Влияние температуры на структурообразование формованного торфа Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

-------------------------------------- © А.Е. Афанасьев, Е.А. Демин,

В.В. Туровская, 2007

УДК 66.040.262/.263:552.577

А.Е. Афанасьев, Е.А. Демин, В.В. Туровская

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ФОРМОВАННОГО ТОРФА

Семинар № 16

Торф, в своем естественном состоянии представляет многокомпонентную, гетерогенную систему, состоящую из растительных остатков, продуктов их разложения (гумуса) и минеральных включений.

Во влагонасыщенном состоянии дисперсная фаза торфа представлена углеводами, гуминовыми кислотами и их солями, восками, битумами, химический состав которых определяется растениями-торфообразователями. Твердые составляющие торфа представляют собой грубодисперсную (растительные остатки), высоко дисперсную (продукты разложения) фракции. Такой сложный и разнообразный состав твердых частиц торфа осложняет интерпретацию физических процессов, протекающих при его сушке.

Частицы торфа можно представить как «рыхлый» с неупорядоченной микроструктурой комплекс. Его молекулы, звенья макромолекул и функциональные группы находятся в движении (диффузное, колебательное, конформационное).

Процесс обезвоживания и усадки частиц торфа определяется размерами пор, изменяющимися в зависимости от внешних и внутренних условий тепломассопереноса. Поэтому в зависимости от того, как будет протекать процесс образования пространственных структур в неоднородных объемнонапряженных, подверженных сушке гетерогенных коллоидных каппи-лярнопористых телах (ККПТ), можно

получить продукцию различного ка-чесва.

Качество готовой кусковой, гранулированной и др. продукции из торфа определяется его физико-механическими и водными свойствами: предельной прочностью структуры на сжатие (изгиб, растяжение), крошимо-стью, плотностью, влагосодержанием и т.д. Способы управления структурообразовательными процессами при сушке ККПТ сводятся как к физикомеханическому воздействию на твердую, жидкую, газообразную фазы, так и в целом на всю трехфазную систему с переводом ее в двухфазное состояние.

Изменяя исходные характеристики торфа (размер частиц, дисперсность, условную удельную поверхность, размеры кусков торфа и т.д.) с последующим применением различных технологических схем сушки можно получать продукцию различного качества.

Одним из важных физико-механических свойств кускового торфа является его прочность. Прочность характеризует одно из практических свойств твердых тел. Она определяет способность этих тел сохранять целостность под действием внешних механических нагрузок. Оптимум прочностных характеристик торфа имеет место при определенной влажности. Положение максимума на кривых прочности торфа от его влагосодер-жания проявляется только при жестких условиях сушки, объясняется раз-

витием неоднородного объемнонапряженного состояния и масштабным фактором системы при различном физическом механизме внутреннего тепло- и массопереноса в поверхностных и внутренних слоях формованной продукции из торфа. Следовательно, в таких природных системах необходимо учитывать не только силовые поля и их изменение в процессе сушки пористых тел, но также и физико-химические свойства дисперсионной среды.

Впервые связать физико-механи--ческие свойства торфа с его влагосо-держанием удалось С.С. Корчунову. Он показал, что предельную прочность (НО структуры на растяжение кускового торфа, при мягких режимах сушки, определяют из эмпирического уравнения вида:

Н = Но ехр( - Щ), (1)

где X =-

p - к

v

с - у

коэффициент уп-

связь между структурообразованием, характеристиками KKnT и процессами тепло- и массообмена.

Работы перечисленных ученых показали, что остаются не раскрытыми характеристики структурообразова-ния в зависимости от температуры сушимой продукции. Этот вопрос рассмотрен в работах А^. Афанасьева, который создал энергетическую теорию структурообразования [1, 2]. В частности им показано, что зависимость прочности материала от влаго-содержания и температуры выполняется из следующего соотношения:

R R \ E 0 -а- W

Ri = R0T exp 0

R - T

Е (W)

(2)

= R - T.

и связь коэффициентов ROT, E0, d с

Row и X:

Kmu = KT учз^0 . K*E)6 (3)

я = -

а

dE (W) 1

рочнения структуры, зависящий от плотности твердой фазы р, плотности сухого торфа во влажном состоянии уо, коэффициента усадки к и уплотнения с, определяемого по компрессионной кривой. Теоретически это уравнение получено А.Е. Афанасьевым в [1].

Анализ этого уравнения показывает, что по полученной зависимости оценивается прочность торфа только для изотермических условий сушки. При этом остается невыясненным физический смысл коэффициента Н0.

Анализом процессов структурообразования и методами их оценки занимались многие ученые: Н.И. Гамаюнов, Н.В. Чураев, И.И. Лиштван, С.С. Корчунов, Е.П. Семенской, С.Г. Солопов и многие др. [1, 2]. Эти результаты показали, что нет единого подхода, устанавливающего взаимо-

R* - T dW R* - T

(4)

где Нот - начальная прочность структуры материала при энергии активации процесса разрушения Е(Ш)=Е0 -а Ш=0, т.е. когда потенциальная энергия взаимодействия, Е0 (Дж/моль), равна энергии разрушения а Ш (Дж/моль) системы; а - удельная

Дж

энергия разрушения,

моль •

кг(в)

кг(с)

; W

- влагосодержание торфа, кг(в) / кг(с); X - коэффициент структурооб-1

разования, ------------- , имеющий

кг(в)/кг(с)

смысл относительной удельной энергии активации процесса разрушения (см. формулу (4)), что отличает его от трактовки С.С. Корчунова; НТ - тепловая энергия системы, Дж/моль; Н -

универсальная газовая постоянная, Дж/моль К; Него - максимальная прочность (на сжатие), Н/м2, кусков при Ш; = 0; Т - температура в К.

Анализ формул (2), (3), (4) показывает, что характеристики (Н0Ш, X) = К 1/Т), а коэффициент а пропорционален Т. Причем эти коэффициенты не зависят от влагосо держания, а Н является функцией влагосодер-жания и температуры. Следовательно, чем больше Ш и Т, тем меньше прочность структуры кусков из-за уменьшения числа связей Ы, их прочности связи Р (вида связи): молекулярные связи Ван-дер-Ваальса или водородные Н-связи. Причем первые отвечают за первый, а вторые за второй период структурообразования, неодинаково проявляющихся в этих периодах из-за возникающих дефектов структуры (по А.Е. Афанасьеву [1, 2]). Согласно теории Дерягина Б.В., Нерпина С.В., Чураева Н.В. водородные связи исчезают в реальных пористых телах при Т > (338-343) К [3]. Это обстоятельство приводит к однопериодному процессу структурообразования и соответствующему изменению коэффициентов структурообразования: Н0Ш, X, а , что ранее для торфяных систем не рассматривалось. Поэтому в работе приводится, именно, прочность структуры формованного торфа в зависимости от температуры и плотности сухой части торфа.

Методика проведения исследования

Формуются образцы мелкокускового торфа (тип: верховой, вид: пу-шицево-сфагновый, степень разложения Н = 21 %) в специальном формующем устройстве. Образцы изготавливаются диаметром 40 мм длиной 50 мм из переработанной торфяной массы.

Сформованные образцы взвешиваются с точностью до 0,1 г, измеряют их диаметр и длину с точностью до 0,1 мм. Образцы укладывают на поддон для сушки. В процессе опыта образец торфа взвешивают и измеряют его геометрические размеры: диаметр (в трех сечениях); длину в наиболее характерных направлениях (2 замера). В каждом сечении диаметр измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Фиксируют температуру и относительную влажность воздуха.

Влагосодержание образца Ш;

(кг/кг) в процессе сушки определяют расчетным путем по формуле:

ш.

Ш. =—^ -1 1 ш„

(5)

где ш. - масса торфа в момент взвешивания, кг; шс - масса абсолютно сухого вещества, кг.

Массу абсолютно сухого вещества определяют по формуле:

ши

1 +

(6)

где шн - масса куска торфа при начальном влагосодержании.

На основании экспериментальных данных строятся зависимости: кривые сушки, кривые скорости и интенсивности сушки.

Опыт проводится при конвективном (р = 70 %, 1 = 20 0С) и радиационно-конвективном теплоподводе (Р = 55 %, 1 = 30,50,70 0С в сушильных шкафах). Прочность рассчитывалась по формуле:

{• п

Н1 =■

Б ’

(7)

где Б - площадь сечения куска; п -число делений индикатора; { = 6,71 Н/дел.

шс =

у = -2,0658х + 9,593

кг/кг

W,кг/кг

Рис. 1, а, б. Зависимость логарифма прочности от влагосодержаиия; 1,2 - периоды структурообразования. (Т = 303 К (а), Т = 343 К (б))

а)

б)

Г<

( 1 ^

Рис. 2, а, б. Зависимость Н! = / — при Т = 303 К (а) и Т = 343К (б); 1,2 - пе-

[Гс

риоды структурообразоваиия

Образцы торфа вырезались из средней части кусков длиной 1 = = 1,5<<н. Относительная погрешность составила около 5 %.

Для установления взаимосвязи структурообразования и процесса сушки строят зависимости Н = =«Т, Ш).

Анализ графиков подтверждает исследования [1, 2] с соответствующим периодом структурообразования: 1 - преобладают связи Ван-дер-

Ваальса, 2 - проявляются водородные связи. Причем второй период вырождается с ростом Т > 343 К (рис. 1, б).

Рис. 3. Изменение Л1= / (Т) (а) и а = / (Т) (б); 1 - а1; 2 - а2.

Вырождение второго периода следует из анализа графиков к. = f^ ^,

показанных на рис. 2, а, б.

С увеличением Т точка перегиба несколько смещается в сторону Ш или

—. При этом коэффициенты струк-

Гс

турообразования X и а также зависят от Т (рис. 3, а, б). При этом разность

1. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообра-зования в технологии торфяного производства. - М.: Недра, 1992. - 288 с.

2. Афанасьев А.Е. Структурообразова-ние коллоидных и капиллярно-пористых тел

(АЛ = Л2 - Л1) стремиться к нулю при Т = 343 К, а коэффициенты ах и а2 практически сходятся в одной точке (Тк = 343 К). Эти обстоятельства подтверждают исследования [3] и показывают на изменение процесса струк-турообразования с ростом Т.

Поэтому использование зависимостей (2) возможно и при более высоких Т (Т > Тк) с учетом однопериодного процесса структурообразования.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

при сушке: Монография. - Тверь: ТГТУ, 2003. - 189 с.

3. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муклер В.М.Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985. - 398 с.

— Коротко об авторах-------------------------------

Афанасьев А.Е., Демин Е.А., Туровская В.В. - Тверской ГТУ.