама

В настоящее время по-прежнему требуют дальнейшего уточнения механизмы термодинамических и массообменных процессов в капиллярно-пористых средах. В данной работе получены термогравиметрические кривые испарения влаги при сушке кизельгурового шлама и дан их анализ, позволяющий выбрать оптимальные режимы сушки.

It's currently necessary to clarify the mechanisms of thermodynamic and mass transfer processes in capillary porous media. In this paper we obtain the thermogravimetric curves of evaporation drying kieselguhr sludge. It is also an analysis of the curves, allowing to choose the optimum conditions of drying.

Ключевые слова: дериватографический анализ, кизельгуровый шлам, энтальпия, кинетика сушки.

Повышение эффективности процессов сушки и сушильного оборудования является комплексной задачей, направленной на обеспечение качества продукции, снижение мате-риало-, энерго- и ресурсоемкое™ техники.

В данной работе представлены материалы исследования процесса внешнего и внутреннего тепломассопереноса методом дерива-тографического анализа в условиях термического воздействия на продукт. Проведение де-риватографического анализа позволяет изучить характер связи влаги с выявлением участков, на которых осуществляется преобразование веществ при повышении температуры.

Экспериментальное получение кинетических кривых сушки пищевых материалов является реальной базой для уточнения сложных механизмов внутренних термодинамических и физико-химических процессов в капиллярно-пористых средах; для получения теплофизиче-ских характеристик исследуемых материалов для дальнейшего развития аналитической теории расчета процессов тепломассопереноса при сушке, а так же для разработки, расчета и проектирования сушильного оборудования [1].

Объектом исследования являлся кизельгуровый шлам - побочный продукт пивоваренного производства.

© Антипов С.Т., Визир Д.М., Шахов C.B., ЖигулинаМ.О., 2013

Исследование закономерностей теплового воздействия на кизельгуровый шлам осуществляли методом неизотермического анализа на комплексном термоанализаторе ТОА-Б8С фирмы Мей1ег-То1е<1о8ТАЯе в атмосфере воздуха с постоянной скоростью нагрева 3 К/мин до 1273 К [1].

Прибор фиксирует изменение массы вещества и изменение температуры при контролируемой температурной обработке в определенной газовой среде. Исследования осуществляли в алюминиевых тиглях с общей массой навески - 35,2424 мг. Применяемые для количественной обработки методом неизотермической кинетики термоаналитические кривые одновременно регистрируют изменения массы образца, скорости изменения температуры или энтальпии и изменения массы (кривые ТОА, БТА и БТО).

Количественную оценку форм связи вла-ги в продукте осуществляли по экспериментальным зависимостям изменения массы образца ТОЛ, скорости изменения температуры ОТЛ и скорости изменения массы ОТО (рисунок 1), полученным методом термогравиметрии [2].

В процессе увеличения температуры наблюдается уменьшение массы образца (кривая ТОА), связанное с потерей влаги. Зависимость скорости изменения температуры БТА характеризуется эндотермическим эффектом в интервале температур 295...443 К, который

<Ысшм&ТУШС №2, 20131

соответствует максимальном скорости дегидратации продукта и сопровождается интенсивной потерей массы образца.

200 300 Ш) 500 600

тд°С~

-0,2 -0А

100 200 300 т 500 600 700 800 900 1000 'С

Рисунок 1 - Экспериментальные зависимости изменения массы образца кизельгураТСЛ, скорости изменения температуры БТЛ и скорости изменения массы БТС

Оценку массы кинетически неравноценных молекул воды в продукте осуществ-ляли по экспериментальным кривым ЮА методом неизотермического анализа [1].Участок кривой изменения массы ЮА, соответствующий процессу дегидратации (рисунок 1), преобразуется в зависимость степени превращения вещества а от температуры Т. На кривой ЮА при определенных значениях тем -

пературы находят изменение массы , соот-

ветствующее количеству выделившейся воды при температуре Т (рисунок 1). Степень превращения а рассчитывается как отношение массы Ат., к общему количеству воды, содержащейся в образце Ат :

а =-

Ат,

А т„

(1)

Полученная зависимость степени превращения вещества а от температуры Т (рисунок 2) имеет вид, отражающий сложный характер взаимодействия воды и сухих веществ кизельгура, и предполагает разную скорость дегидратации.

Для получения данных о механизме вла-гоудаления на основе полученных кривых, определения температурного интервала и массовой доли влаги, десорбированной примерно с одинаковой скоростью, использовали кривую в координатах (-/£а)-(103/Т). Зависимость (-/£а ) от величины 103/Т (рисунок 3) выполне-

на для интервала 270 - 500 К. На рисунке 3 видны три линейных участка для кизельгуро-вого шлама, что свидетельствует о ступенчатом выделении воды. Каждой из ступеней дегидратации соответствует процесс выделения воды с различной энергией связи. а

300 350 400 4.50 500 Рисунок 2 - Зависимость степени превращения а вещества от температуры Т исследуемого кизельгу-рового шлама при нагревании со скоростью подъ-ема температуры 3 К/мин

0

э-е-^ )

\

?

§ §

а

§

I

I

§ § ^ не-

зависимость (—^а) от величины

Рисунок 3 103 / Т

1и 11 при нагревании со скоростью подъема температуры 3 К/мин

При температуре 295...351 К (участок 1 на рисунке 3) происходят нагрев и удаление свободной воды (механически и осмотически связанной влаги), имеющей невысокую энергию связи с продуктом. Высвобождается вода, образующая ажурную сетку из ассоциатов молекул воды, связанных между собой водородными связями. При этом десорбция капиллярной воды характеризуется более низкими величинами энергии активации по сравнению с водой, высвобождающейся на второй ступени процесса. При температурах 351.419 К (участок 2 на рисунке 3) осуществляется десорбция осмотической влаги кизельгура. Интервал температур 419.443 К (участок 3 на рисунке 3) характеризуется высвобождением адсорбционной влаги, а по мере приближе-

<ЪестниъФТУЖЛС, №2, 2013

ния значения температуры к верхней границе интервала - удалением внутренней осмотической и адсорбционной влаги кизельгура. При этом возможно частичное разложение вещества. С увеличением температуры выше 443 К происходит значительная деструкция веществ с последующим обугливанием продуктов.

Эндотермический эффект на кривой БТА сопровождается изменением массы и эффектом на кривой БТО, что позволяет определить начало и окончание изменения энтальпии.

Проведенный анализ полученных данных позволил выделить периоды дегидратации воды и преобразования сухих веществ при термическом воздействии на кизельгуровый шлам, а также выявить температурные зоны, которые соответствуют высвобождению влаги с различной формой и энергией связи, что позволит прогнозировать режимные параметры процесса сушки и прожига и выбрать среди них наиболее эффективные.

ЛИТЕРАТУРА

1 Горшков, В. С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ [Текст] / В. С. Горшков, В. В. Гимашев, В. Г. Савельев. - М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.

2 Термография: методические указания по дисциплине «Физико-химические методы исследования» [Текст] / сост. Л. Н. Пименова.-Томск: Издательство ТАСУ, 2005. - 19 с.

REFERENCES

1 Gorshkov, V. S. Physical-chemical analysis of binders [Text] / V. S. Gorshkov, V. V. Gimashev, V. G. Saveliev. - M.: Vysshaya shkola, 1981. - 335 p.

2 Thermography: guidelines for the discipline "Physical-chemical methods of research" [Text] / comp. by L. N. Pimenova.-Tomsk: Publishing house TACU, 2005. - 19 p.