Способ определения фракционного состава влаги в материалах

Изобретение относится к способам определения фракционного состава влаги в материалах. В способе, основанном на помещении образцов влажного вещества в газообразную среду с заданной относительной влажностью и температурой, новым является то, что образец влажного материала помещают в печь дериватографа и по результатам дериватографического анализа строят зависимость логарифма скорости обезвоживания от обратного значения абсолютной температуры образца, определяют точки излома на полученном графике и соответствующие значения убыли влаги на дериватограмме. Технический результат - сокращение длительности и повышение надежности определения фракционного состава влаги в материалах при фиксированном влагосодержании вещества. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к способам определения фракционного состава влаги в материалах и может быть использовано в научных исследованиях сушки веществ, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Ближайшим аналогом изобретения является метод, основанный на снятии кривых сорбции и десорбции (Гинзбург А.С., Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов: Справочник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, - с.43-59, - 280 с.).

Данный метод имеет существенные недостатки, обусловленные длительностью экспериментов, которая в отдельных случаях составляет более 30 дней. При такой продолжительности в продукте могут происходить физико-химические изменения, которые значительно снижают точность измерений. Кроме того, процессы сорбции и десорбции при снятии этих кривых являются изотермическими и равновесными, что существенно отличает их от условий реального процесса сушки.

Технической задачей изобретения является сокращение длительности и повышение надежности определения фракционного состава влаги в материалах при фиксированном влагосодержании вещества.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения фракционного состава влаги в материалах, включающем помещение образца влажного вещества в среду с заданной относительной влажностью и температурой, новым является то, что образец влажного материала помещают в печь дериватографа и по результатам дериватографического анализа строят зависимость логарифма скорости обезвоживания от обратного значения абсолютной температуры образца, определяют точки излома на полученном графике и соответствующие значения убыли влаги на дериватограмме, определяют значения влажности вещества на общую массу, соответствующие границам водных фракций, рассчитывают по формуле:

где G - начальное содержание влаги в образце, равное количеству испарившейся влаги за время дерватографического анализа, кг;

ΔG_i - количество испарившейся влаги из образца в рассматриваемой точке излома, кг;

G_н - масса навески, кг,

и выделяют участки, соответствующие водным фракциям, отличающимся величиной энергии активации.

Можно также определять значения влагосодержаний, соответствующие границам водных фракций, по формуле:

где U_i - влагосодержания, соответствующие границам водных фракций, кг влаги/кг сухих веществ;

М - масса сухих веществ в образце, кг.

Воспользуемся теорией Аррениуса о химических превращениях и выразим скорость процесса удаления влаги уравнением:

где f(α) - функция степени превращения вещества;

К₀ -коэффициент, с^-1;

- скорость превращения,

Е=Е_св+r - энергия активации молекул воды, Дж/моль,

где Е_св - энергия связи воды с сухой частью вещества, Дж/кг;

r - теплота парообразования, Дж/кг.

Под α понимается отношение количества распавшегося вещества (в данном случае количество удаленной влаги) за рассматриваемый промежуток времени к количеству распавшегося вещества в конце опыта (в данном случае количество испарившейся влаги в течение всего опыта, равное начальному содержанию влаги в образце).

Прологарифмируем уравнение (3):

Если меняется величина энергии активации молекул воды, то различным значениям энергии активации молекул воды соответствуют различные водные фракции.

На фиг.1 представлены изотермы сорбции влаги кислотным казеином, построенные по данным Г.Р.Цыдендоржиевой (Цыдендоржиева Г.Р. Исследование процесса сушки казеина в виброкипящем слое. Автореф. канд. дис. - М.: МТИПП, 1978. - 24 с.), где 1 - изотерма при температуре 60°С, 2 - изотерма при температуре 40°С; 3 - изотерма при температуре 20°С.

На фиг.2 приведена дериватограмма казеина, снятая при следующем режиме: W_н=56%; навеска образца G=0,300 г; чувствительность: DTA=1/3; DTG=1/10; TG=200 mg; скорость нагрева печи 5°С/мин; продолжительность анализа 50 мин. На основании дериватограммы найдены значения ln υ и 1/Т (где υ - скорость обезвоживания, а Т - соответствующая этой скорости абсолютная температура казеина), которые представим в таблице. По найденным значениям ln υ и 1/Т производим построение кривой зависимости ln υ от 1/Т.

На фиг.3 представлена ломаная зависимости ln υ от 1/Т. Точки излома этой ломаной соответствуют границам водных фракций. Найдем значения и влажности W (%) по формуле (1) влагосодержания U (кг/кг) по формуле (2).

Найдем значения влажности W в точке А:

ΔG(A)=6,3·10^-6 кг;

W(А)=(167-6,3)/300×100=54%,

что соответствует значению влагосодержания U(А)=1,208 кг/кг.

Найдем значения влажности W в точке В:

ΔG(В)=96·10^-6 кг;

W(B)=(167-96)/300×100=24%,

что соответствует значению влагосодержания U(В)=0,534 кг/кг.

Найдем значения влажности W в точке С:

ΔG(D)=138·10^-6 кг;

W(С)=(167-138)/300×100=9,7%,

что соответствует значению влагосодержания U(С)=0,218 кг/кг.

Найдем значения влажности W в точке D:

ΔG(D)=162·10^-6 кг;

W(D)=(167-162)/300×100=1,33%,

что соответствует значению влагосодержания U(D)=0,0376 кг/кг.

По изломам на этой кривой можно выделить пять участков, соответствующих водным фракциям, отличающихся величиной энергии активации. Первый участок, который наблюдается при снижении влагосодержания до 1,208 кг/кг, характеризуется удалением, вероятно, свободной влаги. Второй участок соответствует влагосодержанию в казеине от 1,208 кг/кг до 0,534 кг/кг. Третий участок соответствует влагосодержанию от 0,534 кг/кг до 0,218 кг/кг. Четвертый участок соответствует влагосодержанию от 0,218 кг/кг до 0,038 кг/кг. Началу пятого участка соответствует влагосодержание 0,038 кг/кг, которое, вероятно, характеризуется мономолекулярно-связанной влагой в казеине.

Значение влагосодержания 0,038 кг/кг близко к значению мономолекулярного слоя обезжиренного сухого молока (0,03 кг/кг), которое рассчитано М.Керилом по методу БЭТ (Гинзбург А.С., Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов: Справочник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982 - с.55, - 280 с.).

Преимущества описанного способа перед известным заключаются в том, что, во-первых, условия эксперимента приближены к реальным процессам сушки, так как температурный режим (скорость нагрева) в дериватографе можно варьировать (от 0,5 до 25°С/мин), то есть процесс происходит в неравновесных и неизотермических условиях, подобно процессам, происходящих в промышленных аппаратах; во-вторых, обезвоживание материала в печи дериватографа, как видно из примера, позволяет во много раз сократить длительность эксперимента. Все это позволяет повысить точность и надежность измерений.

Таблица
Продолжительность дериватографического анализа, τ, мин	υ, условные единицы	ln υ	Т,К	(1/Т)×105, K-1
1	2	3	4	5
5,75	2,4	0,875	305,34	327,5
6	3,2	1,18	305,5	327
7	4,2	1,45	310,5	322
8	6	1,8	314,2	318,25
9	7	1,95	318	314
10	8,7	2,17	323,5	309
11	9,5	2,25	325,5	307
12	11,2	2,42	329,5	303,5
13	12,5	2,52	333	300
14	15,6	2,75	340,5	294
15	17,7	2,875	343	291,5
16	20,7	3,0325	348	287
17	24,5	3,2	353	283
18	28,5	3,35	359,7	278
19	33,7	3,52	363	275,5
20	37,5	3,6625	368	272
21	45	3,8	373	2687
22	52,5	396	378	264,5
23	58,7	4,07	383	261
24	63,4	4,15	387,6	258
25	72,5	4,28	390,5	256
26	77,5	4,35	393	254
27	82,5	4,4	400,5	250
28	85	4,44	405,5	247
29	83,7	4,43	410,5	244
29,8	90	4,5	416,7	240
30	75	4,32	418	239
31	55,5	4,016	423	236
32	32,5	3,48	433	231
33	17,7	2,875	441,5	226,5
34	10	2,3	450,45	222
35	5	1,61	463	216
35,3	3,5	1,25	465	215
35,7	2,4	0,875	468,4	213,5

Способ определения фракционного состава влаги в материале, включающий помещение образцов влажного вещества в среду с заданной относительной влажностью и температурой, отличающийся тем, что образец влажного материала помещают в печь дериватографа и по результатам дериватографического анализа строят график зависимости логарифма скорости обезвоживания от обратного значения абсолютной температуры образца, определяют точки излома на полученном графике и соответствующие значения убыли влаги на дериватограмме, определяют значения влагосодержания в материале по характерным изломам на полученном графике, определяют значения влажности вещества на общую массу, соответствующие границам водных фракций, по формуле

W=(100·(G-ΔG_i)/G_H),

где G - начальное содержание влаги в образце, равное количеству испарившейся влаги за время дериватографического анализа, кг;

ΔG_i - количество испарившейся влаги из образца в рассматриваемой точке излома, кг;

G_н - масса навески, кг,

и выделяют участки, соответствующие водным фракциям, отличающимся величиной энергии активации.