Методика проведения эксперимента

1. Приготовить навески по десять грамм в виде стружки и целого кубика из красной свеклы.

2. Разместить в стаканы.

3.

Конечный рафинат

Е3

Рис.4.8. Схема многоступенчатой экстракции

Конечный экстракт

Исходный раствор

Растворитель

Промаркировать их следующим образом: ГС – стружка залитая горячей водой и не перемешивается; ГС¥– стружка залитая горячей водой и постоянно перемешивается; ГК – куб залитый горячей водой; ГК¥– куб залитый горячей водой с постоянным перемешиванием; ХК – куб залитый холодной водой; ХК¥– куб залитый холодной водой с постоянным перемешиванием; ХС – стружка залитая холодной водой; ХС¥– стружка залитая холодной водой и постоянным перемешиванием; КК – куб залитый водой комнатной температуры; КК¥– куб залитый водой комнатной температуры и постоянным перемешиванием; КС – стружка залитая водой комнатной температуры; КС¥– стружка залитая водой комнатной температуры с постоянным перемешиванием.

4. Подготовить воду. По 600 мл горячей (+70^оС), холодной (+1 ^оС), комнатной температуры воды.

5. Залить воду по 150 мл в соответствии с маркировками в стаканы с горячей, холодной и комнатной температурами. Через каждые 2 минуты проводить балльную оценку измененного цвета (за 0 принять цвет воды, а за 1 – цвет свеклы).

6. В соответствии с маркировкой ¥ постоянно перемешивать палочкой полученный состав в стакане.

7. Заполнить табл.4.1.

8. Построить график изменения цвета по каждому сосуду.

9. Написать выводы по результатам экстрагирования: отвечая на контрольные вопросы.

10. Выбрать схему экстрактора из методического пособия и подробно описать его принцип действия.

Контрольные вопросы:

1. Как называется изучаемый процесс (с подробным описанием увиденного)?

2. Что является движущей силой процесса?

3. Какие основные параметры влияют на скорость процесса(указать по мере значимости для процесса)?

Таблица 4.1

Маркировка стака-на	М, г Масса навес-ки	V, мл, Объем жидкос-ти	to=0, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы	to=2, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы	to=4, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы	to=6, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы	to=8, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы	to=10, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы	Цвета жидкости, описание и баллы
ХК
ХК¥
ГК¥
ГК
КК¥
КК
ГС¥
ГС
ХС¥
ХС
КС¥
КС

Результаты эксперимента

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ

 

Целью работы: повышение уровня знаний о сушке и способах экспериментального построения кривых сушки.

Задачи работы:

1. Закрепить представление о сушке;

2. экспериментально построить кривые сушки при различных способах ее организации: конвективной, сушке в поле СВЧ-излучения, сушке в поле инфракрасного излучения.

Теоретические основы

Сушка – это процесс разделения однородных или неоднородных систем, заключающийся в удалении влаги с использованием тепловых и диффузионных явлений [3]. При сушке влага материала передается сушильному агенту и вместе с ним удаляется из рабочей зоны сушилки.

При феноменологическом описании процесса сушки в качестве обобщенной действующей силы принимают разность концентраций влаги ΔС в фактическом С и равновесном С_р состояниях системы

ΔС=С – С_р.

Фактическая ее концентрация С изменяется в процессе сушки, а равновесная С_р является константой и определяется как состоянием продукта, так и влажностью окружающей среды. При помощи воздуха с определенной влажностью невозможно удалить из материала всю влагу.

При конвективной сушке влага перемещается от центра материала к поверхности, с которой она удаляется сушильным агентом. Это – диффузионный процесс; его движущей силой является разность концентраций влаги на единице длины окружающей среды (). Поэтому феноменологическое выражение для влагопереноса m_w можно записать в виде:

, кг/с,

где F – омываемая поверхность материала, м²;

D₁ – постоянная, называемая также феноменологическим коэффициентом или коэффициентом диффузии.

Влага, находящаяся в порах материала, и осмотически связанная влага мигрируют к поверхности в жидком виде, а адсорбционно связанная – в виде пара.

Процесс сушки включает нагревание сушильного агента и приведение его в соприкосновение с высушиваемым материалом в сушильной камере. Это вызывает отъем влаги сушильным агентом от материала, который включает три этапа:

1) влагоотдача с поверхности материала сушильному агенту, сопровождающаяся осушением поверхностных слоев материала и переходом пара в окружающую среду;

2) перемещение пара в окружающей среде;

3) диффузия влаги из глубины тела к поверхности.

Первый из этих процессов побуждает два других как следствие. Испарение влаги возможно как внутри тела, так и на его поверхности. В обоих случаях дальнейшее движение испаренной влаги происходит от поверхности.

На поверхности материала образуется воздушно-паровой слой, который находится в равновесии с влагой материала; он является насыщенным при температуре материала. Движущая сила диффузии влаги с поверхности материала в окружающую среду – разность парциальных давлений (ΔP) водяного пара в пограничном слое (P_н) и в окружающей среде (P_в):

= Р_н–Р_в.

Парциальное давление пара в пограничном слое материала называют давлением насыщенного пара.

Феноменологическая зависимость массового расхода диффундирующего пара (m) от этих параметров имеет вид:

m= ₁×(Р_н–Р_в)× , кг·Па/с,

где В₁= сonst,

или в величинах относительных давлений:

m= × × , кг·Па/с,

где В= сonst,

Р_бар – барометрическое давление окружающей среды, Па.

Последнее выражение называется законом Дальтона для испарения с влажной поверхности. Постоянная В в нем равна 0,007 кг/(с·м²) при скорости обдувающего воздуха до 0,58 м/с и 0,011 при скорости обдува 1,57 м/с.

Расход влаги должен быть равен потоку влаги, подведенному изнутри к поверхности. Изменение этого потока влаги или связанных с ним величин во времени называют кривыми сушки. На рис. 5.1 а изображена кривая сушки, а на рис. 5.1 б – производная по времени от нее, или кривая скорости сушки.

В начале сушки материал подогревается, и скорость массо­вого потока удаляемой влаги возрастает от нуля до некоторой по­стоянной величины. В этот период удаляется влага, механически связанная с материалом (поверхностная и капиллярная). Процесс продолжается до т. К₁ на кривой скорости сушки. В этот период температура материала, покрытого влагой, равна температуре мокрого термометра. Во втором периоде скорость сушки уменьшается. В этот период удаляется влага, более прочно связанная с материалом, в частности осмотическая, адсорбированная химически связанная. Зависимости изображенной на рис. 5.1 б, соответствуют кривые: 1 – для грубопористых материалов; 2 – для тканей, кожи, макаронного теста; 3 – для пористых керамических материалов; 4 – для сухарей; 5 – для глины.

а б

Рис. 5.1. Кривые сушки (а) и скорости сушки (б)

W_кр – критическая влажность, W_р – равновесная влажность

1 – для грубопористого материала; 2 – для ткани, коже; 3 – для

пористой керамики; 4 – для сухарей; 5 – для глины

 

На кривой скорости сушки можно видеть одну или две критические точки K₁ и K₂. Обе они соответствуют изменению механизмов удаления влаги: до точки К₁ удаляется поверхностная влага и влага пор, после точки К₂ – адсорбционно или осмотически связанная влага.

В первый период сушки (до критической точки К₁) движущей силой процесса является разность давления насыщенного пара или давления в пограничном слое материала и парциального давления пара в окружающей среде (Р_н–Р_в). Скорость сушки в этот период определяется приведенной выше феноменологической зависимостью Дальтона. В этот период скорость диффузии не влияет на скорость сушки.

Во второй период сушки давление паров вблизи поверхности материала ниже равновесного, и определяющее влияние на скорость сушки оказывает диффузия влаги в нем. Движущей силой процесса в этот период можно считать разность фактического и равновесного влагосодержаний высушиваемого материала (W–W_р). Тогда феноменологическая зависимость для скорости процесса примет вид:

; К= сonst.

Начальное влагосодержание для этого периода сушки соответствует критическомуW_к1, а конечное (W_к2) определяется относительной влажностью сушильного агента. Проинтегрировав это уравнение в указанных пределах, получим:

ln ,

где τ₂ – продолжительность второго периода сушки.

Формула определяет экспоненциальную зависимость влажности от времени τ.

Коэффициент «k» определяется обработкой экспериментальных данных. Обычно он представляется следующей аппроксимирующей зависимостью для сложного последовательно протекающего процесса внешнего и внутреннего влагопереноса:

,

где R– определяющий геометрический размер высушиваемого тела (для пластины – половина толщины, для шара – радиус), м;

β– коэффициент внешнего влагообмена, м/ч;

α – коэффициент потенциалопроводности внутреннего массопереноса, м²/ч.

Наиболее интересные явления при сушке связаны с явлением термодиффузии. Термодиффузия заключается в перетекании влаги в глубину высушиваемого материала за счет разности температур его поверхностных и глубинных слоев. При повышении температуры сушильного агента термодиффузия усиливается.

Удаление влаги, мигрировавшей в глубину высушиваемого изделия, затруднено. Вследствие этого попытки ускорить сушку повышением подогрева объекта сушки зачастую приводят к миграции влаги в глубину, высушиванию и подгоранию поверхностных слоев изделий. При последующем охлаждении поверхностные слои изделия вновь увлажняются вследствие обратной миграции влаги диффузией.

 

Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки: 1 – СВЧ-печь; 2 – ИК-нагреватель; 3 – источник СВЧ-излучения; 4 – экспериментальный материал; 5 – термопара и регистратор температуры; 6 – измеритель массы; 7 – датчик влажности; 8 – термоанемометр; 9 – вентилятор

Описание экспериментальной установки. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 5.2.

 

Высушиваемый материал 4 подвешивается на весах в СВЧ-печи 6, в которой он может подвергаться раздельному или комбинированному воздействию СВЧ-излучения от источника электромагнитных волн 3, инфракрасному излучению от нагревателя-гриля 2; конвективному тепловому воздействию теплого воздуха, поток которого создается вентилятором 9 и подогревается нагревателем гриля 2. При этом он сушится, что регистрируется с помощью весов 6, а также по уменьшению влажности отходящего воздуха с помощью датчика влажности 7. Скорость потока отходящего воздуха регистрируется с помощью термоанемометра 8.

Система измерений. В установке используются следующие измерительные средства:

– термоанемометр для измерения скорости воздушного потока;

– термопара для измерения температуры воздушного потока;

– весы для взвешивания высушиваемого продукта;

– датчик влажности воздуха на выходе из установки.

Все датчики заведены в компьютерную систему измерений; их показания обрабатываются в среде LabVIEW и регистрируются на графиках в этой же языковой среде.