Кафедра "Процеси і апарати хімічної технології"

Лабораторна робота № 26

"Дослідження кінетики процесу сушіння дисперсного матеріалу у псевдо зрідженому шарі"

Виконав:

ст. гр. ХТ-35

Іванкевич Р.

Львів 2007

1. Мета роботи

   1. Побудувати криву сушіння дисперсного матеріалу у псевдозрідженому шарі.

   2. Визначити графічно на основі дослідних даних швидкість сушіння в першому періоді і коефіцієнт швидкості сушіння в другому періоді.

   3. Розрахувати швидкість сушіння в першому періоді теоретично за рівнянням (11) і порівняти це значення з отриманим практично.

2. Теоретичні основи

Сушарки з псевдозрідженим (киплячим) шаром належать до одного з найпрогресивніших типів апаратів для конвективного сушіння дисперсних зернистих матеріалів. Останнім часом вони набули застосування і для сушіння пастоподібних матеріалів. Перевага цих сушарок у тому, що псевдозрідження дозволяє створити практично максимальну поверхню контакту між висушуваним матеріалом і газоподібним теплоносієм, оскільки кожна частинка омивається потоком газу.

Кінетика сушіння – це сукупність закономірностей, яка в тій чи іншій формі описує зміну вологості матеріалу протягом сушіння, тобто в часі, залежно від властивостей висушуваного матеріалу і параметрів теплоносія.

Найпростіший шлях вивчення кінетики сушіння – експериментальний. У конкретному процесі сушіння при фіксованих параметрах теплоносія визначають вологість висушуваного матеріалу через різні інтервали часу від початку процесу. Отримані так дані використовують для побудови кінетичних кривих сушіння: "кривої сушіння" (рис.1) і "кривої швидкості сушіння" (рис.2).

"Крива сушіння" – це графічне відображення зміни біжучої вологості матеріалу залежно від часу сушіння.

Для подання вологості матеріалу використовують величини різних розмірностей:

u – вміст вологи в кг, віднесений до 1 кг сухої речовини, кг/кг;

U – те ж саме в % (U = 100u);

w – вміст вологи, віднесений до 1 кг вологого матеріалу, кг/кг;

W – те ж в % (W=100w); цю величину іноді називають "процентною" концентрацією вологи в матеріалі.

Типова крива сушіння показана на рис. 1. На ній можна виділити три характерних ділянки.

1-ша ділянка – період стабілізації температури матеріалу. В кінці цього періоду температура матеріалу наближається до температури мокрого термометра. Вологість матеріалу змінюється незначно.

2-га ділянка – період постійної швидкості сушіння, або "перший період сушіння".

Швидкість сушіння – це зміна вологості матеріалу за одиницю часу.

(1)

Рис. 1 Крива сушіння

Рис. 2. Крива швидкості сушіння

Періоду постійної швидкості відповідає прямолінійна ділянка кривої сушіння вс, тобто .Температура матеріалу в першому періоді сушіння також постійна і дорівнює температурі мокрого термометра.

3-тя ділянка – період падаючої швидкості, або другий період сушіння. Цьому періоду сушіння відповідає криволінійна ділянка кривої сушіння – cd, який при    асимптотично наближається до рівноважної вологості матеріалу U_p.

Температура матеріалу зростає, наближаючись при    до температури теплоносія.

Вологість матеріалу, яка відповідає переходу від першого до другого періоду сушіння (ордината точки С на рис. 1), називають критичною вологістю матеріалу.

Швидкість сушіння в першому періоді лімітується швидкістю відведення пари з поверхні матеріалу в ядро потоку теплоносія. У цьому періоді сушіння кількість вологи, що видаляється з висушуваного матеріалу за одиницю часу, віднесена до одиниці поверхні сушіння, практично дорівнює кількості вологи, яка випаровується з відкритої поверхні рідини, температура якої дорівнює температурі мокрого термометра. Вона визначається з рівняння Дальтона:

, (2)

де G_w – маса вологи, яка видаляється з матеріалу, кг;

F – поверхня матеріалу, що контактує з теплоносієм, м²;

 – час сушіння;

 – коефіцієнт масовіддачі, с/м;

Р – парціальний тиск водяної пари в ядрі теплоносія, Н/м²;

P_s – парціальний тиск насиченої водяної пари при температурі мокрого термометра, Н/м².

Величина різниці парціальних тисків на поверхні матеріалу і в ядрі потоку теплоносія – (P_s-P) впливає на величину швидкості сушіння. Цю різницю називають рушійною силою сушіння. Величини P_s і Р можуть бути визначені за допомогою діаграми Рамзіна по відомій температурі і відносному вологовмісту теплоносія (повітря). Коефіцієнт масовіддачі під час висушування матеріалів, зволожених водою при невисоких температурах теплоносія можна вирахувати за наближеним рівнянням:

, (3)

де  – швидкість теплоносія відносно поверхні висушуваного матеріалу, м/с.

У псевдозрідженому шарі:

, (4)

де ₀ – фіктивна швидкість, тобто швидкість теплоносія віднесена до повного перерізу апарата, м/с.

 – порізність псевдозрідженого шару.

, (5)

де Н₀ і Н – висота нерухомого і псевдозрідженого шару, м;

₀ – порізність нерухомого шару.

Поверхня монодисперсною матеріалу визначається так:

Сумарна поверхня всіх n частинок:

F = n_Fd², (6)

де d – розмір частинки, м;

_f – коефіцієнт пропорційності (для кулеподібних частинок _F = ).

Кількість частинок виразимо через загальну масу і масу одиничної частинки:

(7)

де G_сух – маса сухого матеріалу, кг;

G_1.сух – середня маса одної сухої частинки, кг;

_v – коефіцієнт пропорційності (для кулеподібних частинок _v = );

_сух – густина сухого матеріалу.

Підставимо (7) в (6) і отримаємо

,

 об'єм матеріалу. Його можна визначити, знаючі порізність і висоту нерухомого шару матеріалу.

V_M = H₀S(l  ₀), (8)

де S – площа перерізу апарата, м².

Отже, для розрахунку поверхні сушіння отримуємо рівняння

, (9)

Де  = – коефіцієнт форми частинок.

Кількість вологи, що видаляється з вологого матеріалу за час :

G_w = u₀  G_cyx  uG_сух (10)

Звідси швидкість сушіння:

Введемо цей вираз в рівняння Дальтона

Для визначення швидкості сушіння в першому періоді (позначимо її N) отримаємо

(11)

Знак "" в рівнянні (11) вказує на те, що вологість матеріалу під час сушіння зменшується.

Швидкість сушіння у другому періоді лімітується швидкістю переміщення вологи у висушуваному матеріалі до його поверхні. У першому наближенні її можна описати рівнянням Ликова-Шервуда

, (12)

де k – коефіцієнт швидкості сушіння, с^1.

У другому періоді сушіння рушійна сила визначається як різниця між фактичною і рівноважною вологістю матеріалу: u = u  u_p.

Розділимо у рівнянні (12) змінні і проінтегруємо його:

Отримаємо

, (13)

Звідси

, (14)

Рівняння (14) описує ділянку кривої сушіння, що відповідає періоду падаючої швидкості сушіння. Якщо рівноважна вологість матеріалу незначна, тобто, якщо u_р = 0, то рівняння (14) можна спростити

, (15)

де u_кр і _кр – критична вологість матеріалу і час. за яке біжуча вологість досягає критичного (див. рис. 1).