Kinetyka suszenia. Cel ćwiczenia C D C D. Xkr

Transkrypt

1 Kinetyka suszenia Cel ćwiczenia 1. Wyznaczenie przebiegu krzywej suszenia i krzywej szybkości suszenia badanego materiału 2. Określenie wartości szybkości suszenia w I okresie i charakteru zmian szybkości suszenia w II okresie procesu 3. Określenia zmian wymiarów i kształtu materiału podczas suszenia Przebieg suszenia Przebieg suszenia najłatwiej jest zobrazować przez sporządzenie wykresów (rys.1): X=f 1 (t) i w d =f 2 (t) (rys.1). Wykres X=f 1 (t) nazywamy krzywą suszenia. Wykresy sporządzamy na podstawie danych doświadczalnych lub uzyskanych z obliczeń na podstawie przyjętego modelu teoretycznego. Analizując przebieg wykresów moŝna zauwaŝyć, Ŝe proces suszenia dzieli się na dwa okresy: okres pierwszy (odcinek AB) charakteryzujący się stałą szybkością suszenia i okres drugi (odcinek lub część odcinka BC) o malejącej szybkości suszenia. a b X [kg wody/kg sms] Xi A B A Xkr X2 X1 w0 [kg wody/kg sms] B C D C D tkr t X1X2 Xkr Xi x Rysunek 1 Przebieg suszenia ciała stałego: a) krzywa suszenia, b) zaleŝność szybkości suszenia od zawartości wody X. Zawartość wody X kr odpowiadająca punktowi przegięcia lub załamania (punkt B na granicy pierwszego i drugiego okresu suszenia na wykresach) nazywa się krytyczną zawartością wody. Zawartość wody w materiale suszonym pozostającą w równowadze z pręŝnością cząstkową pary wodnej zawartej w przepływającym powietrzu nazywa się równowagową zawartością wody (X r ) (punkt D na wykresach). Do takiej zawartości wody moŝna teoretycznie wysuszyć materiał w danych warunkach suszenia tj. przy określonej temperaturze i wilgotności względnej powietrza. Praktycznie zawartość wody w ciele suszonym zmienia się od wartości początkowej X 1 do końcowej X 2, przy czym X 2 >X r. Pierwszy okres suszenia charakteryzuje się stałą szybkością suszenia. Następuje odparowanie wilgoci z powierzchni materiału i powstająca para przedostaje się do przepływającego powietrza. Szybkość całego procesu uwarunkowana jest przez szybkość dyfuzji pary wodnej w warstwie

2 powietrza. Pierwszy okres suszenia kończy się wtedy, kiedy cała wilgoć z powierzchni zostanie odparowana. Drugi okres suszenia charakteryzuje się malejącą szybkością suszenia. Występuje wtedy odparowanie wilgoci w coraz głębszych warstwach ciała suszonego, przemieszczanie się pary wodnej do powierzchni (dyfuzja wewnętrzna) i dyfuzja w warstwie przepływającego powietrza. Na szybkość suszenia w drugim okresie ma duŝy wpływ struktura ciała suszonego i jego wymiary. Wykresy przedstawione na rysunku 1 przedstawiają typowe przebiegi suszenia charakteryzujące ciała o niewielkich wymiarach i budowie kapilarno-porowatej. Przy suszeniu ciał o większych wymiarach i budowie koloidalnej, pierwszy okres suszenia jest krótki i wzrasta znaczenie drugiego okresu. Formułując model matematyczny przyjmujemy wówczas, Ŝe ciało schnie w drugim okresie. Stanowisko pomiarowe, metoda pomiaru oraz wykonanie ćwiczenia. Stanowisko pomiarowe stanowi suszarka z pełnym oprogramowaniem o moŝliwości regulacji temperatury suszenia. Stanowisko uzupełnia zewnętrzna waga laboratoryjna. Stanowisko badawcze umoŝliwia kontrole masy próbki materiału w sposób periodyczny tzn. wymagane jest wyjmowanie próbki do waŝenia. W celu przeprowadzenia doświadczenia próbkę materiału do suszenia umieszcza się na zwarzonej uprzednio szalce Petriego i waŝy się materiał wraz z szalką. Pomiary naleŝy wykonać dla suszarki pracującej w trybie z recyrkulacja powietrza oraz z odprowadzaniem powietrza na zewnątrz suszarki. Masę próbek naleŝy mierzyć z dokładnością do 0,01g. Podczas ćwiczenia moŝna suszyć róŝne produkty o wymiarach próbki wyznaczonej przez prowadzącego. Etapy wykonania ćwiczenia: 1. Włączamy zasilanie suszarki i doprowadzamy temperaturę powietrza do wartości zadanej przez prowadzącego. W czasie rozruchu urządzenia, co parę minut kontrolujemy temperaturę powietrza w suszarce. Właściwy eksperyment moŝna rozpocząć dopiero po upewnieniu się, Ŝe osiągnięto stacjonarne warunki pracy suszarki. 2. Z materiału znajdującego się na stanowisku naleŝy przygotować 3 próbki badanego materiału. a. Jedna z nich ma ściśle zdefiniowane wymiary i jest przeznaczona do przeprowadzenia doświadczenia oraz oceny przebiegu procesu suszenia. b. Dwie pozostałe próbki powinny być rozdrobnione i są przeznaczone do określenia początkowej zawartości wilgoci w badanym materiale metodą suszenia w suszarce o temperaturze 105 ºC (naleŝy przy tym postępować w sposób opisany w punkcie 5)

3 3. Próbka a przeznaczona do badania przebiegu procesu i określenia kinetyki suszenia naleŝy zmierzyć znajdującą się na stanowisku linijką i zanotować jej podstawowe wymiary tj. grubość i długość (x*y*z) z dokładnością do 1mm. 4. Po zmierzeniu wymiarów umieszczamy próbkę na szalce Petriego, waŝymy i wkładamy do suszarki. Upewniamy się przy tym czy osiągnięto zadana temperaturę powietrza. Następnie w równych odstępach czasu co 5 minut wyjmujemy szalkę z suszonym materiałem i waŝymy ja kolejny raz. Proces powtarzamy przez 1,5 godz. zegarowe. Wyniki pomiarów wstawiamy do tabeli 2. Doświadczenie uznajemy za zakończone, gdy masa próbki nie ulega zmianie tzn., gdy trzy kolejne odczyty wskazania wagi nie róŝnią się więcej jak o 0,01g (bez wyraźnej tendencji malejącej masy) Po zakończeniu procesu zdejmujemy próbkę z szalki i mierzymy linijką jej wymiary (jeśli to moŝliwe) 5. Oznaczenie zawartości wilgoci metodą suszenie w suszarce laboratoryjnej o temperaturze 105ºC. Do uprzednio przygotowanych i suchych i zwaŝonych naczyniek wagowych naleŝy nawaŝyć od 2 do 5 g próbek, o których mowa w punkcie 2b. Następnie naczyńka wagowe wraz z uchylonymi wieczkami naleŝy umieścić w komorze suszarki laboratoryjnej, w której utrzymywana jest stała temperatura 105ºC. Suszenie prób naleŝy prowadzić do uzyskania stałej masy próbki. Uwaga przed waŝeniem próbka musi być ochłodzona w eksykatorze a naczyńko podczas waŝenia powinna być zamknięte, aby uniemoŝliwić wchłanianie wilgoci z otoczenia. Opracowanie wyników doświadczenia Oznaczenie początkowej wilgotności materiału wykorzystanego w doświadczeniu wykonane klasyczne technika laboratoryjną maja na celu dostarczenie informacji wyjściowych niezbędnych do przeprowadzenia oceny przebiegu suszenia i podstawowych wielkości kinetycznych procesu suszenia 1. Początkową wilgotność materiału obliczamy na podstawie wyników oznaczenia przeprowadzonego metodą suszarkową (w temperaturze 105ºC). w tej części ćwiczenia obliczamy: Ułamek masowy wilgoci w próbce X = (m 1 -m 2 )/(m 1 m 0 ) [kg a /kg wilg.mat ] Gdzie: X- ułamek masowy wilgoci w materiale m 1 -m 2 = m a ubytek wilgoci próbki podczas suszenia zawartość wilgoci w próbce [g] m 1 - m 0 = m b początkowa masa próbki wilgotnej poddanej suszeniu [g] m 0 masa pustego naczyńka wagowego z pokrywką [g] m 1 - masa naczyńka z próbka przed suszeniem [g]

4 m 2 - masa naczyńka z próbką po suszeniu [g] Procentową zawartość wilgoci w badanym materiale X = 100% * x Bezwzględną wilgotność początkowa materiału X = (m 1 -m 2 )/(m 2 m 0 ) [kg a /kg ss ] Gdzie: X = X 1 początkowa zawartość wilgoci w kg wody/kg suchego materiału (tzw. Wilgotność bezwzględna początkowa) m 1 -m 2 = m a ubytek wilgoci próbki podczas suszenia zawartość wilgoci w swobodnej w próbce [g] m 2 - m 0 = m b masa suchego materiału w próbce [g] m 0 masa pustego naczyńka wagowego z pokrywką [g] m 1 - Masa naczyńka z próbka przed suszeniem [g] m 2 - masa naczyńka z próbką po suszeniu [g] Zakładamy, Ŝe podczas suszenia próbki w temperaturze 105ºC następuje całkowite usunięcie wilgoci swobodnej z materiału a wilgotność równowagowa jest bliska zera. Na tej podstawie końcową masę próbki przyjmujemy za wielkość m S Wyniki i obliczone wilgotności materiału naleŝy wpisać do tabeli sporządzonej wg wzoru (tabela 1). 2. O kinetyce i przebiegu procesu suszenia badanego materiału informują zmiany masy próbki znajdującej się na szalce petriego wkładanej do suszarki. Chwilowe wartości masy materiału na szalce pozwalają na obliczenie szybkości suszenia z wykorzystaniem wyniku oznaczenia początkowej wilgotności materiału X 1. W tym celu naleŝy wykonać następujące obliczenia: Korzystając z definicji bezwzględnej wilgotności materiałów obliczamy masę suchej substancji zawartej w próbce umieszczonej na szalce: m S = G 1 /(1-X 1 ) Gdzie G 1 = m b = m 1 - m 0 m s masa suchej substancji w tym materiale [kg]

5 X 1 - bezwzględna wilgotność początkowa materiału poddawanego suszeniu w kg wilgci /kg suchej substancji [kg a /kg ss ] (z oznaczeń w temperaturze 105ºC) Przesz cały czas trwania suszenia materiału na szalce masa suchej substancji m s nie zmienia się z badanego materiału odparowuje tylko woda, zatem w całym doświadczeniu m S = const Korzystając z tego faktu moŝemy obliczyć chwilowe wartości zmieniającej się w czasie wilgotności materiału. W tym celu dla kaŝdego chwilowego odczytu masy materiału na szalce G i obliczamy chwilową wartość jego wilgotności bezwzględnej X i X i = (G i m S )/m S = X ti gdzie: G i masa materiału suszonego w danej chwili W liczniku znajduje się chwilowa zawartość wilgoci obecnej w materiale) Wartość wilgotności bezwzględnej X i naleŝy wstawić do tabeli zawierającej wyniki obliczeń, sporządzonej wg wzoru (Tabela 2). Zmiany wilgotności materiału w czasie procesu suszenia naleŝy przedstawić graficznie w postaci krzywej suszenia. Na wykresie na osi odciętych naleŝy odłoŝyć czas trwania procesu w sekundach zaś na osi rzędnych wilgotność bezwzględną materiału w suszarce. Następnie obliczamy szybkość suszenia zdefiniowaną wzorem W i = X wi / A t [kg a /m 2 s] gdzie: X wi / t = X t1 - X t2 / t 1 t 2 X wi ubytek wody w danej chwili pomiaru A powierzchnia parowania [m 2 ] (na podstawie wymiarów geometrycznych próbki materiału na szalce) t czas suszenia [s] Szybkość suszenia moŝna obliczyć techniką graficznego róŝniczkowania krzywej suszenia lub przez wykorzystanie odpowiedniego programu komputerowego. Wyniki obliczeń szybkości suszenia równieŝ wpisujemy do tabeli 2, a wydruk z obliczeń komputerowych załączamy do sprawozdania jako dokument. Na podstawie otrzymanych wyników sporządzamy wykres zmian szybkości suszenia w czasie trwania procesu i tzw. krzywą szybkości suszenia przedstawiająca zaleŝność między wilgotnością bezwzględną materiału X i szybkością suszenia w.

6 3. Otrzymane wykresy X(t), w(t), i W(X) naleŝy przeanalizować a następnie wyciągnąć wnioski udzielając odpowiedzi: a. Czy występuje i jaki jest czas trwania wstępnego, pierwszego i drugiego okresu suszenia? b. Czy moŝna określić krytyczną wilgotność materiału i ewentualnie jaka jest jej wartość? c. Jaka jest szybkość suszenia w I okresie? d. Czy w doświadczeniu osiągnięto wilgotność równowagową? TABELA 1. Lp. Wyszczególnienie Próbka 1 Próbka 2 1. Masa naczyńka wagowego m 0 [g] 2. Masa naczyńka wagowego( pokrywą) i materiałem przed suszeniem m 1 [g] 3. Masa naczyńka wagowego z pokrywa i materiałem po suszeniu m 2 [g] 4. Masa próbki przed suszeniem m 1 [g] 5. Masa próbki wysuszonej m 2 =m S [g] 6. Ubytek masy próbki m a [g] 7. Początkowa wilgotność materiału ułamek masowy X 1 [kg a /kg wilg.mat ] - % masowy x 1 [%] wilgotność bezwzględna X 1 [kg a /kg ss ] 8. Średnia wilgotność początkowa badanego materiału X 1 Tabela 2. Zmiany masy w czasie suszenia i wyniki obliczeń wilgotności materiału oraz szybkości suszenia w czasie doświadczenia. Nr Czas suszenia τ [min] Masa materiału z szalką Masa materiału na szalce G i [g] Masa wilgoci w próbce G i-m s [g] Chwilowa wilgotność materiału X i [kg a/kg ss] Szybkość suszenia 10 3 w [kg a/m 2 s] Masa materiału wilgotnego przed suszeniem..g Masa suchej substancji w materiale g Temperatura powietrza w komorze suszarki..ºc Wymiary próbki: Z czego: przed suszeniem..mm po suszeniu..mm