1

POLITECHNIKA KRAKOWSKA

im. Tadeusza Kościuszki

WYDZIAŁ INŻYNIERII I TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

INSTYTUT INŻYNIERII CHEMICZNEJ I PROCESOWEJ

INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA

SUSZENIE W UKŁADACH FLUIDALNYCH

Kinetyka suszenia fluidalnego,

konstruowanie uogólnionych krzywych kinetycznych

2

Oznaczenia

Wykaz oznaczeń:

d -

średnica

m

N - szybkość suszenia w I okresie

kg/kg

s

K - szybkość suszenia w II okresie

kg/kg

s

r - ciepło parowania

J/kg

w -

zawartość wilgoci w materiale

kg/kg

α -

współczynnik wnikania ciepła

W/m

2

·K

ρ -

gęstość

kg/m

3

t -

czas

s

H - wysokość złoża m

u - prędkość gazu

m/s

2

 - współczynnik kształtu

Δp - spadek

ciśnienia Pa

g - przyspieszenie

ziemskie

m/s

2

Indeksy dolne:

s - ciało stałe

r,* - równowagowe

kr - krytyczne

I

-

pierwszy okres suszenia

II - drugi

okres

suszenia

1 - początkowe

2 - końcowe

0 - warstwa

nieruchoma

3

Wstęp teoretyczny

Suszenie w układach fluidalnych od wielu lat znajduje szerokie zastosowanie

w przemyśle, głównie przy suszeniu ciał stałych. Współczesna technologia wymaga

wydajnych suszarek o pracy ciągłej, małych kosztach eksploatacyjnych i inwestycyjnych

oraz dużej wydajności. Takimi suszarkami są suszarki fluidyzacyjne. Najistotniejsze ich

zalety to:

 bardzo dobre warunki wnikania ciepła i masy, duża powierzchnia kontaktu

materiału suszonego i czynnika suszącego.

 dokładne wymieszanie złoża, co prowadzi do równomiernego rozkładu

temperatury i wilgotności materiału w złożu.

 możliwość stosowania dodatkowych źródeł ciepła.
 prosta i zwarta konstrukcja, bez ruchomych części.
 stosunkowo niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne

Do wad suszarek fluidyzacyjnych należą:

 ścieranie się cząstek ciała stałego .
 erozja aparatury.
 pylenie, konieczność stosowania urządzeń odpylających.

Projektowanie suszarek fluidyzacyjnych pociąga za sobą długie i kosztowne

badania, łącznie z budowaniem stanowisk testowych w skali laboratoryjnej

i półprzemysłowej. Aby zminimalizować ilość badań, stosuje się metody półempiryczne,

łączące eksperyment z modelem teoretycznym. Jedną z nich jest metoda tworzenia

Uogólnionych Krzywych Kinetycznych suszenia fluidalnego.

Podstawowa terminologia

Fluidyzacja- metoda kontaktowania ziarnistego materiału stałego z płynem (zwykle

gazem), polegająca na utrzymaniu ziaren fazy stałej w stanie zawiesiny w strumieniu płynu

przepływającego ku górze z odpowiednią prędkością.

4

Czynnik fluidyzujący- płyn (gaz lub ciecz), którego strumień przepływając przez złoże

nieruchome cząstek stałych, powoduje wytworzenie zawiesiny o dużym stężeniu materiału

stałego tzw. złoża fluidalnego.

Złoże fluidalne- warstwa zawiesiny materiału ziarnistego, którego ziarna zmieniają

nieustannie zarówno wzajemne względem siebie położenie jak i położenie w stosunku

do ścian naczynia. Warstwa wykazuje charakterystyczną dla cieczy ruchliwość, ciśnienie

hydrodynamiczne, oraz górną powierzchnię swobodną lub obszar graniczny, w którym

występuje gwałtowna zmiana stężenia fazy stałej.

Struktura złoża fluidalnego

W zależności od prędkości przepływającego płynu wyróżnia się kilka etapów procesu

fluidyzacji (rys. 1):

 Przy małych prędkościach płynu cząsteczki ciała stałego pozostają nieruchome, a wraz

ze wzrostem prędkości przepływu płynu wzrasta tylko spadek ciśnienia na warstwie

materiału suszonego.

 Po osiągnięciu prędkości krytycznej warstwa rozluźnia się, a materiał zaczyna

cyrkulować w aparacie na podobieństwo wrzącej cieczy. Wraz ze wzrostem prędkości

przepływu płynu przez złoże spadek ciśnienia prawie nie ulega zmianie.

 Wzrost prędkości przepływu gazu, powyżej prędkości swobodnego opadania ziarna,

powoduje wywiewanie materiału suszonego z aparatu. Fluidyzacja przechodzi

w transport pneumatyczny.

Rys 1. Spadek ciśnienie w złożu fluidalnym w zależności od prędkości przepływu gazu

5

Wyróżniamy różnego rodzaju układy fluidalne, zależne od konstrukcji aparatu,

właściwości materiału suszonego i przepływającego gazu :



Złoże fluidalne jednorodne, gdzie warstwa zawiesiny cząstek stałych

charakteryzuje się jednakowym we wszystkich punktach stężeniem, stałą

porowatością i płaską górną powierzchnią złoża.



Złoże fluidalne niejednorodne o niejednakowym stężeniu fazy stałej we

wszystkich punktach złoża materiału suszonego. Granica jednorodności złoża

fluidalnego jest określona przez liczbę Frouda:

(1)

Fr

kr

< 1.3 - fluidyzacja jednorodna Fr

kr

> 1.3 - fluidyzacja niejednorodna

Fluidyzacja w złożu niejednorodnym (rys. 2):

 fluidyzacja kanalikowa - gdzie większa część strumienia gazu przepływa przez

kanały, nie powodując poruszania całości materiału suszonego.

 fluidyzacja tłokowa - złoże pulsujące, gdzie gaz porusza się warstwami na sposób

tłokowy powodując pulsacyjne wyrzucanie warstw materiału suszonego.

 fluidyzacja fontannowa o niejednorodnym polu prędkości czynnika fluidyzującego.

Materiał jest unoszony w strefie dużej prędkości gazu i opada w strefie małej

prędkości.

 fluidyzacja pęcherzykowa - gdzie nadmiar gazu przepływa w postaci pęcherzyków.

Rys 2. Niejednorodne złoża fluidalne: a) fluidyzacja pęcherzykowa, b) fluidyzacja tłokowa, c) fluidyzacja

kanalikowa, d) fluidyzacja fontannowa

g

d

u

Fr

p

kr

kr





2

6

Uogólnione krzywe kinetyczne

Dane odnośnie kinetyki procesu suszenia fluidalnego otrzymuje się z analizy

wyników eksperymentów dla danej substancji i konkretnych warunków suszenia.

Rezultaty doświadczeń najczęściej przedstawia się w postaci graficznej, sporządzając tzw.

krzywe suszenia (rys 3) lub krzywe szybkości suszenia (rys. 4).

I

II

w

kr

r



w

w

Rys. 3. Klasyczna krzywa suszenia fluidalnego Rys 4. Klasyczne krzywe szybkości suszenia

Charakterystyczną cechą krzywych kinetycznych suszenia fluidalnego jest

stosunkowo krótki okres nagrzewania materiału do temperatury bliskiej temperaturze

mokrego termometru. Zmiana średniej zawartości wilgoci w czasie suszenia określona jest

przez ruch ciepła i masy między powierzchnią cząstek, a czynnikiem suszącym oraz przez

mechanizm przenoszenia wilgoci wewnątrz materiału, uzależniony od własności

strukturalnych i fizykochemicznych substancji suszonej.

Procesy te przebiegają

jednocześnie w trakcie procesu.

W I okresie suszenia (ze stałą szybkością suszenia) największy wpływ na szybkość

suszenia mają parametry hydrodynamiczne układu i własności fizykochemiczne czynnika

suszącego. Równanie kinetyczne dla I okresu suszenia można zapisać następująco[1]:

w

1

 w  w

kr

(19)

gdzie N to stała szybkości suszenia w I okresie.

I

II

w

w

kr

r

w

dw
d



N

d

dw

I



















7

Założenia:

 całe ciepło doprowadzone do kulistej granulki zużywane jest na odparowanie

wilgoci.

 temperatura materiału jest stała i równa temperaturze mokrego termometru.
 odparowanie zachodzi tylko na zewnętrznej, całkowicie pokrytej wilgocią

powierzchni.

Na II okres suszenia (ze zmniejszającą się szybkością suszenia) największy wpływ

ma rodzaj i struktura materiału oraz mechanizm ruchu wilgoci wewnątrz materiału

suszonego. W zależności od rodzaju, struktury materiału oraz jego wilgotności

mechanizm ruchu wilgoci jest różny i podporządkowany odpowiednim prawom

fizycznym. Równanie kinetyczne II okresu suszenia można przedstawić w postaci:

w

 w

r

(20)

gdzie K to stała szybkości suszenia w II okresie.

Dla znanej liczby substancji krzywa suszenia w II okresie przetransformowana do

układu współrzędnych ln(w-w

r

) = f(N

) jest praktycznie linią prostą lub łamaną

składającą się z dwu, względnie i-tej liczby odcinków. W najprostszym przypadku

dla równania (20) n = 1.

Stałe K i N uzależniono wprowadzając względny współczynnik suszenia

.

(21)

Całkowanie równania (20) przy uwzględnieniu równania (21) oraz n= 1 daje

zależność:

(22)

Krzywe suszenia danej substancji otrzymane przy różnych warunkach procesu, ale

przy tej samej początkowej zawartości wilgoci tworzą jedną, uogólnioną krzywą

w układzie współrzędnych (w-w

r

)=f(N

). Powyższe stwierdzenie można zapisać

następująco:

(23)





n

r

II

w

w

K

d

dw























N

w

w

N

K

r

kr











1



)

exp(

)

(

II

r

kr

r

N

w

w

w

w

















const

N

N

N

N

n

n





























2

2

1

1

8

gdzie:

Czas suszenia do jednakowej dla wszystkich warunków wilgotności.

Stałe szybkości I okresu dla poszczególnych warunków suszenia.

Uogólnioną krzywą suszenia można przedstawić w bezwymiarowym układzie

współrzędnych:

(28)

Znosi to ograniczenie dotyczące jednakowej początkowej zawartości wilgoci dla

danej substancji i znacznie rozszerza obszar warunków suszenia, na które rozprzestrzenia

się podobieństwo, pozwalając zminimalizować zakres eksperymentu. Jeśli znana jest

uogólniona krzywa suszenia (w granicznym przypadku można ją wyznaczyć

dla określonych, dostępnych warunków suszenia) to można sporządzić krzywą kinetyczną

dla warunków projektowanych.

Stosowanie metod uogólnienia krzywych kinetycznych wymaga znalezienia wartości

szybkości suszenia w I okresie procesu. Po uwzględnieniu w/w założeń, wielkość tą

można obliczyć z równania:

(29)

Do wyznaczenia współczynnika wymiany ciepła stosuje się równania kryterialne

typu:

(30)

Określenia szybkości suszenia w pierwszym okresie suszenia fluidalnego N jest

możliwe poprzez zastosować modeli złoża pęcherzykowego.



n







,

,

,

2

1





n

N

N

N

,

,

,

2

1













 



1

1

1

w

N

f

w

w



s

s

d

r

T

N





















6

















,

Pr,

,

Re,

0

s

d

H

Ar

f

Nu

9

Część doświadczalna

Opis stanowiska:

Suszenie w złożu fluidalnym

Stanowisko do badań suszenia fluidalnego ciał stałych przedstawiono na schemacie

(rys. 5)

Rys. 5 Instalacja do badania kinetyki suszenia fluidalnego.

1. Kolumna fluidyzacyjna, 2. Manometr różnicowy, 3. Izolacja, 4. Dystrybutor gazu, 5. Nagrzewnica, 6.

Licznik energii elektrycznej, 7. Rejestrator, 8. Dmuchawa, 9. Zawór regulacyjny, 10. Rotametr, 11. Czujniki

temperatury

Powietrze tłoczone jest dmuchawą przemysłową (8) poprzez rotametr (10)

do nagrzewnicy elektrycznej (5) i następnie do dolnej części kolumny fluidyzacyjnej (1),

gdzie struga jest rozdzielana na specjalnie do tego zbudowanym stożku - dystrybutorze

gazu (4). Następnie powietrze przepływa przez ruszt złożony z dwóch siatek o różnej

średnicy oczek i dalej w kolumnie(1) przez złoże powodując fluidyzacje. Średnica

kolumny wynosi 74 mm.

10

Stanowisko badawcze wyposażone jest w szereg urządzeń pomiarowych. Rotametr

(10) wraz z zaworem (9) daje możliwość płynnej regulacji i pomiaru natężenia przepływu

doprowadzonego gazu.

Manometr różnicowy (2) (U-rurka) umożliwia mierzenie spadku ciśnienia.

Jest podłączony do kolumny fluidyzacyjnej przed rusztem oraz na wysokości złoża.

U- rurka wypełniona jest wodą i pozwala mierzyć spadek ciśnienia na dystrybutorze

i złożu.

Termopary (11) umieszczone za nagrzewnicą oraz w złożu lub na wylocie gazu

z kolumny są połączone z rejestratorem z samoczynnym przesuwem taśmy (7). Termopary

pozwalają na dokładny pomiar temperatury gazu wlotowego i złoża lub gazu wylotowego.

Termopara umieszczona za nagrzewnicą(5) spełnia funkcję regulacyjną. Pozwala ona

ustawić na rejestratorze określoną temperaturę gazu wlotowego. Po osiągnięciu przez

czynnik suszący żądanej temperatury następuje automatyczne wyłączenie nagrzewnicy.

Nagrzewnica ponownie włączy się, jeżeli temperatura czynnika spadnie poniżej

nastawionej.

Nagrzewnica podłączona jest do źródła zasilania poprzez licznik energii elektrycznej

(6), umożliwiający określenie ilości energii zużytej do ogrzania przepływającego gazu.

Do pomiaru wilgotności powietrza wlotowego oraz wylotowego używane są

mierniki elektryczne z sondą psychrometryczną, posiadające również możliwość pomiaru

temperatury.

Konstrukcja stanowiska umożliwia wymianę rusztu. Jest ono wyposażone w dwa

rodzaje rusztów:

 złożony z dwóch płaskich siatek ze stali nierdzewnej o różnej średnicy

oczek.

 złożony z płaskiej siatki, oraz siatki z elementem stożkowym również

wykonanych ze stali nierdzewnej.

Pobieranie próbek złoża do określania ich zawartości wilgoci następuje poprzez

sondę, zbudowaną z małej metalowej szalki zaczepionej na długim, twardym stalowym

drucie. Jednorazowo sondą można pobrać ok. 0.2 g materiału suszonego z kolumny

fluidyzacyjnej. Sonda poprzez małe rozmiary oraz niewielką ilość pobieranej próbki

nie zakłóca procesu suszenia w kolumnie.

11

Suszenie w suszarce konwekcyjno- komorowej

Materiał suszony umieszcza się wewnątrz suszarki na specjalnych półkach

(rusztach) a następnie suszarka jest szczelnie zamykana. Suszarka konwekcyjno-

komorowa posiada pokrętło regulujące temperaturę. Po osiągnięciu żądanej temperatury

elektryczne grzałki suszarki wyłączają się.

Próbki materiału suszy się w naczyńkach wagowych w ilości ok. 1 g . Ważenie

zarówno przed, jak i po suszeniu odbywa się na wadze elektronicznej o dokładności

do 0.001 g.

Metodyka badań

Celem ćwiczenia jest badanie kinetyki suszenia materiału przygotowanego do

analizy w różnych suszarkach znajdujących się w laboratorium, a następnie sporządzenie

krzywych kinetycznych oraz uogólnionej krzywej kinetycznej dla danego materiału.

Materiał do badań i zakres ćwiczenia przedstawia prowadzący zajęcia.

Suszenie fluidalne

 Badany materiał, w ilości odpowiedniej do założonej wysokości statycznej złoża

(74 mm), nawilżyć wcześniej do zawartości wilgoci 30 - 45 %, w zależności od

rodzaju materiału. Zbyt duża ilość wody spowoduje sklejanie się materiału

i uniemożliwi fluidyzacje.

 Przygotować czyste i zważone naczyńka wagowe do pobierania próbek materiału

w trakcie procesu suszenia fluidalnego, ok. 20 sztuk.

 Nastawić żądaną temperaturę na rejestratorze, włączyć dmuchawę a po 10

minutach nagrzewnicę. Doprowadzić układ do

stanu równowagi cieplnej,

ok. 60 min.

 Zasypać kolumnę odmierzoną wcześniej ilością złoża.
 W mierzonych odstępach czasu (na początku co 1, 2, następnie co 5 min) pobierać

sondą do naczyniek wagowych próbki materiału suszonego (pierwszą próbkę

pobrać przed zasypaniem kolumny), a następnie je zważyć. Suszyć materiał 30- 60

min w zależności od nastawionej temperatury.

 Pobrane podczas eksperymentu próbki po zważeniu suszyć do stałej masy

w suszarce komorowej w temperaturze ok. 120°C i zważyć.

12

 Usunąć pozostały suszony materiał z kolumny za pomocą odkurzacza.

Suszenie w suszarce komorowej

 Badany materiał nawilżyć do zawartości wilgoci 30 -45 %, w zależności od jego

rodzaju.

 Po włączeniu grzałek i nastawieniu żądanej temperatury doprowadzić układ do

stanu równowagi cieplnej. Stabilizacja trwa ok. 20 min.

 Próbki po ok. 1 g przenieść do wcześniej zważonych naczyniek wagowych (15-20)

i umieścić w suszarce.

 W mierzonych odstępach czasu (na początku co 2, następnie co 5 min) wyciągać

i ważyć kolejne naczyńka wagowe z suszarki.

 Po zważeniu wszystkich naczyniek, suszyć próbki do stałej masy w suszarce

komorowej w temp. 120°C i po procesie zważyć.

Opracowanie wyników badań

Na podstawie zmierzonych mas próbek obliczyć procentową zawartość wilgoci

materiałów w danym czasie trwania procesu:

Masę odparowanej wody m

w

obliczyć z różnicy pomiędzy wagą przed i po suszeniu

próbki do stałej masy. Masę suchego ciała stałego m

s

obliczyć z różnicy pomiędzy masą

próbki po suszeniu do stałej masy a masą samego naczyńka wagowego.

Wyniki przedstawić w tabelach oraz w postaci graficznych zależności w układzie:

Oznaczenia w tabelach:

m

1

[g] – masa próbki (z naczyńkiem) po suszeniu

m

2

[g] – masa próbki (z naczyńkiem) po suszeniu do stałej masy

m

n

[g] - masa naczyńka wagowego

m

s

[g] - masa suchego materiału

m

w

[g] - masa wody zawartej w materiale

w [%] – zawartość wilgoci

%

100





s

w

m

m

w

)

(



f

w



13

Przykładowa tabela suszenia fluidalnego

materiał suszenie

fluidalne

temp.

wlot. [°C]

natężenie

[m

3

/h]

temp.ot.

[°C]

wilg. ot. [%]

wys. złoża

[mm]

czas [min]

m

1

[g]

m

2

[g]

m

n

[g]

m

s

[g]

m

w

[g]

w [%]

Przykładowa tabela suszenia w suszarce komorowej

Następnie utworzyć uogólnione krzywe kinetyczne postaci wykresu zależności:

Stałą prędkości suszenia w pierwszym okresie N dla każdego procesu wyznaczyć

z wykresów krzywych kinetycznych suszenia. W pierwszym okresie suszenia krzywa

kinetyczna jest zbliżona do linii prostej, a N jest współczynnikiem kierunkowym tej

prostej.

gdzie indeksy a i b oznaczają granice pierwszego okresu suszenia fluidalnego.

Na wspólnym wykresie przedstawić i porównać uogólnione krzywe kinetyczne

z suszarki fluidyzacyjnej, komorowej dla danego materiału.

materiał suszarka

komorowa

temperatura suszenia [°C]

czas [min]

m

1

[g]

m

2

[g]

m

n

[g]

m

s

[g]

m

w

[g]

w [%]

)

(

1

1

w

N

f

w

w







b

a

b

a

w

w

N









