Способ среднеинтегральной оценки прочности связи влаги в веществе в любом заданном диапазоне влагосодержаний
METHOD FOR THE AVERAGE INTEGRAL ASSESSMENT OF THE BOND STRENGTH OF MOISTURE IN A SUBSTANCE IN ANY GIVEN RANGE OF MOISTURE CONTENTS

Изобретение относится к способам определения прочности связи влаги с веществом и может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности, а также при изучении гигроскопических свойств влажных материалов.
1
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ определения прочности связи влаги с веществом [Патент № 2230311 РФ, МПК кл.7G01 N 25/56, опубл. 10.06.2004 Бюл.16], заключающийся в том, что предварительно строят графическую кривую изменения влагосодержания вещества от времени при сушке мелкоизмельченного образца в сушильной установке при постоянных термодинамических параметрах парогазовой среды на входе в установку, определяют максимальную скорость сушки N и продолжительности сушки  до соответствующих критическому  и конечному u значениям влагосодержания, а среднеинтегральное значение прочности связи влаги с веществом в диапазоне влагосодержаний , соответствующем удалению связанной влаги, характеризуют величиной относительного эквивалентного влагосодержания  формуле
1
2
-1
где  - критическое и конечное влагосодержание, кг влаги/кг сухих веществ;  - относительное эквивалентное влагосодержание вещества в диапазоне влагосодержаний ; N - максимальная скорость сушки, с;  - продолжительность сушки вещества соответственно до влагосодержания  и u, с.
1
Однако данный способ имеет ряд существенных недостатков: 1. Максимальная скорость сушки, на полученной указанным способом кривой, не всегда соответствует удалению свободной влаги. Если на поверхности вещества находится большое количество слабосвязанной влаги, энергия связи влаги которой практически постоянна, то при постоянном потоке подводимой к веществу энергии на графической кривой, как и в случае удаления свободной влаги, будет наблюдаться линейный характер снижения влагосодержания. 2. Большая группа веществ не содержит свободную влагу, поэтому на их графических кривых не имеется начального линейного участка, что значительно затрудняет определение N и, следовательно,  вносит погрешность в результаты измерений. Поэтому расчетное количество эквивалентного влагосодержания  относится не ко всему диапазону удаляемой влаги в материале (от начального до конечного), а только к диапазону фактически прочносвязанной влаги. Кроме того, величина  может выражать количество не свободной, а слабосвязанной влаги, которое эквивалентно диапазону  прочносвязанной влаги.
Таким образом, известный способ [Патент № 2230311 РФ] не дает интегральную оценку прочности связи влаги в веществе в любом  диапазоне влагосодержаний , в том числе, и для всего диапазона удаляемой при сушке влаги,  а выбранный критерий – , дает сравнительную оценку летучести не свободной влаги, а летучести влаги, удаляемой в начальный период сушки, в сравнении с летучестью прочносвязанной влаги.
Технической задачей изобретения являются определение среднеинтегральной оценки прочности связи влаги в веществе для любого  диапазона  удаляемой при сушке влаги, в том числе и для всего диапазона от начального до конечного влагосодержания, и выбор более надежного критерия оценки прочности связи влаги в веществе.
1
Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе среднеинтегральной оценки прочности связи влаги с веществом, включающем предварительное построение графической кривой изменения влагосодержания вещества от времени при сушке мелкоизмельченного образца в сушильной установке при постоянных термодинамических параметрах парогазовой среды на входе в установку, определение максимальной скорости сушки N и продолжительности сушки до влагосодержаний, соответствующих критическому  и конечному  значениям, и определение среднеинтегрального значения прочности связи влаги с веществом в диапазоне влагосодержаний, соответствующем удалению связанной влаги по величине относительного влагосодержания
,
новым является то, что  предварительно проводят  два эксперимента по сушке образцов вещества в сушилке при постоянных термодинамических параметрах процесса, на основании которых строят две кривые изменения влагосодержания вещества от времени (кривые сушки), причем в первом эксперименте образцом является исходное вещество, а в образец для второго эксперимента добавляют дистиллированную воду так и таким способом, чтобы в нём содержалась свободная влага, но при этом размеры и количество твердых частиц вещества или поверхность испарения пастообразного вещества  были равными первому образцу, затем по кривой сушки второго эксперимента определяют скорость сушки, соответствующую удалению из образца свободной влаги, как тангенс угла наклона прямолинейного участка на верхней части кривой изменения влагосодержания материала к оси времени, по графической кривой сушки первого образца в любом рассматриваемом диапазоне влагосодержаний от  до  определяют продолжительность процесса, а среднеинтегральную оценку прочности связи влаги в веществе в диапазоне влагосодержаний  определяют величиной общего относительного эквивалента свободной влаги  по формуле:
в
-1
где  - начальное и конечное влагосодержание рассматриваемого диапазона, кг влаги/кг сухого вещества;  – общий относительный  эквивалент  свободной  влаги  в  рассматриваемом  диапазоне влагосодержаний;  - продолжительность сушки первого образца вещества при снижении его влагосодержания от  до , с; N - скорость сушки свободной влаги, замеренная по кривой сушки второго образца, с.
Технический результат изобретения заключается в возможности определить среднеинтегральную оценку прочности связи влаги с веществом в любом  диапазоне  влагосодержаний и в надежности критерия оценки прочности связи за счет выбора летучести свободной воды (скорости сушки) в качестве сравнительной оценки среднеинтегральной летучести (среднеинтегральной  скорости сушки) влаги исследуемого вещества при постоянных термодинамических параметрах сушки образцов вещества.
Способ среднеинтегральной оценки прочности связи влаги в веществе в любом  диапазоне влагосодержаний осуществляют следующим образом.
В лабораторную сушильную установку, в которой устанавливаются и поддерживаются на заданном уровне термодинамические параметры процесса, помещают образец исследуемого вещества и подвергают сушке.
В ходе эксперимента непрерывно или через небольшие интервалы времени регистрируют массу (или изменение массы) исследуемого вещества. Длительность процесса проводят с таким расчетом, чтобы из продукта была удалена в полном объеме влага в рассматриваемом диапазоне  влагосодержаний. Далее по полученным результатам вычисляется влагосодержание вещества в определённые моменты времени и строится графическая кривая изменения влагосодержания вещества от времени. По полученной кривой определяют продолжительность сушки  при снижении влагосодержаний продукта от  до . Затем проводят второй эксперимент при тех же термодинамических параметрах и условиях процесса. Но в образец для второго эксперимента добавляют дистиллированную воду так и таким способом, чтобы в нём содержалась свободная влага, при этом размеры и количество твердых частиц вещества или поверхность испарения пастообразного вещества были равными первому образцу. Длительность сушки второго образца  проводят с таким расчетом, чтобы из образца была удалена свободная влага. Аналогично обработке результатов первого эксперимента проводят обработку результатов второго эксперимента и строят вторую кривую зависимости влагосодержания вещества от времени.
Поскольку энергозатраты на испарение свободной влаги являются самыми минимальными в сравнении с затратами на испарение влаги, содержащейся в исходном веществе, то при сушке второго образца из него  в начальный момент прогрева  и в последующие  за прогревом моменты времени будет удаляться свободная влага. Поэтому на верхней части кривой сушки второго образца будет после прогрева наблюдаться прямолинейный участок, соответствующий удалению из вещества свободной влаги. Наличие прямолинейного участка объясняется постоянством энергозатрат на испарение свободной влаги при постоянстве параметров сушки. Тангенс угла наклона этого прямолинейного участка к оси времени определяет скорость сушки свободной влаги при заданных термодинамических параметрах процесса. Тангенс угла наклона определяется как отношение размерных катетов прямоугольного треугольника по формуле
в
-1
где N - скорость сушки свободной влаги, с;  - влагосодержания второго образца, соответствующие началу и окончанию прямолинейного участка, кг влаги/кг сухого вещества;  – длительности сушки, соответствующие началу и окончанию прямолинейного участка на верхней части кривой сушки второго образца, с.
в
в
Если бы за время сушки  первого образца в диапазоне снижения влагосодержаний  из него удалялась бы свободная влага, то её скорость равнялась бы скорости сушки свободной влаги N, так как условия сушки обоих образцов идентичны. Расчетное количество свободной влаги , которое могло бы испариться со скоростью N за время  равно:
Продолжительность сушки  первого образца при снижении его влагосодержания от  до   можно также рассчитать аналитически:
-1
ср
где   - действительная скорость сушки первого образца, как функция влагосодержания, с; N – среднеинтегральная скорость сушки первого образца  при снижении влагосодержания в интервале , кг влаги/кг сухого вещества.
Из уравнения (5) следует:
Величину  в уравнении (4) принято называть общим эквивалентным влагосодержанием вещества в диапазоне влагосодержаний  [Патент № 2230311 РФ]. Эквивалентное влагосодержание – это количество свободной воды, отнесённое к сухой массе вещества, для удаления которой требуется такое же время сушки, что и для удаления из вещества действительного полифракционного состава влаги при снижении влагосодержания от  до  при идентичных условиях процесса. Каждая фракция влаги в веществе характеризуется энергией связи с сухой частью. Поэтому энергозатраты на испарение связанной влаги всегда больше энергозатрат на испарение свободной влаги, поэтому  В связи с этим, среднеинтегральное значение прочности связи влаги с веществом в диапазоне влагосодержаний  в инженерной практике можно характеризовать относительным эквивалентным влагосодержанием [Патент № 2230311  РФ].
Если за эталон сравнения взять эквивалентное влагосодержание свободной воды, рассчитанное по формуле (4), то среднеинтегральную оценку прочности связи влаги в веществе в любом  диапазоне влагосодержаний  можно определить величиной общего относительного эквивалента свободной влаги:
Величина  показывает во сколько раз скорость сушки свободной влаги больше скорости сушки связанной влаги при одинаковых условиях ведения процесса.
1
в
Сравнивая  предлагаемый критерий оценки прочности связи влаги с веществом  с известным критерием  [Патент № 2230311 РФ] не трудно заметить, что величина N, входящая  в критерий , может быть различной  у разных веществ, высушенных при идентичных условиях, и отличаться от N. Поэтому  сравнительная оценка прочности связи влаги у разных веществ по критерию  является  более надежной и объективной, чем по критерию . Кроме того, критерий  в отличие  от  можно применять для оценки прочности связи влаги для любого диапазона влагосодержаний продукта, кроме очень небольшого интервала, соответствующего периоду прогрева.
Способ среднеинтегральной оценки прочности связи влаги в веществе в любом  диапазоне влагосодержаний поясняется следующими примерами.
Пример 1. При разработке рецептуры кондитерских изделий встала задача выбора сахаросодержащего ингредиента из числа разных видов сиропов и патоки, обладающего наибольшей водоудерживающей способностью, чтобы обеспечить наибольший выход продукта и усушка готовых изделий при их хранении была минимальной.
С этой целью необходимо в интервале влагосодержаний от 22 % до 4 % сравнить среднеинтегральную оценку прочности связи  влаги  в трёх продуктах: патоке низкоосахаренной, сиропе сахаро-паточном и сиропе фруктозном.
В качестве лабораторной сушилки выбрали влагомер термогравиметрический FD-610, позволяющий проводить сушку образцов при постоянных заданных термодинамических условиях и фиксировать убыль массы через одну минуту.
2
2
Во всех опытах температура сушки поддерживалась на уровне 170 ± 1 °С. Исходный образец низкоосахаренной патоки имел: массу - 2,02 г, содержание сухих веществ - 81,4 %;  исходный образец сиропа сахаро-паточного  имел: массу - 2,00 г, сухих веществ - 81,3 %; исходный  образец сиропа фруктозного имел: массу - 2,005 г, сухих веществ - 81,4 %. Образцы помещали  тонким равномерным слоем в алюминиевые кюветы цилиндрической формы диаметром 15 мм, устанавливали в прибор и подвергали сушке. Поверхность  испарения равнялась πd/4 ≈ 177 мм.
2
По результатам обработки  опытов построили кривые сушки, приведенные на фиг. 1, по которым определяли продолжительность сушки  первых образцов  указанных веществ при снижении влагосодержания в них от  = 22 % до влагосодержания u = 4 %. Результаты заносили в таблицу.
Для приготовления вторых образцов  в исходные продукты добавляли дистиллированную воду, чтобы содержание сухих веществ стало  40 %. При такой концентрации коллоидные частицы исходного продукта находились  в окружении  толстого слоя молекул влаги. На периферические молекулы влаги этого слоя  коллоидные частицы практически не оказывали никакого воздействия (точнее - очень незначительное). Теплота испарения  этих молекул практически равна теплоте парообразования свободной воды. Вторые образцы продуктов массой: низкоосахаренная патока - 2,01 г; сиропа сахаропаточного  - 2,015 г; сиропа фруктозного  - 2,00 г помещали тонким слоем в алюминиевые кюветы цилиндрической формы  диаметром 15 мм и при вышеуказанных условиях подвергали  сушке во влагомере термогравиметрическом FD-610.
После обработки результатов эксперимента построили кривые сушки вторых образцов исследуемых продуктов, представленные на фиг. 2.
в
Как видно  из фиг. 2, в диапазоне влагосодержаний от 100 % до 50 % на всех трех  кривых  сушки  образцов имеется прямолинейный участок. Слияние прямолинейных участков у всех  трех кривых в одну линию указывает на удаление из продуктов в этот период времени свободной влаги. Рассчитываем по формуле (3) величину N. Результаты заносим в таблицу. По формуле (2) рассчитываем общий относительный эквивалент свободной влаги. Результаты заносим в таблицу.
Анализируя результаты делаем вывод, что в рецептуру кондитерских изделий с длительным сроком хранения, исходя из поставленной цели, следует включить сироп фруктозный.
Пример 2. При разработке технологии сушки семян льна встала задача дать среднеинтегральную оценку прочности связи влаги с материалом в диапазоне влагосодержаний от 12 % до 2 %.
В качестве лабораторной сушилки выбрали влагомер термогравиметрический FD-610. В опытах температура сушки поддерживалась  на уровне  120 ± 1 °С. Исходный образец семян льна укладывали в металлическую  тарелку плотно в один слой. Масса образца составляла   7,440 г, количество семян  1075 шт. Тарелку с образцом помещали  в прибор и согласно инструкции на прибор осуществляли сушку, в процессе которой через каждую минуту фиксировали убыль массы образца. Сушку проводили до тех пор, пока в течение последних 10 мин прибор не фиксировал изменение массы. Конечное значение массы  6,450 г приняли  за количество сухих веществ в образце. Обработав полученные данные, построили кривую сушки семян льна, фиг. 3.
Анализируя  полученную кривую, решили определить среднеинтегральную  оценку  семян льна  как в интервале 12 % - 2 %  влагосодержаний, так и в интервалах 12 % - 7 % и 7 % - 2 %.
Определили по кривой сушки продолжительность  процесса для каждого из указанных интервалов. Результаты  занесли в таблицу. Для приготовления второго образца было отсчитано ровно такое же количество семян льна и непосредственно перед опытом обильно из пульверизатора  их смочили  дистиллированной водой так, что на их поверхности образовалась плёнка дистиллированной воды. После этого второй образец поместили в прибор и при тех же условиях подвергли сушке. Аналогичным образом обработали результаты и построили кривую сушки второго образца семян льна, фиг. 4.
в
В верхней части кривой сушки после периода прогрева семян выделили прямолинейный участок и по значениям влагосодержания и продолжительности сушки, соответствующим концам прямолинейного участка определили  скорость сушки свободной влаги N. Результаты занесли в таблицу. По формуле (2) рассчитали общий эквивалент  свободной влаги в исследуемых диапазонах.
Как видно из таблицы, влагу в семенах льна можно охарактеризовать  как прочносвязанную.  Причем величина  значительно превышает , из чего можно сделать вывод, что при сушке семян льна целесообразно применять двухступенчатый режим.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет дать сравнительную среднеинтегральную оценку прочности связи влаги в различных веществах в любом  диапазоне влагосодержаний.
Предлагаемый способ может быть применен при исследовании гигроскопических свойств веществ, как объектов промышленной переработки или как веществ для специального применения, а также при разработке технологии и техники сушки.
Преимущество описанного способа перед известным заключается в возможности определить среднеинтегральную оценку прочности  связи  влаги  в материале в любом  диапазоне влагосодержаний, кроме очень небольшого  диапазона прогрева, и в выборе  более надежного  и объективного  критерия среднеинтегральной оценки прочности связи влаги в веществе.
Сводная таблица результатов сушки образцов продуктов
на термогравиметрическом влагомере FD-610
№
Названиепродукта
Температура сушки, °С
Диапазон влагосодержаний
<img file="00000033.jpg" he="5" wi="18" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Времясушки1-го образца
<img file="00000034.jpg" he="4" wi="4" img-content="undefined" img-format="jpg" />, с
Влагосодержание2-го образца, %
Времясушки2-го образца, с
Скорость сушки свободной водыN<sub>в</sub>·10<sup>3</sup>, с<sup>-1</sup>
Общийотносительный эквивалентсвободной  воды
<img file="00000035.jpg" he="6" wi="18" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000036.jpg" he="4" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000037.jpg" he="4" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000038.jpg" he="4" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000039.jpg" he="4" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
1
Патока низко-осахаренная
170
22 - 4
165
100
50
152
235
545
4,96
2
Сироп сахаро-паточный
170
22 - 4
325
100
50
152
235
545
9,84
3
Сиропфруктозный
170
22 - 4
1205
100
50
152
235
545
36,48
4
Семенальна
120
12 - 2
630
27,5
17,0
120
240
87,5
5,51
120
12 - 7
150
27,5
17,0
120
240
87,5
2,63
120
7 -2
480
27,5
17,0
120
240
87,5
8,40