Послідовність виконання роботи

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.

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 t ® ¥ асимптотично наближається до рівноважної вологості матеріалу U_p.

Температура матеріалу зростає, наближаючись при t ® ¥ 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 зповерхні матеріалу в ядро потоку теплоносія. У цьому періоді сушіння кількість вологи, що видаляється звисушуваного 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;

t – час сушіння;

b – 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 u – швидкість теплоносія відносно поверхні висушуваного матеріалу, м/с.

У псевдозрідженому шарі:

, (4)

де u₀– фіктивна швидкість, тобто швидкість теплоносія віднесена до повного перерізу апарата, м/с.

e – порізність псевдозрідженого шару.

, (5)

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

e₀ – порізність нерухомого шару.

Поверхня монодисперсною матеріалу визначається так:

Сумарна поверхня всіх n частинок:

F = nc_Fd², (6)

де d – розмір частинки, м;

c_f – коефіцієнт пропорційності (для кулеподібних частинок c_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;

c_v – коефіцієнт пропорційності (для кулеподібних частинок c_v = );

r_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 - e₀), (8)

де S – площа перерізу апарата, м².

Отже, для розрахунку поверхні сушіння отримуємо рівняння

, (9)

Де c = – коефіцієнт форми частинок.

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

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: Du = 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 t_кр – критична вологість матеріалу і час. за яке біжуча вологість досягає критичного (див. рис. 1).

ОПИС УСТАНОВКИ

Рис.3. Принципова схема дослідної установки:

І – сушильна камера; 2 – газорозподільна решітка; 3 – газохід; 4 - трубка Піто-Прандтля;

5 - мікроманометр; 6 – шибер; 7 – калорифер; 8 – відцентровий вентилятор; 9 – термометр;

10 – люк для завантаження матеріалу; 11 – пробовідбірний патрубок; 12 – оглядове вікно

Установка для сушіння дисперсних матеріалів у псевдозрідженому шарі, рис. 3, містить циліндричну сушильну камеру 1 з газорозподільною решіткою. Теплоносієм є атмосферне повітря, яке підігрівається в електрокалорифері 7. Витрата повітря регулюється шиберами 6. Переміщення повітря через калорифер і сушарку здійснюється відцентровим вентилятором 8.

Температура теплоносія вимірюється скляним термометром 9. Для завантаження матеріалу в сушарку передбачений люк 10.

Псевдозріджений стан утворюється при продуванні теплоносія знизу вверх через шар зернистого матеріалу, розташованого на решітці 2. Спостереження за псевдозрідженим шаром і вимірювання його висоти за допомогою лінійки здійснюється через скляні вікна 12. Відбір проб вологого матеріалу під час сушіння і вивантаження висушеного матеріалу здійснюється через патрубок 11. Патрубок 11 може зміщуватись відносно вивантажувального отвору з камери так, що цей отвір або перекривається наглухо, або з'єднується з приймальною посудиною для відбору матеріалу. Цим забезпечується задана періодичність відбирання проб.

Швидкість руху теплоносія у трубопроводі, а потім і в сушильній камері вираховується по величині гідродинамічного напору, який вимірюється мікроманометром 5, який з'єднаний з трубкою Піто-Прандтля 4. Проби матеріалу відбираються в металеві бюкси. Видалення вологи з проб відбувається в сушильній шафі.

ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1) У вимірний стакан (мензурку) відібрати 1 літр вологого матеріалу. Долити води до верхнього рівня шару матеріалу, а потім обережно злити її в вимірний циліндр і виміряти об'єм. Об'єм води дорівнює об'єму порожнин у нерухомому шарі зернистого матеріалу.

2) Включити вентилятор, відкрити шибери 6, після чого включити калорифер і прогріти установку до заданої температури.

3) З вихідного вологого матеріалу відібрати 2-3 проби для визначення його початкової вологості.

4) Перекрити шибер 6 і по можливості швидше засипати вологий матеріал в сушильну камеру через люк 10. Відкрити шибер 6, одночасно включити секундомір. Переконатись, що псевдозрідження матеріалу стійке.

5) Відібрати проби висушуваного матеріалу, записуючи за секундоміром час відбирання проб. Частота відбирання проб вказується викладачем. Проби відбираються через патрубок 11 у вузькогорлу колбу, щоб уникнути розсипання матеріалу, а потім висипаються в металеві бюкси, які заповнюються приблизно на 2/3 ємності. Для уникнення плутанини, необхідно, щоб номери бюксів збігалися з порядковими номерами проб. Під час відбирання проб, тобто упродовж всього процесу сушіння секундомір не зупиняється.

6) Зважити бюкси з пробами і помістити їх у сушильну.шафу. Висушування проб у сушильній шафі триває 40-50 хв. при температурі 130-150 °С. Бюкси з висушеними пробами охолоджуються до кімнатної температури, а потім повторно зважуються.

7) Одночасно з відбиранням проб під час сушіння виміряти величину динамічного напору у трубопроводі.

8) Результати всіх вимірювань записати в таблиці.