Uscarea

I. CONSIDERAŢII TEORETICE

Uscarea este operaţia unitară de transfer bazată pe difuziunea lichidului dintr-o mixtură solidă înspre aerul atmosferic. în studiul ingineriei mediului uscarea intervine în faza de depozitare a deşeurilor solide, la recuperarea unor lichide cu potenţial poluant din materiale absorbante, în etapele de degajare a unor poluanţi din materialele în care au fost captate etc. Datorită specificului obiectului de studiu al ingineriei mediului, agentul de uscare este aerul atmosferic, iar de multe ori materialul uscat este nămolul generat de staţiile de tratare sau deseurile depozitate în halde. Din această cauză, din punct de vedere tehnologic există puţine opţiuni în eficientizarea operaţiilor. Din punctul de vedere al utilizării surselor alternative de energie, uscarea este o fază principală în lanţul tehnologic.

In termeni curenţi, uscarea este operaţia de îndepărtare a apei dintr-un amestec solid prin aport de căldură şi îndepărtarea vaporilor generaţi.

Termenul de evaporare deseamnează trecerea unui lichid în stare de vapori la presiuni şi temperaturi sub cele normale de fierbere. Vaporizarea este trecerea unui lichid în stare de vapori la temperatura de fierbere corespunzătoare presiunii de lucru. Ambele operaţii solicită absorbţie de căldură latentă. Din variaţia căldurii latente cu temperatura rezultă că evaporarea necesită întotdeauna mai multă căldură decât vaporizarea, deoarece se execută la temperaturi inferioare celei de saturaţie. In schimb, forţa motrice la evaporare, diferenţa între temperatura materialului şi a agentului de uscare, este mult mai mică decât la vaporizare. Evaporarea este un proces natural şi respectă legea entropiei pe când vaporizarea este "forţată" adică poate fi controlată tehnologic. Termenul de umiditate se referă la cantitatea de lichid din materialul solid, iar cel de umezeală se referă la cantitatea de vapori de lichid din aer.

Operaţia poate fi numită uscare naturală, dacă se utilizează aerul în condiţii atmosferice şi uscare artificială, când apare controlul temperaturii şi umezelii aerului de uscare. Factorii de care depinde uscarea sunt legaţi de material, agentul de uscare şi operaţia de uscare.

După modul în care este legată apa de materialul solid se poate deosebi:

- apa legată chimic, prin legături covalente sau ca apă de cristalizare. Aceasta nu se poate îndepărta prin uscare fără să afecteze structura chimică a materialului, care-şi pierde astfel calităţile şi compoziţia iniţială.

- apa legată fizico-chimic, prin legături de tip van der Vaals, electrostatice, de tip London sau de dispersie. Se distinge aici apa legată adsorbtiv, fenomen care are loc cu degajare de căldură, efect termic ce se diminuează cu creşterea cantităţii de apă legată. Această apă este plasată sub forma unor straturi moleculare pe suprafeţele exterioare ale solidului. Când efectul termic al adsorbţiei se anulează, apa impregnează interiorul solidului şi începe legarea apei prin osmoză. Efectul osmozei este gonflarea materialului fără să apară efecte termice, cu plasarea lichidului în micele, membrane sau alte structuri supramoleculare interne. Dacă materialul poate forma geluri, apa se leagă structural de solid.

- apa legată mecanic poate fi captată de material prin capilaritate sau prin adeziune.

Indiferent de forma de legare a lichidului, umiditatea se prezintă în material sub două forme: liberă şi higroscopică. Umiditatea liberă se îndepărtează prin evaporare liberă până la punctul de echilibru cu umezeala aerului. Umiditatea higroscopică se poate îndepărta prin încălzirea materialului, dar dacă acesta se răceşte în aer liber, va adsorbi apa din mediul înconjurător până la restabilirea echilibrului.

Fig.1 Diagrama de echilibru a umidității

Este clar că gradul de umiditate sau de "uscare" a unui corp depinde de starea de umezeală a aerului sau a gazului care provoacă uscarea. Starea de umezeală a aerului depinde de o serie de factori fizico-meteorologici locali depinzând atât de timp, vreme şi situaţia meteorologică momentană, cât şi de plasarea topografică şi în sens mai general, geografică. O primă reprezentare a comportării ansamblului de parametri de care depinde umezeala aerului este aşa zisa diagramă i - x. în diagramă sunt reprezentate dependenţele umidităţii absolute, relative şi presiunea parţială a vaporilor de apă în funcţie de temperatura amestecului de aer şi vapori de apă, la o presiune apropiată de cea atmosferică normală.

Fig. 2. Diagrama i-x a aerului umed

II. RELAŢII DE CALCUL

Cinetica uscării descrie fenomenologia de îndepărtare a umidităţii unui material în timpul de derulare al procesului. Să considerăm un vas cu secţiune constantă în care există un solid umectat de atâta apă încât să-1 acopere total. Dacă peste vasul cu material trece un curent de aer cu caracteristici constante: debit, viteză, temperatură, umiditate relativă, o parte din apa din vas se evaporă trecând în curentul de aer. Datorită caracteristicilor constante ale sistemului, vasul cu material umed primeşte un debit termic constant, căldură care va evapora un debit constant de umiditate. Este perioada de uscare cu viteză constantă, (perioada întâi de uscare), timp în care apa doar se evaporă superficial, de la suprafaţa liberă a lichidului înspre aer, conform relaţiei:

în care U este cantitatea de umiditate, [kg], evaporată în timpul τ, [s];

ku este coeficient de transfer de masă, [kg/m2 s]; A este suprafaţa de transfer, [m2];

xs, x sunt umezeala de saturaţie, respectiv cea curentă a aerului de uscare, [kg/kg], iar cantitatea de apă evaporată se deduce din bilanţul de materiale: d U = - G d(u – uc );

G este cantitatea de material solid, [kg]; u şi uc fiind umidităţile la un moment dat şi cea critică, [kg/kg].