I. CONSIDERAII TEORETICE

Uscarea este operaia unitar de transfer bazat pe difuziunea lichidului dintr-o mixtur solid nspre aerul atmosferic. n studiul ingineriei mediului uscarea intervine n faza de depozitare a deeurilor solide, la recuperarea unor lichide cu potenial poluant din materiale absorbante, n etapele de degajare a unor poluani din materialele n care au fost captate etc. Datorit specificului obiectului de studiu al ingineriei mediului, agentul de uscare este aerul atmosferic, iar de multe ori materialul uscat este nmolul generat de staiile de tratare sau deseurile depozitate n halde. Din aceast cauz, din punct de vedere tehnologic exist puine opiuni n eficientizarea operaiilor. Din punctul de vedere al utilizrii surselor alternative de energie, uscarea este o faz principal n lanul tehnologic.

In termeni cureni, uscarea este operaia de ndeprtare a apei dintr-un amestec solid prin aport de cldur i ndeprtarea vaporilor generai.

Termenul de evaporare deseamneaz trecerea unui lichid n stare de vapori la presiuni i temperaturi sub cele normale de fierbere. Vaporizarea este trecerea unui lichid n stare de vapori la temperatura de fierbere corespunztoare presiunii de lucru. Ambele operaii solicit absorbie de cldur latent. Din variaia cldurii latente cu temperatura rezult c evaporarea necesit ntotdeauna mai mult cldur dect vaporizarea, deoarece se execut la temperaturi inferioare celei de saturaie. In schimb, fora motrice la evaporare, diferena ntre temperatura materialului i a agentului de uscare, este mult mai mic dect la vaporizare. Evaporarea este un proces natural i respect legea entropiei pe cnd vaporizarea este "forat" adic poate fi controlat tehnologic. Termenul de umiditate se refer la cantitatea de lichid din materialul solid, iar cel de umezeal se refer la cantitatea de vapori de lichid din aer. Operaia poate fi numit uscare natural, dac se utilizeaz aerul n condiii atmosferice i uscare artificial, cnd apare controlul temperaturii i umezelii aerului de uscare. Factorii de care depinde uscarea sunt legai de material, agentul de uscare i operaia de uscare. Dup modul n care este legat apa de materialul solid se poate deosebi: - apa legat chimic, prin legturi covalente sau ca ap de cristalizare. Aceasta nu se poate ndeprta prin uscare fr s afecteze structura chimic a materialului, care-i pierde astfel calitile i compoziia iniial.

- apa legat fizico-chimic, prin legturi de tip van der Vaals, electrostatice, de tip London sau de dispersie. Se distinge aici apa legat adsorbtiv, fenomen care are loc cu degajare de cldur, efect termic ce se diminueaz cu creterea cantitii de ap legat. Aceast ap este plasat sub forma unor straturi moleculare pe suprafeele exterioare ale solidului. Cnd efectul termic al adsorbiei se anuleaz, apa impregneaz interiorul solidului i ncepe legarea apei prin osmoz. Efectul osmozei este gonflarea materialului fr s apar efecte termice, cu plasarea lichidului n micele, membrane sau alte structuri supramoleculare interne. Dac materialul poate forma geluri, apa se leag structural de solid. - apa legat mecanic poate fi captat de material prin capilaritate sau prin adeziune.Indiferent de forma de legare a lichidului, umiditatea se prezint n material sub dou forme: liber i higroscopic. Umiditatea liber se ndeprteaz prin evaporare liber pn la punctul de echilibru cu umezeala aerului. Umiditatea higroscopic se poate ndeprta prin nclzirea materialului, dar dac acesta se rcete n aer liber, va adsorbi apa din mediul nconjurtor pn la restabilirea echilibrului. Este clar c gradul de umiditate sau de "uscare" a unui corp depinde de starea de umezeal a aerului sau a gazului care provoac uscarea. Starea de umezeal a aerului depinde de o serie de factori fizico-meteorologici locali depinznd att de timp, vreme i situaia meteorologic momentan, ct i de plasarea topografic i n sens mai general, geografic. O prim reprezentare a comportrii ansamblului de parametri de care depinde umezeala aerului este aa zisa diagram i - x. n diagram sunt reprezentate dependenele umiditii absolute, relative i presiunea parial a vaporilor de ap n funcie de temperatura amestecului de aer i vapori de ap, la o presiune apropiat de cea atmosferic normal.II. RELAII DE CALCUL

Cinetica uscrii descrie fenomenologia de ndeprtare a umiditii unui material n timpul de derulare al procesului. S considerm un vas cu seciune constant n care exist un solid umectat de atta ap nct s-1 acopere total. Dac peste vasul cu material trece un curent de aer cu caracteristici constante: debit, vitez, temperatur, umiditate relativ, o parte din apa din vas se evapor trecnd n curentul de aer. Datorit caracteristicilor constante ale sistemului, vasul cu material umed primete un debit termic constant, cldur care va evapora un debit constant de umiditate. Este perioada de uscare cu vitez constant, (perioada nti de uscare), timp n care apa doar se evapor superficial, de la suprafaa liber a lichidului nspre aer, conform relaiei:n care U este cantitatea de umiditate, [kg], evaporat n timpul , [s];ku este coeficient de transfer de mas, [kg/m2 s]; A este suprafaa de transfer, [m2];xs, x sunt umezeala de saturaie, respectiv cea curent a aerului de uscare, [kg/kg], iar cantitatea de ap evaporat se deduce din bilanul de materiale: d U = - G d(u uc );G este cantitatea de material solid, [kg]; u i uc fiind umiditile la un moment dat i cea critic, [kg/kg]. Aceste condiii constante se menin pn cnd luciul apei de deasupra materialului atinge solidul, iar acesta strpunge suprafaa ei. Din acest moment aria de evaporare a apei se modific, o parte a solidului fiind plasat direct n curentul de aer. Pe lng evaporarea direct, o parte din vaporii de ap trec n aerul de uscare din solidul aflat la suprafaa apei. Datorit reducerii suprafeei de evaporare i a dificultii de trecere a vaporilor de ap prin materialul solid nspre aer, dei debitul termic este acelai, debitul de ap evaporat este din ce n ce mai micEste perioada de uscare cu vitez descresctoare, sau perioada a doua de uscare. Punctul care separ cele dou domenii de uscare cu fenomenologie diferit devine un punct critic. Prin integrarea celor dou relaii care descriu perioada nti de operare, se poate calcula timpul de derulare a perioadei de uscare cu vitez constant:

De la punctul critic vaporii difuzeaz din ce n ce mai greu prin materialul "uscat", iar ponderea suprafeei "uscate" crete continuu, pn la al doilea punct critic al uscrii, ce reprezint momentul n care nu mai exist nici o pictur de ap lichid deasupra solidului n contact direct cu aerul de uscare. Se poate presupune c suprafaa efectiv de uscare, A1, este legat de suprafaa de evaporare A prin relaia:

n care uc1 este umiditatea n al doilea punct critic. Se remarc faptul c atunci cnd u = uc1 , A1 = 0, deci nu mai avem suprafa de ap liber. Cu A din relaie se poate obine timpul de uscare n perioada a doua de uscare prin integrarea expresiei:

unde ue este umiditatea de echilibru.Dup dispariia apei lichide de pe suprafaa solidului, procesul de uscare se deruleaz n adncime, umiditatea migrnd spre suprafa prin stratul de material deja "uscat" prin difuziune intern i capilaritate. Relaia de calcul a timpului de uscare prin difuziune este:

n care l este grosimea stratului de material, [m];D este difuzivitatea vaporilor de lichid, [m2/s].Uscarea continu pn cnd umiditatea materialului o atinge pe cea a agentului de uscare. n acest moment fora motrice este nul i procesul nceteaz, umiditatea aceasta fiind i cea de echilibru. Eliminarea cantitii de ap din material se face pe baza diferenei de potenial dintre presiunea vaporilor saturai ai apei din aerul de uscare i presiunea vaporilor de ap de la nivelul solidului. Uscarea implic evaporarea apei i schimbul unei cantiti mari de cldur, deoarece se consum cldur latent, De aceea se prefer eliminarea unei cantiti ct mai mari de ap din solid prin alte mijloace: scurgere, presare, centrifugare, decantare, filtrare etc. Viteza de uscare: dU/Ad, se exprim n [kg ap evaporat/ m2s] i poate fi reprezentat grafic n funcie de umiditatea materialului, [kg/kg]. Din aceste curbe ale vitezei de uscare se pot obine informaii referitoare la textura materialului i compoziia structural supramolecular a acestuia. Dac n perioada I acest grafic este o linie dreapt orizontal indicnd o vitez constant, forma curbelor din perioada a doua de uscare arat comportarea materialului n prezena apei lichide care satureaz, (inund) materialul, iar curbele vitezei de uscare din perioada a treia arat modificrile structurale aprute n material dup ndeprtarea majoritii apei lichide i n prezena vaporilor.

n calculul sau statica uscrii se utilizeaz cteva noiuni de baz: umezeala absolut a aerului, egal cu masa de vapori de ap dintr-un metru cub de aer umed,

v [kg/m ].Nr. crtMasa probei[g]Timp [min] Timp [s]Temp[C]Vit de usc [kg/ m2]Umid [kg/kg]

0123456

1

dU/Ad

u