Wydział Chemiczny

KINETYKA PROCESU SUSZENIA W SUSZARCE BĘBNOWEJ

Laboratorium inżynierii chemicznej

Grupa 2

(TCC3055l )

czwartek 8.15-11.00

Opracował:

Dariusz Łozak

Składowe			Punktacja
I	Opracowanie arkusza wyników (schemat aparatury, metodyka badań, wyniki badań), oznaczenia		(0-5), min. 2
II	Przykład obliczeniowy		(0-5), min. 3
III	Wnioski		(0-5), min. 2
∑
Punkty	Ocena
< 8 8 - 9 10 11-12 13 14 15	2.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Wrocław, 19.04.2006

Oznaczenia:

		0Z		Powierzchnia otworu zwężki	m^2
		Cpg		Ciepło właściwe powietrza	kg/(kgK)
		D		Średnica bębna suszarki	m
		g		Przyspieszenie ziemskie	m/s^2
		H		Długość suszarki	m
		Hc		Różnica wysokości cieczy manometrycznej w manometrze mierzącym spadek ciśnienia na zwężce pomiarowej	m
		Hp		Wysokość jednostkowa wnikania ciepła	m
		Mg		Masa molowa powietrza	kg/mol
		mg		Masowe natężenie przepływu powietrza	kg/s
		m”g		Średnia prędkość przepływu powietrza	kg/(m^2s)
		n		Liczba obrotów bębna suszarki	min^-1
		Np		Liczba jednostek wnikania ciepła	-
		pg		Ciśnienie powietrza	Pa
		R		Stała gazowa	J/(molK)
		Tg		Temperatura powietrza	K
		tg		Temperatura powietrza	^0C
		tg1		Temperatura powietrza na wlocie do suszarki	^0C
		tg2		Temperatura powietrza na wylocie do suszarki	^0C
		Ttm		Temperatura termometru mokrego (zmierzona na wylocie z suszarki)	^0C
		Δtm		średnia logarytmiczna różnica temperatur	^0C
		Q		Strumień ciepła	W
		V		Objętość bębna suszarki	m^3
		V'		Objętościowe natężenie przepływu powietrza	m^3/s
symbole greckie
				współczynnik przepływu zwężki pomiarowej	-
	v			Całkowity, objętościowy współczynnik wnikania ciepła	W/(m^3K)
	β			Stopień rozwarcia kryzy	m
	Ρc			Gęstość cieczy manometrycznej	m^2/s^3
	Ρg			Gęstość powietrza	kg/ m^3

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wysokości jednostki wnikania ciepła H_p oraz liczby jednostek wnikania ciepła N_p w suszarce bębnowej podczas suszenia ziaren rzepaku.

2. Aparatura

Schemat instalacji badawczej pokazano na rysunku 1 w załączniku A.

Powietrze zasysane wentylatorem jest tłoczone do nagrzewnicy elektrycznej, a następnie do bębna suszarki. Temperatury powietrza są mierzone na wejściu i wyjściu termometrami rtęciowymi. Materiał wilgotny uprzednio przygotowany jest podawany ze zbiornika surowca dozownikiem wibracyjnym do górnego końca bębna. Wysuszony produkt odprowadzony jest przez zsyp do zbiornika produktu, a następnie ważony.

3. Metodyka badań

Bierzemy przygotowane wiadro z suchym ziarnem rzepaku, następnie wlewamy do niego około 50 cm³ wody i dokładnie mieszamy ziarno, aby było wilgotne. Po odczekaniu około dziesięciu minut i sprawdzeniu czy cała woda została wchłonięta, wsypujemy zawartość wiadra do podajnika, z którego ziarno jest przenoszone do suszarki bębnowej. W czasie suszenia robimy pomiar temperatury na wlocie i wylocie bębna suszarki oraz notujemy spadek ciśnienia. Po odebraniu ziarna u dołu suszarki bębnowej, następuje zważenie, a następnie ponownie wsypujemy do podajnika i przeprowadzamy jeszcze raz proces suszenia.

4. Wyniki badań

UWAGA ! W trakcie doświadczenia zapisane błędne dane, dlatego za zgodą prowadzącego do dalszych obliczeń przyjmuję następujące wartości:

	Na wlocie [C] tg1	na wylocie [C]
				Suchy tg2	Mokry tm
przed suszeniem	74,5	66	34,5
po suszeniu1	78	61	36
przed suszeniem	68,5	63	35
po suszeniu2	70	60	36

Tabela 1. Dane potrzebne do przeprowadzenia obliczeń

symbol	0Z [ ]	D [m]	H [m]	Hc [m]	Mg [ ]	pg [Pa]		[kg/m^3]	[kg/m^3]	β
wielkości		0.21	1.2	0.080	29*10^-3	1.013 *10^5	0.62	1.04	998	0.60

5 Metodyka obliczeń - przykład obliczeniowy

5.1.1 Na początku obliczam gęstość powietrza dla temperatury w zwężce pomiarowej i ciśnienia atmosferycznego (1.013 *10⁵ Pa), która będzie mi potrzebna do dalszych obliczeń:

(1)

5.1.2 Powierzchnia otworu zwężki:

(2)

5.1.3 Objętościowe natężenie przepływu powietrza liczę ze wzoru:

=

(3)

5.1.4 Średnią prędkość masową powietrza obliczam ze wzoru:

(4)

5. Masowe natężenie przepływu liczę ze wzoru:

(5)

5.1.6 Ciepło właściwe powietrza obliczam dla średniej temperatury na wlocie i wylocie z aparatu z następującej zależności:

(6)

5.1.7 Do obliczenia strumienia cieplnego w suszarce bez ziarna korzystam z poniższego wzoru:

(7)

5.1.8 Następnie obliczam wartość strumienia cieplnego w suszarce z ziarnem posługując się wzorem:

(8)

5.1.9 Ilość ciepła użyta do procesu suszenia obliczam:

(9)

5.1.10 Średnia logarytmiczna różnica temperatur:

(10)

5.1.11 Objętość bębna suszarki obliczam ze wzoru:

(11)

5.1.12 Liczbę jednostek wnikania ciepła (wartość doświadczalna) w pierwszym okresie obliczam ze wzoru:

(12)

5.1.13 Wysokość jednostkową wnikania ciepła (wartość teoretyczna) obliczam w następujący sposób:

(13)

5.1.14 Objętościowy współczynnik wnikania ciepła obliczam:

(14)

Tabela	2	Wyniki obliczeń
Lp.	V' [m^3/s]	mg” [kg/m^2 s]	[^0C]	Cpg [J/kgK]	mg [kg/s]	αV [W/(m ^3K]	Q1 [W]	Q2 [W]	Q [W]	Np	Hp
1	0.048	1.44	32.8	1021.4	0.050	315.1	434.1	868.2	434.1	0.52	2.3
2	0.048	1.44	28.7	1020.1	0.050	190.0	280.0	510.1	230.1	0.35	3.4

6. Omówienie wyników, wnioski

Na szybkość procesu suszenia wywiera wpływ wiele czynników, takich jak; wilgotność, temperatura i prędkość powietrza, rodzaj suszonego materiału oraz konstrukcja suszarki. W doświadczeniu była użyta suszarka bębnowa, która osiąga najlepsze parametry suszenia. Jest ona najbardziej rozpowszechniona w przemyśle chemicznym.

Z obliczeń oraz przeprowadzonych badań zauważam, że ilość ciepła zużytego do suszenia zmniejsza się liniowo wraz ze zmniejszeniem wilgotności wprowadzonego surowca. Można więc wnioskować z kinetyki procesu suszenia, że wilgoć dyfundująca z zewnętrznych warstw materiału suszonego (rzepaku) w pełni zwilża jego powierzchnię. Trzy mierzone temperatury nie zmieniają się podczas procesu suszenia. Podczas przeprowadzania doświadczenia liczba jednostek wnikania ciepła znacznie się obniżyła a wysokość jednostkowa wnikania ciepła wzrosła o połowę.

6.1 Podstawy teoretyczne

Suszenie jest to usuwanie wilgoci z materiałów stałych, ciekłych lub gazowych. Usuwanie wilgoci z materiału suszonego do otoczenia następuje w wyniku powierzchniowego odparowania lub dyfuzji wilgoci z wnętrza materiału suszonego do powierzchni. Jest to możliwe tylko wówczas, gdy ciśnienie pary nasyconej w temperaturze powietrza jest większe od ciśnienia cząstkowego pary nad powierzchnią ciała suszonego. Jeśli wiec w danej temperaturze powietrze jest nasycone parą określonej cieczy, to parowanie tej cieczy nie może zachodzić. Rozróżniamy suszenie naturalne i sztuczne. Naturalne zachodzi w powietrzu atmosferycznym bez ogrzewania. Jest ono bardzo powolnie jego szybkość nie może być regulowana. W przemyśle chemicznym stosuje się więc wyłącznie suszenie sztuczne. Zachodzi ono pod działaniem podgrzanego czynnika suszącego (gazy spalinowe, gorące powietrze), który po wchłonięciu wilgoci z materiału jest następnie usuwany za pomocą specjalnych urządzeń (np. wentylatorów). Czynnik suszący opuszczający suszarkę unosi z niej oprócz wilgoci dużą ilość ciepła. Z tego względu suszenie jest operacją bardzo kosztowną. Aby zmniejszyć te koszty, bardzo wilgotne ciała poddaje się najpierw różnego typu operacjom (np. odwirowaniu) a dopiero potem kieruje się je do suszarni. Powietrze i gazy suszące w suszarkach nie tylko są zrzedłem ciepła, ale także ośrodkiem, do którego przenika wilgoć zawarta w suszonym materiale. To przenikanie wilgoci do powietrza lub innych gazów suszących zachodzi tym energiczniej, im mniejsza jest ich wilgotność.

Istnieją rozmaite wymagania co do sposobu suszenia i warunków prowadzenia procesu suszenia. Dlatego też konstrukcje suszarek są rozmaite. Suszarki dzieli się ze względu na rodzaj czynnika suszącego (powietrze, gazy spalinowe), ciśnienie, pod którym zachodzi suszenia, sposób przeprowadzenia procesu (periodyczny lub ciągły) i kierunku ruchu czynnika suszącego stosunku do materiału suszonego. Suszarki bębnowe obok suszarek komorowych są najbardziej rozpowszechnione w praktyce przemysłowej. Stanowią one jedną z pierwszych konstrukcji aparatów suszarniczych o działaniu ciągłym, wprowadzonych do przemysłu. Dzięki wszechstronności, prostocie konstrukcji, dużej przepustowości i stosunkowo dobrej sprawności cieplnej suszarki bębnowe nadają się do szybkiego suszenia wielu materiałów przy niskich kosztach jednostkowych dla dużych partii materiału. Mogą one pracować w zakresie czasów suszenia od 5 do 60 min, ich przepustowość waha się od kilkuset kilogramów do kilkuset ton na godzinę.

Materiał suszony jest w sposób ciągły unoszony przez obrót bębna, a następnie opada w

strumieniu gorącego czynnika suszącego, który przepływa przez bęben w współ- lub

przeciwprądzie w stosunku do materiału. Bęben jest lekko pochylony, tak że materiał

stopniowo przesuwa się wzdłuż suszarki.

Suszarki bębnowe znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, głównie do

suszenia nawozów sztucznych i rud. Szczególnie nadają się one do suszenia materiałów

zgranulowanych, swobodnie przesypujących się. Mogą być one również, przez

zainstalowanie specjalnych urządzeń do usuwania materiału zbrylonego i zlepionego,

przystosowane do suszenia ciał lepkich. Materiały nieodporne na działanie wysokich

temperatur mogą być również suszone w omawianych suszarkach, pod warunkiem, że

ograniczenia w stosunku do temperatury prowadzenia procesu nie spowodują zbytniego

wydłużenia czasu suszenia. Suszarki bębnowe nie nadają się natomiast do suszenia

materiałów bardzo lepkich, szlamów, mułów, a także materiałów wymagających znacznych

czasów suszenia (powyżej jednej godziny). Ponadto materiały kruche, pylące i lekkie, które

mogą być łatwo unoszone na zewnątrz suszarki ze strumieniem powietrza, nie powinny być

suszone w suszarkach bębnowych bezprzeponowych, a raczej w suszarkach przeponowych.

Aby móc przystąpić do projektowania suszarki trzeba znać:

• Rodzaj materiału surowego podlegającego suszeniu

• Założoną wydajność suszarki

• Właściwości fizykochemiczne suszonego materiału (krzywą szybkości suszenia, maksymalnie dopuszczalną temperaturę suszenia itp.)

• Początkową i końcową wilgotność materiału

Na podstawie tych danych prowadzi się obliczenia suszarki, do których należy:

• Wybór sposobu doprowadzenia ciepła do materiału suszonego i optymalnych warunków suszenia (temperatury, wilgotności względnej i prędkości przepływu czynnika suszącego)

• Wybór rodzaju suszarki i urządzeń pomocniczych

• Określenie czasu suszenia materiału

• Zestawienie bilansu materiałowego i cieplnego suszarki

• Wyliczenie rozmiarów suszarki i jej mechanicznej wytrzymałości

Kinetyka procesu suszenia:

Jeśli warunki suszenia (temperatura, prędkość, wilgotność i kierunek ruchu powietrza) są niezmienne, to szybkość suszenia jest stała dopóty, dopóki wilgoć dyfundująca z zewnętrznych warstw materiału suszonego w pełni zwilża jego powierzchnię. Jest to pierwszy okres, gdy największy wpływ na suszenie ma szybkość dyfuzji odparowanej wilgoci przez graniczną warstewkę powietrza, przylegającą do powierzchni materiału suszonego. W drugim okresie suszenia szybkość suszenia zmniejsza się, gdy dyfuzja wilgoci z wnętrza materiału nie wyrównuje strat wilgoci odparowanej z powierzchni. Na powierzchni materiału zaczynają się pojawiać suche wysepki. W drugim okresie suszenia główną role odgrywa szybkość, szybkość jaka wilgoć dyfunduje ku powierzchni materiału. Szybkość ta zależy głównie od struktury materiału suszonego i jego temperatury. Podczas trzeciego okresu suszenia powierzchnia materiału suszonego nie jest już zwilżona wilgocią. Szybkość jest coraz mniejsza, gdyż zawartość wilgoci we wnętrzu materiału jest już znikoma. Reasumując kinetykę powyższego procesu na szybkość suszenia wywierają wpływ; wilgotność, temperatura i prędkość powietrza, rodzaj suszonego materiału oraz konstrukcja suszarki.

Literatura:

[1] Instrukcja do laboratorium z inżynierii chemicznej pt. „Kinetyka procesu suszenia w suszarce bębnowej''.

[2]Jacek Molenda „Technologia Chemiczna”

[3] Strumilło C. „Podstawy teorii i techniki suszenia'' WNT 1983.

2
















---