Исследование процесса сушки оксигидрата титана

В.А. Тихонов, С.В. Лановецкий, O.E. Ермакова, В.З. Пойлов

Березниковский филиал Пермского государственного технического университета

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ОКСИГИДРАТА ТИТАНА

Исследованы процессы сушки оксигидрата титана в условиях радиационной, конвективной, микроволновой сушки. Показано, что процесс удаления влаги в микроволновой печи протекает в кинетической области, а при радиационном и конвективном удалении воды скорость лимитируется диффузионным переносом жидкости из пор продукта к поверхности высушиваемого материала.

Одной из стадий получения диоксида титана является дегидратация промежуточного продукта синтеза - оксигидрата титана, которая на начальном этапе достигается благодаря высушиванию продукта.

Сушка сочетает в себе процессы тепло- и массообмена [1]. С развитием науки и совершенствованием технологии на смену обычным методам сушки приходят инновационные и более перспективные. Одним из таких методов является сушка в условиях микроволнового (сверхвысокочастотного - СВЧ) излучения. Особенностью микроволновой сушки является то, что тепло проникает в продукт не с поверхности, а образуется внутри, за счет кинетической энергии движения (колебания и сталкивания) молекул. В процессе испарения влаги поверхность охлаждается, в связи с чем температура внутри продукта остается значительно выше. Это и является движущей силой процесса, влага стремится выйти из внутренних областей ближе к поверхности [2].

Таким образом, можно выявить преимущества метода микроволновой сушки перед другими. Отсутствует такой процесс теплообмена, как передача теплоты от нагревателя к объекту, так как источником тепла является сам объект. Это повышает эффективность процесса сушки в несколько раз.

Для определения оптимальных условий сушки проведен комплекс исследований. За основу взят конвективный способ высушивания материалов, когда энергия, в данном случае тепло, передается к объекту через сушильный объект - воздух.

Экспериментальная часть. В процессе исследований использовался оксигидрат титана (IV) в количестве 1,5 г, полученный методом химического осаждения ионов титана из раствора титанил сульфата раствором гидроксида аммония.

Процесс радиационной сушки проводили на анализаторе влажности МБ-70, принцип работы которого основан на использовании лучистой энергии инфракрасного излучения, выделяемой раскаленными твердыми телами (подложка). В качестве экспериментальных температур были выбраны следующие: 120, 150, 180, 200 °С.

Процесс микроволновой сушки осуществлялся в микроволновой печи МБ2080МЛ с частотой 2450 МГц и максимальной выходной мощностью 700 Вт. При исследовании были использованы различные режимы сушки, мощность которых составляла: 252, 385, 539, 700 Вт.

Процесс конвективной сушки проводили в электропечи БКОЬ 58/350. В ходе работы исследованы температуры: 150, 180, 200, 220 °С. Отслеживание изменения массы высушиваемого продукта осуществляли гравиметрическим методом.

Результаты и их обсуждение. За основу экспериментов взят конвективный способ высушивания материалов, этот метод широко используется в технологии получения порошковых материалов. Кривые, построенные по результатам исследований, представлены на рис. 1, 2.

—■— 150°С —180°С 200°С -чж— 220°С

Рис. 1. Изменение влажности оксигидрата титана от времени при конвективном способе сушки

■о 2 О

О 20 40 60 80 100

—■— 150 °С —180 °С -н*— 200 °С -ч*— 220 °С

Рис. 2. Изменение скорости сушки оксигидрата титана при конвективном способе сушки

Полученные кривые свидетельствуют о том, что сушка в данном режиме протекает во внутридиффузионной области Еакт = 19,04 кДж/моль. Общее время, за которое происходит полное удаление влаги, составляет в среднем 1 ч. Продукт, высушенный данным методом, имеет плотную структуру, не крошится.

Аналогичные кривые были получены для радиационного и микроволнового режима сушки.

Анализируя кривые, полученные при радиационной сушке материала (рис. 3, 4), можно сделать вывод, что процесс удаления влаги осуществляется также в диффузионной области, т.е. лимитируется стадией переноса жидкости из пор агломерата оксисоединения к поверхности раздела фаз. Это подтверждается и рассчитанным на основе экспериментальных данных значением энергии активации, которая при данном способе сушки составляет 22,88 кДж/моль. Общее время, при котором достигается полное удавление влаги, составляет в среднем 30 мин.

—■— 120°С—*—150 °С 180°С -н*— 200°С

Рис. 3. Изменение влажности оксигидрата титана по времени при радиационном способе сушки

Рис. 4. Изменение скорости сушки оксигидрата титана при радиационном способе сушки

Анализ кривых сушки оксигидрата титана обезвоженного в микроволновой печи (рис. 5, 6) показал, что процесс удаления влаги в условиях микроволнового излучения намного эффективнее, чем при радиационном и конвективном способах. Даже в процессе радиационного излучения при температуре 200 °С скорость сушки оксигидрата титана меньше, чем при сушке в микроволновой печи. Судя по выраженным пикам кривых скорости удаления влаги, полученным при микроволновой сушке (см. рис. 6), можно сделать предположение, что процесс протекает в кинетической области. Под действием электрической составляющей переменного электромагнитного поля молекулы воды ориентируются так, чтобы векторы их дипольных моментов были антипа-раллельны силовым линиям поля [3]. В микроволновом диапазоне ди-польные молекулы воды реагируют на приложенное поле и начинают вращение, но вследствие несоответствия по фазе между колебаниями поля и вращением диполей происходит превращение энергии микроволнового излучения в кинетическую энергию молекул и нагрев влажного продукта. Таким образом, нагрев происходит во всем объеме влажного продукта, а скорость процесса лимитируется стадией отвода пара с поверхности высушиваемого оксигидрата титана.

- 252 Вт 385 Вт —А— 539 Вт -к— 700 Вт

Рис. 5. Изменение влажности оксигидрата титана по времени при микроволновом способе сушки

О 20 40 60 80 100

-ф—252 Вт—■— 385 Вт—а— 539 Вт-*^700 Вт-*- 119 Вт

Рис. 6. Изменения скорости сушки оксигидрата титана при микроволновом способе сушки

На рис. 7 представлены фотографии оксигидрата титана высушенного с помощью различных способов сушки. На рисунках видно, что оксигидрат, высушенный с помощью инфракрасного излучения, имеет микроморфологию, отличную от оксигидрата титана, высушенного в микроволновой печи. При использовании радиационной сушки поверхность получается более ровная, а при использовании микроволнового излучения продукт вскипает изнутри, следствием чего на его поверхности отчетливо просматриваются образования круглых и овальных отверстий.

Рис. 7. Оксигидрат титана, высушенный в условиях радиационной сушки (а) и в условиях микроволнового излучения (б)

Таким образом, в ходе работы установлено, что наиболее эффективным методом обезвоживания оксигидрата титана является микроволновая сушка.

При воздействии на объект микроволнового излучения, которое проникает в глубь образца, нагревание происходит внутри самого объекта с высокой скоростью и распределяется наиболее равномерно по всему объему. Вследствие чего сушка происходит быстрее, чем при радиационном и конвективном способах, где теплота передается от источника тепла к объекту постепенно, за счет нагревания сначала внешних участков, а затем внутренних.

Список литературы

Получено 6.12.2010