sbornik_lab_po_TOT

101

Нижняя часть экспериментальной установки оснащена калорифером, состояще-

го из двух электрических нагревателей. Рабочая температура в сушильной камере под-

держивается электрическим нагревателем мощностью 575 Вт. Для быстрого достижения номинальной температуры в сушильной камере дополнительно включают электронагре-

ватель мощностью 522 Вт. Основной нагреватель включен в цепь терморегулятора.

Выключатели электронагревателей расположены на лицевой панели сушильной ус-

тановки. Температура воздуха, влагосодержание воздуха внутри сушильной камеры изме-

ряются двумя спиртовыми термометрами: «мокрым» и «сухим». Подобным спиртовым термометром осуществляется измерение температуры извлекаемого из сушильной камеры высушенного материала, температуры внешних стенок сушильной камеры и температура отработанного сушильного агента.

Рисунок 5. Схема экспериментальной установки

1-опора; 2-«сухой» термометр; 3-«мокрый» термометр; 4- ваттметр; 5 и 6- термомет-

ры для замера температуры наружных стенок сушильной камеры; 7-окно загрузочное; 8 –

основной электронагреватель; 9-дополнительный электронагреватель; 10-элетродвигатель с вентилятором; 11-реле автоматического управления; 12-выключатель основного элек-

тронагревателя; 13-выключатель дополнительного электронагревателя; 14-поддон вра-

щающийся; 15-внешняя обшивка сушильной камеры; 16-теплоизолятор; 17-внутренняя обшивка сушильной камеры; 18-воздуховоды; 19-термометр для определения температу-

ры отработавшего сушильного агента; 20-контактный термометр.

4 ПОДГОТОВКА УСТАНОВКИ К РАБОТЕ

4.1 Ознакомиться с конструкцией лабораторной установки.

4.2Заблаговременно подготовить влажный материал.

4.3Убедится в исправности установки и наличии измерительных приборов.

102

4.4 Подготовить установку к пуску, подключить электропитание установки ( 220

В).

4.5Смочить ткань «мокрого» термометра водой.

4.6Проверить тарировку электронных весов с помощью эталонного груза.

4.7Включить электронный измеритель влажности и обнулить его показания.

4.8Приготовить электронный хронометр.

5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1Перед началом опыта следует заполнить бюксы влажным материалом.

5.2Измерить массу каждого бюкса с материалом на электронных весах «AND SK-10K» с

точностью до 0,01 грамма.

5.3Определить начальные параметры окружающего воздуха с помощью электронного из-

мерителя влажности «CENTER 310». По показаниям измерителя влажности с помощью Н-

d диаграммы влажного воздуха определить влагосодержание окружающего воздуха.

5.4В течение 10...15 минут прогреть сушильную камеру.

5.5Установить бюксы на вращающийся поддон в сушильной камере.

5.6Установить выключатели основного и дополнительного электронагревателя в положе-

ние «Включено».

5.6 Засечь время начала нагрева материала в сушильной камере до наступления «стацио-

нарного» режима сушки («стационарный режим сушки» характеризуется постоянством относительной влажности в сушильной камере). Момент установления «стационарного» режима определяют по показаниям «сухого» и мокрого термометров.

5.7С момента загрузки материала в сушильную камеру каждые 5...7 минут необходимо взвешивать бюксы с материалом (во время взвешивания материала сушильная камера должна быть включена). Результаты занести в журнал наблюдений (таблица 1).

5.8После установления стационарного режима необходимо начать отсчет времени и по-

вторить пункт 5.7. до прекращения изменения массы бюксов с материалом. Результаты занести в журнал наблюдений.

5.9Выключить установку.

5.10Извлечь бюксы с высушенным материалом.

5.11Отключить установку от электрической сети.

6 ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

6.1 Определить по полученным экспериментальным данным влагосодержание сушильно-

го агента и внести их в журнал наблюдений.

6.2 Построить график изменения относительного влагосодержания материала от продол-

жительности опыта .

эффициент сушки.

6.5 Построить в координатах «m – τ» изменение влагосодержания сушильного агента от времени сушки d=f(τ) скорости сушки С= f(τ).

7 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

Таблица Журнал наблюдений

Рассчитать для каждого фиксированного момента времени влажность материала по выра-

жению:

(2)

где m(τ) – вес бюкса с материалом в момент времени τ, кг;

mк-вес бюкса с полностью высушенным материалом (определяется до замачи-

вания материала), кг;

mб – вес бюкса, кг.

По полученным экспериментальным данным строиться кривая сушки , на

которой необходимо определить первый и второй периоды сушки, а также найти значение критической влажности wкр.

Рассчитывается скорость сушки в первом периоде:

(3)

Для пяти фиксированных значений времени во втором периоде сушки графическим дифференцированием находят значения скорости сушки (рисунок 3).

По полученным данным строят график зависимости скорости сушки от влажности материала. Принимая для условий эксперимента равновесную влажность материала рав-

ной нулю, проводят прямую скорости сушки для второго периода и определяют коэффи-

циент сушки по зависимости:

(4)

104

При известном коэффициенте сушки продолжительность второго периода сушки можно рассчитать по уравнению:

(5)

Общее время сушки, необходимое для осуществления процесса сушки с начальной влаж-

ности до требуемой конечной определиться выражением

8 СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет выполняется в тетради. Он должен содержать в себе: тему и цель работы,

принципиальную схему установки, ведомость испытаний, построенные в масштабе гра-

фики определяемых зависимостей. Оформленный отчет предоставляется преподавателю.

9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Укажите разновидности существующих сушильных аппаратов.

2.Перечислите известные способы обезвоживания материалов.

3.Дайте определение понятию «теоретическая сушилка».

4.Объясните устройство и принцип действия лабораторной установки.

5.Перечислите возможные пути увеличения скорости сушки материала.

6.Объясните, чем характеризуются существующие периоды сушки материала.

7.Каким образом определяется первый и второй периоды сушки, а также критическая

влажность wкр на кривой сушки ?

8. Объясните понятие «диффузионный поток» в отношении влаги высушиваемого мате-

риала

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Амерханов, Р. А. Теплотехника [Текст]: учебник / Р. А. Амерханов, Б. Х. Драганов. – 2-

е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 2006. – 432 с.

2. Алексеев, В.А. и др. Машины и аппараты химических производств. Учебное пособие

[текст] / В.А. Алексеев, - Казань: Казанский ГТУ, 2008., 305 с.

3. Ерофеев В.Л., Семенов П.Д., Пряхин А.С. Теплотехника. [текст] /под редакцией В.Л.

Ерофеева – М.: ИКЦ «Академкнига», 2008. – 488 с.

4. Рудобашта, С. П. «Теплотехника» [Текст] : учебник для студ. вузов, обучающихся по направлению «Агроинженерия»: допущено МСХ РФ / С. П.Рудобашта; Ассоциация

«АГРООБРАЗОВАНИЕ». - М. : Колос, 2010.– 599с

105

Лабораторная работа №13

«Исследование процесса абсорбционной осушки атмосферного воздуха»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить физический смысл и методику определения эффективности работы осушителя воздуха при изотермическом способе сорбирования влаги воздуха твердыми сорбентами на различных режимах работы установки.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Абсорбцией называют процесс газов и паров различными поглотителя-

ми (абсорбентами). В качестве жидких поглотителей влаги могут быть ис-

пользованы растворы хлористого калия (СаCl2), хлористого лития (LiCl2),

бромистого лития и др. Абсорбция является частным случаем сорбции.

Адсорбция – это процесс поглощения одного или нескольких компо-

нентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом. К

числу наиболее широко применяемых твердых сорбентов относятся: силика-

гель (SiO2), окись алюминия (Al2O3), активированный уголь, цеолиты и дру-

гие вещества.

В технике и химической технологии чаще всего встречается абсорбция

(поглощение, растворение) газов жидкостями. Но известны и процессы аб-

сорбции газов и жидкостей кристаллическими и аморфными телами (напри-

мер, абсорбция водорода металлами, абсорбция низкомолекулярных жидко-

стей и газов цеолитами, абсорбция нефтепродуктов резинотехническими из-

делиями и т.п.).

Часто в процессе абсорбции происходит не только увеличение массы абсор-

бирующего материала, но и существенное увеличение его объема (набуха-

ние), а также изменение его физических характеристик – вплоть до агрегат-

ного состояния.

106

На практике абсорбция чаще всего применяется для разделения смесей,

состоящих из веществ, имеющих различную способность к поглощению под-

ходящими абсорбентами. При этом целевыми продуктами могут быть как аб-

сорбировавшиеся, так и не абсорбировавшиеся компоненты смесей.

Обычно в случае физической абсорбции абсорбировавшиеся вещества могут быть вновь извлечены из абсорбента посредством его нагревания, раз-

бавления неабсорбирущей жидкостью или иными подходящими способами.

Регенерация химически абсорбированных веществ также иногда возможна.

Она может быть основана на химическом или термическом разложении про-

дуктов химической абсорбции с высвобождением всех или некоторых из аб-

сорбированных веществ. Но во многих случаях регенерация химически аб-

сорбированных веществ и химических абсорбентов бывает невозможной или технологически/экономически нецелесообразной.

Явления абсорбции широко распространены не только в промышлен-

ности, но и в природе (пример - набухание семян), а также в быту. При этом они могут приносить как пользу, так и вред (например, физическая абсорб-

ция атмосферной влаги приводит к набуханию и последующему расслоению деревянных изделий, химическая абсорбция кислорода резиной - к потере ею эластичности и растрескиванию).

Различают физическую абсорбцию и хемосорбцию.

При физической абсорбции процесс поглощения не сопровождается химиче-

ской реакцией.

При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с веществом абсорбента.

Согласно закону Генри растворимость газа в жидкости пропорцио-

нальна давлению, под которым газ находится, но при условии, что газ при растворении не образует новых соединений и молекулы его не полимеризу-

ются.

Всякое плотное тело сгущает довольно значительно прилегающие не-

посредственно к его поверхности частицы окружающего его газообразного вещества. Если такое тело пористо, как например, древесный уголь или губ-

чатая платина, то это уплотнение газов имеет место и по всей внутренней по-

107

верхности его пор, а тем самым, следовательно, и в гораздо более высо-

кой степени.

При всяком уплотнении выделяется тепло.

Вещества, которые абсорбируют—поглощают из воздуха водяной пар,

сгущают его тоже в себе, образуя воду, и от этого становятся влажными, как,

например, нечистая поваренная соль, поташ, хлористый кальций и т.п. Такие тела зовутся гигроскопическими.

Чем легче газ сгущается в жидкость, тем сильнее он поглощается. При малом наружном давлении и при нагревании— уменьшается количество по-

глощаемого газа. Чем мельче поры поглотителя, т.е. чем он плотнее, тем большею, в общем, он обладает поглотительной способностью; слишком од-

нако же мелкие поры, как например графита, не благоприятствуют абсорб-

ции.

По закону Дальтона из смеси газов каждый газ растворяется в жидко-

сти пропорционально своему парциальному давлению, вне зависимости от присутствия остальных газов. Степень растворения газов в жидкости опреде-

ляется коэффициентом, показывающим, сколько объёмов газа поглощается в одном объёме жидкости при температуре газа 0° и давлении в 760 мм ртутно-

го столба.

Коэффициенты абсорбции для газов и воды вычисляются по формуле

где -температура газа, 0С;

А,В,С – постоянные коэффициенты, определяемые для каждого от-

дельного газа.

По исследованиям Бунзена коэффициенты важнейших газов имеют значения, представленные в таблице1.

В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Ад-

сорбенты характеризуются своей поглотительной или адсорбционной спо-

собностью. Для осушки воздуха наиболее часто применяют силикагель, ко-

торый представляет собой продукты обезвоживания геля кремниевой кисло-

108

ты, получаемые путем обработки раствора силиката натрия (раствори-

мого стекла) минеральными кислотами.

Таблица 1 Коэффициенты определяющие поглотительную способность

газов

Удельная поверхность силикагелей от 400 до 770 м2/г. Размер гранул от

0,2 до 7 мм, насыпная плотность 400…800 г/л. Обводненность силикагеля в конце периода его эффективной работы достигает 9…11 % от общей его мас-

сы. При помощи силикагеля достигается глубокое осушение воздуха, харак-

теризуемое конечным влагосодержанием 0,02 г/кг, чему соответствует тем-

пература точки росы осушенного воздуха минус 50 °С. Однако по мере ув-

лажнения силикагеля эффективность осушки уменьшается, и при достиже-

нии предельной влажности слой сорбента прекращает поглощение влаги из воздуха.

Для восстановления адсорбционных свойств сорбент подвергают акти-

вации путем удаления из капилляров накопившейся в них влаги. Активацию производят нагревом сорбента до температуры выше 100 °С или продувкой через слой сорбента горячего воздуха, имеющего температуру 150…180 °С.

Сущность адсорбции влаги из воздуха состоит в следующем. Водяной пар, адсорбированный поверхностью капилляра и сконденсировавшийся на ней, образуют в капилляре вогнутый мениск воды. Парциальное давление на-

109

сыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью воды ниже, чем

над плоской поверхностью при той же температуре. Вследствие этого пар из воздуха будет диффундировать в полость капилляров и там конденсировать-

ся. Интенсивность осушки воздуха твердыми сорбентами определяется раз-

ностью парциальных давлений насыщенного водяного пара над поверхно-

стью мениска в капилляре и водяного пара в осушаемом воздухе. Этот пере-

пад давлений зависит от диаметра капилляров, определяющих кривизну ме-

ниска, температуры и влагосодержания осушаемого воздуха.

При повышении температуры воздуха или снижении парциального давления водяного пара в осушаемом воздухе интенсивность осушки снижа-

ется, так как в результате действия каждого из этих факторов уменьшается разность между парциальными давлениями водяного пара в осушаемом воз-

духе и на поверхности мениска в капилляре. При некоторой температуре эти давления могут стать одинаковыми, и тогда перенос влаги прекратится. При дальнейшем повышении температуры сорбента парциальное давление насы-

щенного водяного пара над мениском воды в капиллярах станет выше давле-

ния водяного пара в воздухе, и тогда начинается обратный процесс переноса влаги из капилляров сорбента в воздух. Это свойство используется при вос-

становлении влагопоглотительной способности (активации) сорбентов.

В процессе тепло-и массообмена при осушении воздуха адсорбентами выделяется теплота сорбции, которая состоит из скрытой теплоты конденса-

ции и теплоты смачивания, освобождавшейся при контакте жидкой и твердой поверхностей. В результате преобразования скрытой теплоты в явную темпе-

ратура осушаемого воздуха повышается и может достигнуть 40…50 °С, что является недостатком твердых сорбентов. Обычно процесс осушения воздуха

адсорбентами изображается в I-d диаграмме по линии I = const

Согласно существующей методике определения эффективности работы сорбционной установки определяют необходимое количестве сорбента, пло-

щадь лобового сечения слоя сорбента и его толщину.

Количество влаги, подлежащей удалению из воздуха определяется по

110

где G − расход воздуха, кг/с;

d1, d2 − соответственно начальное и конечное влагосодержание воздуха, кг/кг;

τc − длительность цикла адсорбции влаги, с;

Требуемая масса Gс и объем Vc адсорбента определяется по формулам:

Gс = W/αс;

(3) Vc = Gс/ρс, (4)

где αc − сорбционная способность, для силикагеля αc = 0,1;

ρс − плотность насыпного слоя сорбента, кг/м3, для силикагеля ρс =

600 кг/м3.

Фильтрующая поверхность Fс, определяется из формулы:

Приблизительно толщину слоя при w = 0,15…0,5 м/с можно опреде-

лить по приблизительной формуле:

δс = 0,07(d1 − d2)∙τC∙w (7)

Аэродинамическое сопротивление слоя силикагеля определяется по формуле:

р = 9,81δс∙w1,5

(8)

3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.

Установка представляет собой закрытый корпус 1 с разветвленным воз-

душным каналом 2 внутри и встроенным вентилятором. Выходные каналы воздушной системы прикрыты решеткой 3 и регулятором воздушного потока

5 через адсорбент 4. Входной канал так же оснащен защитной решеткой 6.