afanasev_a_e_fizicheskie_processy_torfyanogo_proizvodstva

Федеральное агентство по образованию

Тверской государственный технический университет

Петровская АН и И (Тверское отделение)

А.Е. Афанасьев

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ТОРФЯНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ПРАКТИКУМ

Издание первое

Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по основной образовательной программе подготовки магистра 550604 «Технология и комплексная механизация торфяного производства» направления подготовки магистров «Горное дело»

Тверь 2005

2

УДК 536.423.1: 622.331(075.8)

ББК 26.343.4

Афанасьев А.Е. Физические процессы торфяного производства: Практикум. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2005. 208 с.

Предназначено для магистрантов по направлению 550600 «Горное дело» магистерской программы 550604 «Технология и комплексная механизация торфяного производства», изучающих дисциплину «Физические процессы торфяного производства». Может быть использовано и студентами, обучающимися по специализации «Разработка торфяных месторождений» специальности 090500 «Открытые горные работы», изучающих дисциплину «Технология полевой и искусственной сушки торфа», а также аспирантами, докторантами и специалистами в области торфяного и сапропелевого производства и смежных с ними областях.

Включенные в практикум вопросы и задачи, в основном, согласованы с соответствующими главами курса общей физики, учебного пособия «Технология полевой сушки торфа» (Антонов В.Я., Малков Л.М., Гамаюнов Н.И., 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1981. 239 с.), практикума по полевой сушке торфа (Афанасьев А.Е., Болтушкин А.Н., Малков Л.М. Учебное пособие /Под ред. А.Е. Афанасьева. Калинин: КГУ, 1988. 96 с.), монографий (Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. «Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства». М.: Недра, 1992. 288 с.; Афанасьев А.Е. «Структурообразование коллоидных и капиллярно-пористых тел при сушке». Тверь: ТГТУ, 2003. 189 с.) и других работ в области тепломассопереноса и структурообразования влажных материалов.

Работа подготовлена на кафедре «Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений» Тверского государственного технического университета на основе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором и его школой и апробированных им при разработке и чтении (с 1997 г.) одноименной дисциплины для магистрантов кафедры ТКМ РТМ.

Рецензенты: генеральный директор НЦ «Радченкоторф», доктор технических наук профессор В.П. Круглов; заведующий кафедрой физической химии Тверского государ-

ственного университета, доктор химических наук профессор Ю.Г. Папулов.

ISBN 5-7995-0312-0	© Тверской государственный
	технический университет, 2005

3

ВВЕДЕНИЕ

Добыча, производство продукции и переработка торфа, сапропеля и их композиций относятся к сложным физико-химическим и технологическим процессам, базирующимся на научных основах физико-химической механики дисперсных материалов, учитывающих особенности изменения структуры влажных материалов при сушке. Последние обусловлены огромным количеством воды ( е = 92–96 %) в естественном состоянии, когда для получения продукта требуется удалить до 5 – 7 кг влаги (полевые условия). При переработке торфа на брикеты условной влагой у = 40 % удаляется до 0,5 кг прочносвязанной с твердой фазой влаги (заводские условия), а при получении торфяных плит сухого прессования необходимо удалить до 0,8 кг. Причем удаление влаги связано с оптимизацией процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного и сапропелевого производства, активно изменяющих свойства твердой фазы (прочность R i, плотность i, крошимость, влагосодержание W, устойчивость к внешним воздействиям и др.) из-за интенсивно протекающей усадки под действием капиллярно-осмотических сил. Последние создают объемнонапряженное состояние, которое при неравномерной (особенно жесткой) сушке приводит к растрескиванию сформованной продукции и последующему ее разрушению.

Торф в своем естественном состоянии представляет многокомпонентную, гетерогенную систему, состоящую из растительных остатков, продуктов их разложения (R т, гумуса) и минеральных включений. С ростом степени разложения размер частиц и пор уменьшается. Система становится более коллоидной. С уменьшением степени разложения размер частиц и пор растет, система стремится к однородным, но более грубым, чем в первом случае, дисперсным системам. Поэтому торф относится к коллоидным капиллярно-пористым телам (А.В. Лыков). Элементом структуры материала служит ассоциат (микроили макроагрегат), в нашем случае – первичное объединение молекул («зародышей» с позиции модельных представлений о структуре торфа). Комбинация последних в пространстве и во времени создает крошкообразную (кубическая упаковка) или формованную (гексагональная упаковка частиц – агрегатов) продукцию.

С позиции внутреннего тепломассопереноса макротело представляет сложную капиллярно-пористую систему, состоящую из пористых частиц с соответствующим распределением пор. Так что общая пористость n макротела складывается из пористости частиц n 1 и межчастичного пространства n 2, n = n 1 + n 2, а энергия связи Е i (i = 1, 2) влаги с твердой фазой соответственно определяется радиусом ri пор и физико-химическими свойствами твердой и жидкой фаз.

4

Поэтому в процессе сушки сначала обезвоживаются крупные (Е 1), а затем узкие (Е 2) поры, так как Е 1 Е 2, вследствие переноса влаги в виде диффузии пара и жидкости (капиллярно-пленочный механизм массопереноса). Чем выше энергия связи Е (градация П.А. Ребиндера, М.П. Воларовича, Н.В. Чураева), тем больше вероятность переноса влаги в виде пара (А.Е. Афанасьев, Н.В. Чураев, Н.И. Гамаюнов).

Рассматриваемые подходы относятся и к сапропелям, которые с позиции коллоидной химии представляют собой смесь органического вещества с остатками водных организмов и минеральных компонентов, залегающих на дне озер (озерные) и под слоем торфяной залежи (погребенные).

Сапропели содержат до 85 – 90 % зольных элементов. Размер частиц колеблется от 5 до 300 мкм, а сами частицы обладают высокой ионообменной активностью (М.З. Лопатко, М.В. Попов) и полидисперсностью с различной гидрофильностью твердой фазы. При сушке влажный сапропель переходит в твердообразное состояние с капиллярно-пористой структурой. Из-за своего пограничного состояния погребенные сапропели имеют физи- ко-химические свойства, характерные как для торфяных залежей, так и минеральных подстилающих грунтов.

С позиции градации влажных пористых тел по А.В. Лыкову все дисперсные материалы разделены на три группы:

–коллоидные (гелеобразные системы). При сушке подвержены усадке и образуют капиллярно-пористые тела (желатин, агар-агар, сапропель, илы, торф высокой степени разложения, мучное тесто и др.);

–капиллярно-пористые (все дисперсные материалы с жесткой структурой). Усадка практически отсутствует независимо от содержания влаги (кварцевый песок, гравий, щебень, древесный уголь, силикагель и др.);

–коллоидные капиллярно -пористые тела. Обладают свойствами первых двух (торф, грунты, почвы, каменный уголь, бумага, ткани, кожа, зерно, древесина, глины и др.).

Градация позволяет использовать одни и те же законы теплопереноса

иструктурообразования для материалов одной группы при оценке качественных характеристик готовой продукции. Различие материалов оценивается коэффициентами, входящими в уравнения переноса тепла и влаги, а также при определении прочности, крошимости и устойчивости макротела к внешним и внутренним воздействиям.

В практикуме даются теоретические разделы с практическим решением примеров и задач, позволяющих закреплять теоретический курс на основе физико-математического анализа, полученных расчетных уравнений, и их интерпретация применительно к конкретным технологическим процессам производства продукции. Поэтому сначала рассматриваются важнейшие для понимания физики протекающих процессов и методики их

5

оценки физические основы молекулярно-кинетической теории и термодинамики (идеальные и реальные газы, насыщенные пары и жидкости, твердые тела). Особое внимание в теоретическом плане уделяется твердым дисперсным материалам, которые, как правило, служат моделями структуры для коллоидных капиллярно-пористых тел. Основными являются разделы, рассматривающие торф и сапропель с учетом изменения метеорологических факторов погоды и их влияния на сушку и структурообразование, условия их оптимизации. Рассматриваются вопросы взаимосвязи процессов сушки и структурообразования, энергетическая теория структурообразования и ее технологические приложения при получении разнообразной продукции. Такой подход построения практикума позволяет в современных условиях развивать аналитические способности и практическое мышление студентов. Даются вводные пояснения и указания к теоретическому смыслу задач, примеры решения и ответы к задачам, различный вспомогательный и справочный материал.

Автор примет с благодарностью принципиальные замечания и полезные советы в связи с дальнейшим улучшением учебного пособия и выражает признательность доцентам О.С. Мисникову, О.В. Пуховой, аспирантам, магистрантам и студентам старших курсов специальности ОГР, а также преподавателям и сотрудникам кафедры ТКМ РТМ, где было подготовлено учебное пособие, за внимание и помощь в оформлении работы.

6

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО – КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1. Идеальные газы. Уравнения состояния

При изучении процесса сушки и структурообразования торф и сапропель рассматриваются как трехфазные системы. Их объем складывается из объемов сухого вещества (Vc), жидкой воды (Vв) и газов (Vг) . В начале процесса сушки объем газов стремится к нулю, Vг 0, а в конце – Vг max при Vв 0 и уменьшении Vс до определенного конечного состояния Vк, определяемого режимом сушки и разновидностью материала.

Массу образца m можно представить как сумму масс воды mв и сухого

вещества mс. Пренебрегая массой газа (mг 0), имеем
m mв mc .	(1.1)

В процессе сушки и увлажнения mc=const.

При получении продукции из торфа и сапропеля процессы сушки и связанные с ними процессы структурообразования разыгрываются в каждой из трех фаз (газообразной, жидкой, твердой), находящихся в физикохимическом взаимодействии, описываемых различными физикоматематическими моделями.

В процессах, происходящих в газовой фазе (влажный воздух), как правило, используется уравнение для идеальных газов. С повышением давления P и уменьшением температуры T наблюдается отступление от уравнения. В этом случае используется уравнение для реальных газов, связывающих между собой параметры состояния (P, V, T).

Идеальные газы подчиняются уравнению Клапейрона-Менделеева

				PV		m	R*T ,		(1.2)
						μ
	где	m		– число киломолей,	кмоль; –			масса одного киломоля газа,
		μ
	кг/кмоль;			R* – универсальная		газовая		постоянная,	R*= 8,31·103

Дж/кмоль·К; T – абсолютная температура, К; P – давление, Н/м2 = Па;V – объем газа, м3.

Для влажного газа давление P можно записать, согласно закону Даль-

тона для смеси газов, в виде
P eсв e Pсв Pп ,	(1.3)

где есв (Рсв), е (Рп) – соответственно парциальные давления сухого воздуха

иводяного пара согласно принятому в метеорологии обозначению.

Винженерной практике уравнение (1.2) обычно приводится к виду

P RT ,

(1.4)

			7
	где	V	– удельный объем газа, м3/кг; R	R*	– удельная газовая посто-
		m		μ

янная, Дж/кг·К. Для	пара		Rп = 462 Дж/кг·К,
Rсв = 287 Дж/кг·К. Для влажного воздуха R ≡ Rвв
уравнения [6]
R		Rсв	d Rп	R (1 0,608d ) ,
вв		1 d		св

где d mп – влагосодержание воздуха, кг(п)/кг(св).

mсв

для сухого воздуха можно рассчитать из

(1.5)

В уравнении (1.2) V и P в зависимости от абсолютной шкалы температур T меняются согласно закону Гей-Люссака:

			V αV0T	(P сonst) ,			(1.6)
			P αP0T	(V const) ,			(1.7)
	где α	1	К-1 = const. Так как T t 273,15 t			1	, то уравнения (1.6) и
		273,15				α
	(1.7) можно		записать для данной шкалы		температур (Цельсия):
	V V0 (1 α t)		и P P0 (1 α t) , где V0 – объем при 0˚С; P0 – давление при

0˚С. Объем моля газа при нормальных условиях (t = 0˚C, P = 1,013·105 Па = =1 атм = 760 мм рт. ст.) составляет 22,4 л/моль или 22,4 м3/кмоль и содержит 2,68·1025 1/м3 (число Лошмидта).

1.2. Основное уравнение кинетической теории газов

Основное уравнение кинетической теории газов для давления имеет вид

P	1	n m v2 .	(1.8)
	3

Для поступательного движения кинетическая энергия одной молеку-

лы ε m v2 . Подставим ее в уравнение (1.8) и получим

2

P 23 nε .

Для системы молекул принимается среднее значение ε m v 2 , т.е.

2

	P	2	n	m v 2
					,	(1.9)
		3		2
	где m – масса молекулы, кг; v	– средняя квадратичная скорость молеку-

лы, м/с; n – число молекул в единице объема. Умножим (1.9) на объем киломоля Vкм:

8

PV

2

nV ε ,

км

3

км

где nV

N

(NA – число Авогадро);

2

N

ε R*T

, т.к.

PV R*T

для

A

A

км

3

км

ν = 1 кмоль, то

ε

3

k T ,

(1.10)

2

где k

R*

= 1,38·1023 Дж/К – постоянная Больцмана.

NA

Следовательно, средняя энергия движения молекул пропорциональ-

на температуре. Этот вывод справедлив для любого состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное) и не зависит от массы молекул. Учитывая,

что R* N		k ,	N A	n , получим
	A
		Vкм
				P n k T ,	(1.11)

из которого и следует уравнение (1.3).

Наряду с поступательным движением (уравнение (1.10)) возможны вращение молекул, колебания атомов, входящих в состав молекулы, опре-

деляемых степенями свободы. Последние означают количество незави-

симых переменных i, с помощью которых может быть задано положение системы.

Значение ε тем больше, чем сложнее молекула и больше i. Причем колебательная степень свободы имеет вдвое большую ε по сравнению с поступательной или вращательной из-за наличия потенциальной энергии. Поэтому на каждую степень свободы приходится в среднем две половинки kT – одна в виде кинетической энергии, другая в виде потенциальной.

Таким образом,

	ε	i	k T ,	(1.12)
		2

i nпоступ nвращ 2nколеб .

Для жесткой связи атомов в молекуле i совпадает с числом степеней свободы молекулы.

1.3. Энергия теплового движения молекул (внутренняя энергия) идеального газа

Энергия теплового движения молекул (внутренняя энергия) идеального газа складывается из энергий отдельных молекул. Поэтому для одного киломоля она равна Uкм NA ε . С учетом формулы (1.12) получим

9

U

i

R*T .

(1.13)

км	2

Для ν киломолей формула (1.13) записывается в виде

Uкм mμ 2i R*T ,

где m – произвольная масса газа.

1.4. Теплоемкость

Теплоемкость C по определению [1-5] равна количеству подведенного тепла dQ, изменяющего температуру тела dT на один градус (Дж/К),

C dQdT . В случае киломоля вещества С измеряется в Дж/К·кмоль. Удель-

ная (с) теплоемкость приводится к единице массы вещества (Дж/кг·К). Между (С) и (с) существует связь:

c	C	.	(1.14)
	μ

Теплоемкость Сv при постоянном объеме V = const. Согласно первому началу термодинамики, тело не совершает работы над внешними телами и все тепло идет на приращение внутренней энергии (dQ = dU) и

C

dU

.

(1.15)

V dT

Для одного киломоля Сv определяется дифференцированием (1.13):

C			i	R* .	(1.16)
	V
		2
Тогда внутренняя энергия определится как
dUкм CV dT .					(1.17)

В случае постоянного давления газ будет расширяться, совершая работу над внешними телами. Поэтому для повышения T на один градус потребуется больше тепла, чем в первом случае (1.16). Значит, теплоемкость при P = const должна быть больше, чем при V = const.

Из первого начала термодинамики для киломоля газа

		dQP dU км P dVкм							(1.18)
следует, что
C			dQP		dU км P dVкм			,	(1.19)
	P
			dT		dT
или
					dV
		CP CV P				км	.		(1.20)
						dT	P

10

Заменяя V	R*T	и дифференцируя по T, получим
км	P
которое подставим в (1.20):
		CP' CV'	R* .

dVкмdT P

R* , P

(1.21)

С учетом формулы (1.16) можно получить для СР выражение

C '		i	R* R*	i 2	R* .	(1.22)
P	2		2

Поделив (1.22) на (1.16) находим для каждого газа соотношение

		CP		i 2	,	(1.23)
		CV		i

которое принимает значения [2, эксперимент] для газов:

гелий (He), γ =1,67;

кислород (О2), γ =1,40; окись углерода (СО), γ =1,40; пары воды (Н2О), γ =1,31.

	Соотношение	CP	должно быть кратным	R*	, т.к. число степеней сво-
		CV		2

боды i может быть только целым. Оно зависит от температуры и объясняется с позиции квантовой механики [2].

Пример. Для одноатомного газа i = 3, R* = 8,31 Дж/моль·К,

CV 32 8,31 12,5Дж/(моль К), CP 12,5 8,31 20,8 Дж/(моль К) ;

двухатомного газа i = 5,

CV 52 8,31 20,8 Дж/(моль К), CP 20,8 8,31 29,1 Дж/(моль К) ;

многоатомного газа i = 6,

CV 62 8,31 24,9 Дж/(моль К), CP 24,9 8,31 33,2 Дж/(моль К) .

1.5. Распределение молекул газа по скоростям

Распределение молекул газа по скоростям из закона Максвелла, который позволяет найти число молекул n с относительными скоростями

u	v	, лежащими в интервале от u до u + u:
	vв
		n	4			n e-u2 u2 u ,	(1.24)
				π