Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

масообменные процессы

.pdf
Скачиваний:
37
Добавлен:
02.06.2015
Размер:
288.42 Кб
Скачать

 

11

 

 

 

 

 

2. Тепловой баланс выпарного аппарата:

 

 

 

Q = GH ×cH ×(tK - tH ) +W × r,

(6)

где Q – тепловая нагрузка на выпарной аппарат, Вт;

 

cH

– средняя удельная теплоемкость исходного раствора, Дж/кг К;

 

tK

– температура кипения раствора, °С (рассчитывается по правилу Бабо,

см. ниже);

 

 

 

 

 

tH

– температура исходного раствора, °С;

 

 

W – количество выпаренной воды, кг/с;

 

 

 

r – удельная теплота парообразования воды, Дж/кг (определяется по

давлению в выпарном аппарате по таблицам для насыщенного пара).

 

 

æ

 

x

H

ö

 

 

cH = 4190 ×ç1 -

 

 

÷,

(7)

 

100

 

è

ø

 

Правило Бабо.

Температуру кипения раствора и температурную депрессию можно

определить при любом давлении в аппарате, если

известна

температура

кипения раствора при каком-либо давлении.

 

 

По правилу Бабо отношение давления

упругих

паров раствора

давлению упругих паров чистого растворителя есть величина постоянная:

æ

p ö

 

 

ç

 

÷ = K.

 

(8)

 

 

è

p0 øt

 

 

Пример. Известно, что

какой-то раствор кипит

при атмосферном

давлении при температуре115

°С.

Определить температуру

кипения при

p = 0,6 àò .

 

 

 

 

По правилу Бабо можно записать:

 

æ

p ö

= K ,

 

ç

 

÷

 

 

 

è

p0 øt =115°C

 

12

где p – давление пара раствора, при котором известна температура кипения

(в данном случае 1 ат.);

p0 – давление паров растворителя(берется по таблицам насыщенного водяного пара).

Таким образом, имеем:

æ

1

ö

= 0,5814,

ç

 

 

÷

1,72

è

øt=115°C

 

где p0 =1,72 àò – давление насыщенного водяного пара при 115 °С.

Для давления 0,6 ат мы можем записать:

æ 0,6 ö

ç ÷ = K = 0,5814

è p0 øt

Откуда находим, что p0 =1,032 àò .

По таблицам насыщенного водяного пара определяем, что температура

пара при давлении 1,035 ат составляет 100 °С – это и есть температура кипения раствора при p = 0,6 àò .

Для

давления 0,6 ат.

определяем

так

же

температуру

кипения

растворителя. Она составляет 85,5 °С. Тогда,

температурная депрессия

будет

равна:

 

 

 

 

 

 

 

Dt'

100= - 85,5 = 14,5 °C.

 

 

 

3. Коэффициент теплопередачи в выпарном аппарате.

 

 

 

Коэффициент

теплопередачи

определяется

на

основе

уравнени

теплопередачи:

 

 

 

 

 

 

Q = K × F × Dtï î ë .

 

 

(9)

13

Откуда:

Q

K = F × Dtï î ë ,

где K – коэффициент теплопередачи, Вт/м2×К;

F – поверхность нагрева (0,035), м2;

Dtï î ë – полезная разность температур, К:

 

Dt=

Q - t

K

,

(10)

 

ï î ë

 

 

 

где Q – температура

конденсации

греющего

пара, °С (определяется по

таблицам насыщенного пара при атмосферном давлении);

tK – температура кипения раствора.

 

 

 

Данные замеров

и вычислений

сводят

в . табл2. Зная температуру

кипения раствора и температуру кипения чистого растворителя при рабочем давлении, найти температурную депрессию.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем состоит процесс выпаривания?

2.Что является движущей силой процесса выпаривания?

3.Чем отличается процесс выпаривания под атмосферным давлением и под вакуумом?

4.Что является причиной естественной циркуляции раствора?

5.Какие слагаемые входят в уравнение теплового баланса? Какое из этих слагаемых имеет наибольшее, а какое наименьшее значение?

6.Из каких основных частей состоит выпарной аппарат?

7.Как рассчитать температуру кипения и температурную депрессию по правилу Бабо?

8.Конструкции выпарных аппаратов.

14

Таблица 2

Данные измерений и вычислений

Объем упаренного раствора

V1

ì

3

 

 

 

 

 

 

Объем конденсата

V2

ì

3

 

 

 

 

 

 

Объем исходного раствора

VH

ì

3

 

 

 

 

 

 

Время выпаривания

t

c

 

 

 

 

 

 

 

Объемный расход исходного раствора

nH

ì 3

c

 

 

 

 

 

Плотность исходного раствора

rH

êã ì 3

 

 

 

 

 

Массовый расход исходного раствора

GH

êã c

 

Концентрация исходного раствора

xH

%

 

 

 

 

 

Концентрация упаренного раствора

xK

%

 

 

 

 

 

Количество выпаренной воды

W

êã c

 

 

 

 

 

Температура кипения раствора

tK

°C

 

Теплоемкость исходного раствора

cH

Äæ

 

 

êã× Ê

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура исходного раствора

tH

°C

 

 

 

 

 

Температура конденсации греющего пара

Q

°C

 

 

 

 

 

 

Удельная теплота парообразования

r

êÄæ

êã

 

 

 

 

 

 

Площадь нагрева

F

ì

2

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплопередачи

K

Âò

 

 

ì 2 × Ê

 

 

 

 

 

 

15

РАБОТА № 6.

ИСПЫТАНИЕ СУШИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Теоретические предпосылки

 

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых материалов путем

 

испарения и отвода образующихся паров.

 

 

 

 

 

 

 

Очень широкое распространение в промышленности имеет воздушная

 

сушка, в процессе которой нагревание влажного материала происходит при

 

непосредственном контакте его с газовым теплоносителем. Так называемая

 

конвективная сушка. При организации процесса сушки, необходимо знать,

 

прежде всего, условия протекания процесса.

 

 

 

 

 

 

При воздушной сушке окружающей средой является смесь воздуха с

 

водяными парами. Обозначим давление водяного пара в паровоздушной смеси

 

PÄ

Влаге

 

твердого

материала

 

соответствует

определенное

равновесное

давление водяного пара ÐÌ

Условием проведения сушки является неравенство:

 

ÐÌ

> PÄ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При

соблюдении

этого

неравенства

имеет

место

переход

вла

(массопередача) из влажного материала в воздух. При достижении этого

 

равновесия (ÐÌ

= PÄ ) массопередача прекращается и сушка невозможна.

 

 

 

Удаление

влаги

из твердого

материала

 

при

сушке осуществляется

следующим путем. Из толщи влажного материала влага перемещается к поверхности раздела фаз за счет массопроводности. От поверхности раздела

фаз влага передается в ядро воздушного потока за счет конвективно

диффузии.

Обозначим количество испаряющейся при сушке влаги dW , поверхность

фазового контакта F и время сушки dt . Выразим скорость сушки как dW .

F × dt

16

Скорость сушки существенно изменяется с изменением влажности материала.

В начале сушки скорость оказывается постоянной, не зависящей от влажности материала. В этот период постоянной скорости(первый период) испарение влаги из материала происходит со свободной поверхности и процесс сушки в

этом

периоде

лимитируется

конвективной

диффузией

паров

воды

поверхности

раздела. Диффузионное

сопротивление

внутри

влажного

материала не оказывает существенного влияния на процесс сушки в первый период, и скорость сушки определяется только диффузией во внешней области

(конвективной диффузией). Температура материала в первом периоде сушки равна температуре мокрого термометра.

Кинетический закон для первого периода воздушной сушки выражается

уравнением

 

W = bp × F ×( pí àñ - ð),

(11)

где ðí àñ – парциальное давление водяного пара в насыщенном воздухе(при

температуре поверхности влажного материала), мм. рт. ст., равное PM ;

F – поверхность фазового контакта, м2;

p – действительное парциальное давление водяного пара в воздушном потоке, мм.рт.ст., равное PÄ ;

bp – коэффициент массоотдачи.

Первый период сушки соответствует изменению влажности материала

(рисунок 1) в пределах отWH (начальная влажность) до Wêð (критическая влажность).

 

17

 

dW

 

 

t

 

 

 

Wкр1

 

 

Wкр 2

 

 

Wр

 

0

Wнач

W , %

 

 

Рис. 2. Кривая скорости сушки

 

При

влажности материалаW <Wêð

наступает второй период сушки–

период

уменьшающейся скорости

сушки. Для второго периода сушки

характерным является то, что процесс сушки в этом периоде лимитируется

массопроводностью внутри влажного материала, а конвективная диффузия

паров воды от поверхности раздела фаз в ядро воздушного потока не оказывает существенного влияния на процесс сушки. Кинетический закон для второго периода выражается уравнением:

W = K × F ×(Wi -Wp ),

(12)

где W – количество испаряемой воды,кг/с;

K – коэффициент скорости сушки, кг/м2×с-кг/100 кг сухого материала;

Wi

влажность материала

в

данный

момент, в

кг/100

кг

сухого

материала;

 

 

 

 

 

 

 

 

Wð

равновесная

влажность

материала(соответствующая

влагосодержанию поступающего

в

сушилку

воздуха

/100в

кгкг

сухого

материала).

 

 

 

 

 

 

 

 

18

Следует

отметить, что

кинетический

закон

описывает

влияние

массопроводности лишь приблизительно. Действительное изменение скорости

 

сушки в

пределах изменения

влажности отWêð

 

до Wp может

и не

следовать

 

линейному закону (пунктирная линия СЕ на рис. 2). В случае, когда при сушке

 

и в результате её поверхность высушиваемого материала покрывается коркой,

 

скорость процесса уменьшается и выражается на графике кривой,

СdЕ

расположенной ниже прямой линии СЕ.

 

 

 

 

 

 

 

В других случаях, когда в результате сушки происходит растрескивание

 

высушиваемого

материала

и

в результате

этого увеличение

поверхности

фазового

контакта, скорость

 

сушки выражается на графике кривой , СеЕ

расположенной выше прямой СЕ. Для практических расчетов

принимают

 

обычно линейный закон, при этом коэффициент скорости процесса определяют

 

опытным путем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель работы: изучить протекание процесса конвективной сушки во

 

времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При

выполнении

работы, студент

практически

строит

 

кривую,

показывающую

изменение

влажности при сушке влажного материала во

времени, а также кривую скорости сушки.

 

 

 

 

 

 

 

Описание работы установки ДИ-8

Сушильная камера представляет собой прямоугольную камеру, в которой расположены элементы основного и дополнительного нагревов. Циркуляция воздуха в сушильной камере осуществляется за счет вынужденной конвекции при помощи вентилятора.

Для сушки материалов в камере размещены два противня, закрепленные на специальных подвесках. Подвеска левого противня посредством рычажного механизма соединена с весами.

19

Регулировка

температуры

в

сушильной

камере

осуществляет

контактным ртутным термометром с магнитным регулированием типа ТКМУ.

Порядок выполнения работы

1.Установить контактный термометр7 на температуру, заданную преподавателем. Установка заданной температуры осуществляется вручную.

2.Включить сушильный шкаф в сеть(8). Включить основной (10) и

дополнительный нагрев (9).

3.При достижении заданной температуры в сушильном шкафу, взвесить высушиваемую пробу на весах4 (взвешивание произвести на чашке весов5,

путем переключения тумблера 11 в положение «освещение шкалы» 6). После перенести пробу на левый поддон (13).

4. Через определенный промежуток времени (по заданию преподавателя)

тумблер 11 устанавливается в положение «освещение шкалы» для определения веса на данный момент времени.

5. После определения веса тумблер11 установить в положение

«электродвигатель».

6. Пункты 4 и 5 повторять до достижения равновесной влажности высушиваемого материала.

20

5

6 7

11

9

8

4

 

10

12

1

 

13

 

2 3

Рис. 3. Схема сушильной установки:

1 – корпус; 2 – электронагреватель; 3 – вентилятор; 4 – весы; 5 – чашка; 6 – шкала; 7 –

контактный термометр; 8 – тумблер «сеть»; 9 – тумблер «дополнительный нагрев»; 10 –

тумблер «основной нагрев»; 11 – тумблер «освещение-электродвигатель»; 12 – подвеска; 13 – поддон