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 Tr 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 iB oraz entalpii zawartej w nim wilgoci:
1
 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
pA*
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:
2
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(�) 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 Xk jaką posiada materiał pod koniec I okresu suszenia,
" wilgotność równowagą Xr 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:
3
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.
4
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]
Gw  masa naczynia i materiału wilgotnego [kg]
Gs  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
5
 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] KEMBA
OWSKI 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.
6