1

Inżynieria Chemiczna - Laboratorium

Ćwiczenie 9

BADANIE KINETYKI PROCESU SUSZENIA

Wprowadzenie teoretyczne

Suszenie jest operacja technologiczną obejmującą wymianie ciepła i masy, której

towarzyszą zmiany strukturalno – mechaniczne, a czasem i chemiczne materiału suszonego.

Najczęściej celem suszenia jest zmniejszenie masy materiału, zwiększenie wytrzymałości lub

trwałości produktów.

Do

obliczeń procesowych konieczna jest znajomość parametrów termokinetycznych

powietrza wilgotnego i ich zmiany w toku procesu suszenia. Wilgotność bezwzględna

masowa powietrza jest to masa pary wodnej przypadająca na 1 kg suchego powietrza:

Masa pary wodnej zawartej w powietrzu jest największa, gdy prężność cząstkowa pary

wodnej osiąga wartość prężności nasycenia:

Wilgotność względną powietrza określa się jako stosunek prężności cząstkowej pary

wodnej w powietrzu do prężności pary wodnej w danej temperaturze:

Temperatura punktu rosy T

r

jest to temperatura, w której mieszanina powietrza i pary

wodnej osiągnie stan nasycenia podczas chłodzenia pod stałym ciśnieniem bez kontaktu z

fazą ciekłą. Obniżenie temperatury mieszaniny gazowej poniżej punktu rosy powoduje

wydzielanie się wody w postaci pary nasyconej.

Entalpia powietrza odnoszona do jednostki masy powietrza suchego jest sumą entalpii

powietrza suchego i

B

oraz entalpii zawartej w nim wilgoci:

2

Podczas suszenia procesowi przenikania substancji z jednej fazy do drugiej

(parowanie cieczy) towarzyszy wymian ciepła – temperatury faz nie są jednakowe. Ilość

ciepła przekazywanego cieczy przez gazowy czynnik suszący w wyniku konwekcji w

temperaturze gazu T wyżej niż temperatura materiału T

*

wynosi:

Ilość odparowanej cieczy wyznacza się z równania przenikania masy. Ciecz w postaci

pary przechodzi w fazę gazową i przekazuje ciepło parowania:

Sumaryczne

ciepło przekazywane od gazu do cieczy i zużywane na jej ogrzanie

wynosi:

W

miarą ogrzewania temperatura cieczy wzrasta, a więc również ciśnienie nasycenia

p

A

*

Warunek jednoczesny wymiany ciepła i masy opisuje związek:

z którego wynika „równanie wilgotnego termometru”:

Stan równowagi zostanie zakłócony, gdy powierzchnia wilgotnego ciała wskutek

niedostatecznego dopływu wilgoci z wnętrza ulegnie osuszeniu. Stosunek współczynników

wnikania ciepła i masy dla procesu odparowania wody do otaczającego powietrza opisóje

wzór empiryczny:

Wilgotność właściwa materiału wyraża się w stosunkach masowych:

3

Szybkość suszenia definiuje się jako ilość wilgoci odprowadzanej z materiału w

jednostce czasu, na jednostkę powierzchni suszonej:

Rys. 14.1. Krzywa szybkości suszenia [4]

Przebieg procesu suszenia można zobrazować przez sporządzenie wykresów

zależności X = f(τ) i g = f(X), z których łatwo zauważa się, że proces suszenia odbywa się

odmiennie w dwóch zasadniczych okresach (rys. 14.1). Z wykresu krzywej szybkości

suszenia można wyznaczyć dwie charakterystyczne wielkości:

• wilgotność krytyczną X

k

jaką posiada materiał pod koniec I okresu suszenia,

• wilgotność równowagą X

r

a więc zawartość wilgoci w ciele suszonym, pozostającą w

równowadze z prężnością cząstkową pary wodnej zawartej w przepływającym

czynniku suszącym; jest to graniczna, najmniejsza wilgotność, jaką teoretycznie może

osiągnąć ciało suszone w danych warunkach suszenia

Stałe suszenia wynoszą odpowiednio:

4

Zawartość wilgoci w materiale wyznacza się:

• metodą bezpośrednią poprzez odnotowywanie zmian próbki w czasie suszenia, aż do

osiągnięcia stanu równowagi,

• metodami chemicznymi (reakcje jodu lub węglika wapnia w obecności wody, które

ustają w momencie zużycia całkowitej zawartości wilgoci),

• metodą azeotropową,
• metodą konduktometryczną,
• metodami pojemnościowymi.

Wilgotność czynnika suszącego ocenia się:

• metoda bezwzględną z przyrostu masy czystego absorbentu wilgoci (kwas siarkowy,

chlorek wapnia itp.),

• metoda punktu rosy, wykorzystującą pomiar temperatury, w której rozpoczyna się

kondensacja pary wodnej z powietrza na gładkiej powierzchni,

• z użyciem różnego typu psychrometrów

Metodyka pomiarów

Celem

doświadczenia jest wyznaczanie kinetyki procesu suszenia oraz

charakterystycznych wilgotności badanych materiałów.

5

Rys. 14.2. Schemat przykładowego układu badawczego: 1 – wentylator, 2 – osłona

wentylatora, 3 – nagrzewnica, 4 – komora, 5 – waga, 6 – podstawka pomiarowa, 7 – materiał

badany, 8 – termometr

Na

wstępie umieszcza się w naczyniu pomiarowym zwilżony badany materiał o znanej

pierwotnej masie materiału suchego. Włączamy suszarkę do zadanej temperatury.

Umieszczamy naczynie pomiarowe z materiałem badanym na wadze, jednocześnie włączając

stoper i odnotowujemy masę próbki. Wskazania wagi odnotowuje się w zadanych równych

odstępach czasu aż do uzyskania przez okres 30 minut stałej wagi.

Opracowanie wyników badań

Masę wody zawartej w materiale suszonym wyznacza się ze wzoru:

gdzie:

W – masa wody [kg]

G

w

– masa naczynia i materiału wilgotnego [kg]

G

s

– masa naczynia i materiału wysuszonego [kg]

Wilgotność właściwą badanej próbki opisuje wzór:

gdzie S oznacza masę materiału suchego.

Natężenie parowania określa zależność:

a masową prędkość suszenia:

gdzie F jest powierzchnią ciała suszonego pozostającą w bezpośrednim kontakcie z

czynnikiem suszącym.

Wynik pomiarów przedstawia się w postaci tabelarycznej oraz graficznej dla

zależności

6

Z wykresów kinetycznych wyznacza się kolejno okresy suszenia i charakterystyczne

wilgotności, a następnie metodą rachunku wyrównawczego oblicza się stałe suszenia.

Tabela 14.1

Tabela pomiarowo - obliczeniowa (wzór)

Literatura

[1] KEMBŁOWSKI z., Michałowski S., Strumiło Cz., Zarzycki R., Podstawy teoretyczne

inżynierii chemicznej i procesowej, Warszawa, WNT 1982

[2] Lebiediew P.D., Wymienniki ciepła. Urządzenia suszarnicze i chłodnicze, Warszawa,

WNT 1986.

[3] Serwiński M., Zasady inżynierii chemicznej. Operacje jednostkowe, Warszawa, WNT

1971

[4] Strumiłło Cz., Podstawy teorii i techniki suszenia, Warszawa, WNT 1983.

[5] Praca zbiorowa, inzynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego, Warszawa,

WNT 1982.