CHƯƠNG1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ẨM LIÊN QUAN ĐẾN QUÁ TRÌNH SẤY
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (143.29 KB, 9 trang )
CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU ẨM 1.1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ẨM LIÊN QUAN ĐẾN QUÁ TRÌNH SẤY 1.1.1. Đặc trưng trạng thái ẩm của vật liệu Đối tượng của quá trình sấy là vật liệu ẩm, trong vật ẩm này luôn có chứa một lượng ẩm nhất định. Vật liệu ẩm được chia làm 3 nhóm chính: + Nhóm 1: Vật keo đặt trưng_ Vật liệu của nhóm này khi tách ẩm vẫn còn giữ nguyên kích thước và tính đàn hồi dẻo (Vd: Zêlatin, aga, ...) + Nhóm 2: Vật xốp mao dẫn _ Vật liệu của nhóm này khi tách ẩm trở nên giòn (Vd: Thạch cao, gốm sứ,...). + Nhóm 3: Vật keo xốp mao dẫn _ Vật liệu của nhóm này có thành mao dẫn dẻo và đàn hồi, khi thấm nước thì trương nở (Vd: gỗ, các loại ngũ cốc...). Vật keo mao dẫn xốp có tính chất tổng hợp của hai nhóm kia. Trong thực tế hầu hết vật liệu ẩm đều thuộc nhóm này. Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi nhiệt độ và độ ẩm của nó. Độ ẩm của vật có thể biểu diễn qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm toàn phần, độ chứa ẩm và nồng độ ẩm. a. Độ ẩm tuyệt đối_ Kí hiệu:W O
[ ] % Là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Được xác định theo công thức: w o = [ ] %100
k n G G (1-1) Trong đó: G n - Khối lượng ẩm chứa trong vật liệu, [kg]. G k - Khối lượng vật khô tuyệt đối, [kg].
b. Độ ẩm toàn phần_ Kí hiệu: W [ ] % Là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vật ẩm. Được xác định theo công thức: 3 w = [ ] %100
G G n (1-2) Trong đó: G = G n
+ G k , [kg] là khối lượng vật ẩm. Từ các biểu thức (1-1) và (1-2) ở trên ta có mối quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần: w o = 100
k n G G = %100 100 w w
(1-3). c. Độ chứa ẩm_ Kí hiệu: u, [kg ẩm/ kg vật khô] Là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Được tính theo công thức: u = k n G G , [kg ẩm/kg vật khô] (1-4). Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì ta có quan hệ sau:
w o = 100 u [%] Hay u = 100 o w , [kg/kg] (1-5). d. Nồng độ ẩm_ Kí hiệu: N, [kg/m 3 ]. Là khối lượng ẩm chứa trong 1m 3 vật thể. Ta có: N = V G n , [kg/m 3 ] (1-6). Trong đó: V- Thể tích vật. Nếu gọi k ρ là khối lượng riêng của vật khô tuyệt đối thì từ (1-4) và (1-6) ta có: N = u. k ρ
Nếu giả thiết thể tích của vật không thay đổi trong quá trình sấy, tức là V = V k , V k là thể tích của vật khô tuyệt đối, ta có: N = u o ρ Trong đó: V G k = 0 ρ là khối lượng của vật khô tuyệt đối. e. Độ ẩm cân bằng_ Kí hiệu: W cb , u cb ... 4 Là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh vật đó. Khi đó độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật ẩm bằng phân áp suất hơi nước có trong môi trường tác nhân sấy. Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn, nó xác định giới hạn quá trình sấy và dùng để xác định giới hạn quá trình sấy và độ ẩm cuối cùng trong quá trình sấy của mỗi loại vật liệu trong những điều kiện môi trường khác nhau. 1.1.2. Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu
Khi nghiên cứu quá trình sấy cần phải xác định các dạng tồn tại và các hình thức liên kết giữa ẩm với vật khô. Vật ẩm thường là tập hợp của 3 pha : rắn, lỏng và hơi. Các vật rắn đem sấy thường là các vật xốp mao dẫn. Trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và ẩm lỏng, (bỏ qua thành phần hỗn hợp khí - hơi trong vật). Diễn biến quá trình sấy các vật ẩm sẽ bị chi phối các dạng liên kết ẩm trong vật. Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm trong đó cách phân loại của P.H. Rôbinde được sử dụng rộng rãi hơn vì nó nêu được bản chất hình thành các dạng liên kết ẩm trong vật liệu. Theo cách này, tất cả các dạng liên kết ẩm được chia thành 3 nhóm chính là: Liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý. a. Liên kết hoá học Thể hiện dưới dạng liên kết ion hay liên kết phân tử. Lượng ẩm trong liên kết hoá học chiếm tỉ lệ nhất định. Liên kết ion được hình thành bởi những phản ứng hoá học rất bền vững. Muốn phá vỡ các liên kết này phải dùng các phản ứng hoá học hoặc nung đến nhiệt độ rất cao. Còn liên kết phân tử ta có thể quan sát qua quá trình kết tủa của các dung dịch. Vật liệu khi bị tách ẩm liên kết hoá học thì tính chất của nó thay đổi. Nói chung trong quá trình sấy (nhiệt độ từ 120÷150 0 C) không tách được ẩm liên kết hoá học, quá trình sấy yêu cầu giữ nguyên các tính chất hoá lý của vật. b. Liên kết hoá lý Thể hiện dưới dạng liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu. Lượng ẩm trong liên kết hoá lý không theo tỉ lệ nhất định nào. Liên kết hấp thụ Trong các vật ẩm ta gặp những vật keo. Vật keo có cấu tạo dạng hạt. Bán kính tương đương của hạt từ 0,001÷0,1µ. Do cấu tạo hạt nên vật keo có bề mặt bên trong rất lớn, vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do đáng kể. Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với nước, ẩm sẽ xâm nhập vào vật theo các bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp thụ giữa nước và bề mặt. 5
Xét hiện tượng một phân tử nằm trong khối lỏng sẽ cân bằng lực về mọi phía, các phân tử nằm trên bề mặt khối lỏng không cân bằng lực nên bị hút vào bên trong. Nhờ năng lượng tự do này mà các phân tử lớp ngoài của vật có khả năng hút các phân tử của môi trường xung quanh. Nếu mối liên kết giữa các phân tử của môi trường xung quanh yếu hơn thì khi tiếp xúc với vật, một số phân tử của môi trường sẽ bị hút lên bề mặt vật hình thành nên mối liên kết hấp thu bề mặt. Hiện tượng hấp thu xảy ra cả trong lòng vật ẩm Xét một vật khi đặt trong môi trường không khí ẩm. Môi trường không khí ẩm được đánh giá bởi nhiều yếu tố: nhiệt độ t, độ ẩm tương đối φ. Nếu vật chưa bão hoà thì bao giờ cũng diễn ra quá trình hấp thu ẩm từ môi trường vào vật. Quá trình hấp thu ban đầu diễn ra mạnh mẽ, sau đó giảm dần và đạt đến trạng thái cân bằng, nghĩa là độ ẩm của vật tăng dần đến độ ẩm cân bằng w cb , ứng với thông số môi trường (t,φ) nào đó. Liên kết thẩm thấu Liên kết thẩm thấu là liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có sự chênh lệch áp suất hơi nước. Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và không làm cho vật biến dạng. Về bản chất, ẩm thẩm thấu trong các tế bào không khác với bình thường và không chứa các chất hòa tan vì các chất hoà tan sẽ không thể khuếch tán vào trong tế bào cùng với nước. c. Liên kết cơ lý
Đây là mối liên kết giữa vật và nước với tỉ lệ không hạn định, được hình thành do sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật. Được chia làm ba dạng: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn, và liên kết thấm ướt. Liên kết cấu trúc Được hình thành trong quá trình hình thành vật (ví dụ như quá trình đông đặc...). Để tách nước trong trường hợp này có thể dùng phương pháp nén ép, làm cho nước bay hơi hoặc phá vỡ cấu trúc vật... Sau khi tách nước, vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất thậm chí thay đổi cả trạng thái pha. 6 φ (%) Đường cong hấp thu đẳng nhiệt w cb = f(ϕ) t = const w cb = 100
w cbgh w cb (%)
Liên kết mao dẫn Nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ như gỗ, vải... Trong các vật thể này có vô số các mô quản. Các vật thể này khi để trong không khí, nước sẽ theo các mao quản xâm nhập vào vật thể. Khi vật thể này đặt trong môi trường không khí ẩm thì hơi
nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao dẫn và theo các mao quản xâm nhập vào vật thể. Tách ẩm liên kết mao dẫn bằng phương pháp làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. Vật sau khi tách ẩm mao dẫn nói chung vẫn giữ được kích thước, hình dáng và các tính chất hoá lý. Liên kết dính ướt Được hình thành do nước bám dính vào bề mặt vật với góc dính ướt <90 o C và dính ướt vào nhờ sức căng bề mặt. Ẩm liên kết dính ướt được tách khỏi vật dễ dàng bằng phương pháp bay hơi, đồng thời cũng có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm... 1.1.3. Phân loại vật liệu ẩm Có nhiều cách phân loại vật ẩm, cách phân loại được sử dụng nhiều trong kỹ thuật là cách phân loại dựa vào các tính chất vật lý của vật thể của A.V. Lưcốp. Theo cách này, vật ẩm được chia làm 3 nhóm: vật xốp mao dẫn, vật keo và vật keo xốp mao dẫn. a. Vật xốp mao dẫn Là vật mà ẩm liên kết với vật liệu chủ yếu bằng mối liên kết mao dẫn, vật có khả năng hút mọi chất lỏng dính ướt không phụ thuộc vào thành phần chất lỏng. Ví dụ như: vật liệu xây dựng, cát thạch anh, than củi,...Trong các vật xốp mao dẫn, lực mao dẫn lớn hơn rất nhiều so với trọng lượng ẩm và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm. Đặc điểm của vật xốp mao dẫn là sau khi sấy khô vật trở nên dòn và có thể bị vỡ vụn thành bột. b. Vật keo Là những vật có tính dẻo do cấu trúc hạt. Trong vật keo ẩm liên kết ở dạng hấp thụ và thẩm thấu. Ví dụ như: keo động vật, vật liệu xenlulô, tinh bột, đất sét,... Các vật keo có đặc điểm chung là có liên kết mạnh giữa nước và vật keo và khi sấy bị co ngót khá nhiều và vẫn giữ được tính dẻo. c. Vật keo xốp mao dẫn Là vật thể mà trong đó tồn tại ẩm liên kết có trong cả vật keo và vật keo xốp mao
dẫn. Các vật keo xốp mao dẫn có: gỗ, than bùn, các loại hạt và một số thực phẩm. Về cấu trúc các vật này thuộc loại xốp mao dẫn nhưng về bản chất lại là các vật keo. Đặc điểm vật keo xốp mao dẫn là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các 7
