масообменные процессы
.pdf
|
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