Ćwiczenie nr 2. Badanie kinetyki suszenia konwekcyjnego w warstwie fluidalnej. Temat. Imię i nazwisko osoby wykonującej ćwiczenie.

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 2 Temat Badanie kinetyki suszenia konwekcyjnego w warstwie fluidalnej Imię i nazwisko osoby wykonującej ćwiczenie Kierunek studiów Rok studiów Grupa Podgrupa. (data i podpis Prowadzącego)

2 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie kinetyki suszenia konwekcyjnego wybranego materiału biologicznego z grupy owoców i warzyw w warstwie fluidalnej na podstawie znajomości parametrów powietrza na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej. Na podstawie bilansu masowego zostanie wyznaczona szybkość suszenia danego materiału w suszarce fluidalnej. Znajomość początkowej zawartości wody oraz szybkości suszenia pozwoli na wyznaczenie kinetyki suszenia materiału w suszarce fluidalnej. Cele szczegółowe: Wyznaczenie przebiegu krzywej suszenia na podstawie znajomości parametrów powietrza wilgotnego; Określenie charakteru zmian zawartości wody w materiale w funkcji czasu; Wyznaczenie przebiegu krzywej szybkości suszenia; Określenie wartości początkowej szybkości suszenia; Określenie charakteru zmian szybkości suszenia w funkcji zawartości wody. 2. Wstęp teoretyczny: Suszenie fluidalne Suszenie jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych procesów jednostkowych w inżynierii chemicznej, a przy tym operacją wysoce energochłonną. Jak się szacuje, w procesie suszenia, w różnych gałęziach przemysłu, usuwanych jest obecnie około 27 mln ton wody rocznie. Biorąc pod uwagę, że na odparowanie 1 tony wody potrzeba od 3 do 8 ton paliwa umownego, w zależności od zastosowanego rozwiązania aparaturowego, jasnym staje się jak ważnym zagadnieniem jest optymalizacja cieplna procesu oraz rozwijanie nowych wysokosprawnych rozwiązań aparaturowych. Suszarki pracujące w warunkach stanu fluidalnego charakteryzują się najwyższymi współczynnikami przenoszenia ciepła i masy w stosunku do nakładów poniesionych na przetłoczenia gazu. Metoda suszenia fluidalnego zajmuje ważną pozycję wśród nowoczesnych metod suszarniczych. Jest ona wykorzystywana głównie do materiałów ziarnistych, znajduje jednakże zastosowanie do suszenia past, zawiesin i roztworów. Czynione są też próby wykorzystania złoża fluidalnego jako nośnika ciepła do suszenia takich materiałów, jak papier, skóra itp. Główne zalety suszenia fluidalnego są następujące: 1) płynność" złoża fluidalnego pozwala na ciągłą, łatwą w obsłudze pracę urządzeń nawet w bardzo dużej skali (rzędu kilkaset ton na dobę suszonego materiału), 2) doskonałe warunki wymiany ciepła i masy, 3) możliwość stosowania dodatkowych źródeł ciepła, np. promienników, 4) dobre wymieszanie materiału w złożu, co pozwala skutecznie kontrolować przebieg procesu i sterować jakością produktu końcowego. Zasada działania opiera się na przepuszczaniu gorącego gazu przez złoże materiału usypanego na perforowanej przegrodzie noszącej nazwę dystrybutora gazu lub przegrody fluidyzacyjnej. Podczas przepływu strumienia powietrza lub innego płynu przez warstwę materiału ziarnistego lub granulowanego umieszczonego na perforowanym dnie obserwuje się spadek ciśnienia wynikający z oporów przepływu przez warstwę materiału. Przy pewnej prędkości przepływu spadek ciśnienia będzie tak duży, że zrównoważy ciężar złoża złoże zostanie uniesione w górę, a następnie rozproszy się ono na mniejsze lub większe cząstki, a dalszy

3 ruch gazu odbywać się będzie w postaci pęcherzyków, złoże zaś przypominać będzie wrzącą ciecz. Zjawisko to nosi nazwę fluidyzacji. Do wytworzenia stanu fluidyzacji musi być spełniony warunek: siła oporu podczas opływu cząstek przez płyn powinna równoważyć siłę ciężkości cząstki pomniejszoną o siłę wyporu. Jest to możliwe przy zapewnieniu dostatecznie dużej prędkości płynu, większej od tak zwanej minimalnej prędkości fluidyzacji. Materiały, które nadają się do suszenia fluidalnego powinny mieć następujące cechy: 1) średnica cząstek powinna mieścić się w przedziale 0,01 20 mm, 2) kształt cząstek powinien być izometryczny gdyż igły, płatki źle fluidyzują, 3) materiał wprowadzany do suszarki nie powinien zawierać trudnych do rozbicia brył, 4) produkt końcowy nie powinien sklejać się w temperaturze suszenia. Typy suszarek fluidyzacyjnych: Różne typy suszarek fluidyzacyjnych przedstawiono na Rys. 1. Rys. 1. a) Suszarka o działaniu ciągłym, jednostopniowa, typu zbiornikowego; b) Suszarka o działaniu ciągłym, dwusekcyjna, typu zbiornikowego z przeciwprądowym przepływem czynnika suszącego; c) Suszarka o działaniu ciągłym, wielosekcyjna, w układzie poziomym; d) Suszarka o działaniu okresowym. Rozwiązania wykorzystujące modyfikacje złoża fluidalnego Suszarki wibro i pulsofluidalne Konkurencyjność ta wzrasta w miarę rozwoju nowoczesnych modyfikacji tej metody. Zainteresowanie wykorzystaniem różnego rodzaju drgań do intensyfikacji przenoszenia pędu, ciepła i masy jest znane od dawna w inżynierii chemicznej. Przejawem tej tendencji w suszarnictwie jest zastosowanie drgań przegrody (suszarki wibrofluidalne) lub pulsacji strumienia gazu (suszarki pulsofluidalne). Intensyfikacja procesu suszenia poprzez zastosowanie drgań polega na wzroście współczynników wnikania poprzez zaburzenia warstwy granicznej oraz wzroście powierzchni międzyfazowej wskutek oddziaływania drgań na strukturę złoża.

4 Suszarki fluidalne ze złożem materiału inertnego Innym rozwiązaniem wykorzystującym modyfikację złoża fluidalnego jest suszenie z wykorzystaniem cząstek złoża inertnego. Material inertny jest wykorzystywany jako nośnik dla ciekłego surowca lub czynnik przenoszący ciepło (jednoczesne ogrzewanie konwekcyjne i kontaktowe). Ponieważ rozmiary cząstek inertnych są 20 do 40 razy większe od cząstek suszonego materiału, można stosować wyższe prędkości powietrza, a co za tym idzie, osiągnąć wyższą wydajność procesu suszenia. Użycie złoża fluidalnego wypełnionego materiałem inertnym do suszenia zawiesin daje ok. 15-krotnie wyższą objętościową szybkość odparowania wody niż w procesie suszenia rozpyłowego prowadzonego w tych samych warunkach. Suszarki fontannowe Aparaty fluidyzacyjne o stałym przekroju, ze względu na: niemożliwość pracy w zakresie wyższych prędkości przepływu gazu, trudność suszenia materiałów polidyspersyjnych, małą prędkość przepływu gazu w pobliżu przegrody, czy zaklejanie otworów przegrody mają ograniczone zastosowanie. Dla uniknięcia wymienionych trudności wprowadzono aparaty o średnicy rozszerzającej się z wysokością komory, pracujące w warunkach warstwy fontannowej. Hydrodynamiczne warunki pracy takiej warstwy są inne niż w zwykłym złożu fluidalnym. Z uwagi na skomplikowany charakter przepływu dwufazowego, występujące cyrkulacje złoża oraz odmienne właściwości hydrodynamiczne poszczególnych stref (zarówno porowatość złoża, jak i prędkość przepływu gazu poszczególnych faz wahają się w szerokich granicach), opis matematyczny układu nastręcza wielu trudności. Na Rys. 2. przedstawiono schemat suszarki fluidalnej. Cząstki ciała stałego w strefie załadunku są porywane przez strumień przepływającego powietrza i unoszone ku górze, przepływając przez strefę rury wznoszącej. Powyżej krawędzi rury wznoszącej powstaje fontanna. Cząstki następnie opadają w strefie opadania osiągając powierzchnię ruchomego złoża usypanego (strefa anularna). Złoże ze strefy anularnej zasypuje się do strefy załadunku. Cykl ten powtarza się wielokrotnie, w efekcie czego uzyskuje się cyrkulacje złoża, która skutkuje intensywnym jego mieszaniem. Rys. 2. Schemat układu fontannowego.

5 Przebieg procesu suszenia konwekcyjnego Przebieg suszenia najłatwiej jest zobrazować przez sporządzenie wykresów krzywej suszenia U=f(t) (Rys.3a) i krzywej szybkości suszenia du/dt=f(u) (Rys.3b). Wykresy sporządzamy na podstawie danych doświadczalnych lub uzyskanych z obliczeń na podstawie przyjętego modelu teoretycznego. Analizując przebieg wykresów można zauważyć, że proces suszenia dzieli się na dwa okresy: okres pierwszy (odcinek AB) charakteryzujący się stałą szybkością suszenia i okres drugi (odcinek BC) o malejącej szybkości suszenia. 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, że ciało schnie w drugim okresie. Rys. 3. Przebieg suszenia ciała stałego: a) Krzywa suszenia; b) Zależność szybkości suszenia od zawartości wody. Zawartość wody U kr odpowiadająca punktowi przegięcia lub załamania (punkt B na granicy I i II okresu suszenia na wykresach) nazywa się krytyczną zawartością wody. Zawartość wody w materiale suszonym pozostającą w równowadze z prężnością cząstkową pary wodnej zawartej w przepływającym powietrzu nazywa się równowagową zawartością wody (U r ) (punkt C na wykresach). Do takiej zawartości wody można 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 U 0 do końcowej U R. Pierwszy okres suszenia charakteryzuje się stałą szybkością suszenia. Następuje odparowanie wilgoci z powierzchni materiału, a powstająca para przedostaje się do otaczającego powietrza. Szybkość procesu uwarunkowana jest przez szybkość dyfuzji pary wodnej w warstwie powietrza. Pierwszy okres suszenia kończy się w momencie, gdy woda odparuje z powierzchni materiału. Drugi okres suszenia charakteryzuje się malejącą szybkością suszenia. Następuje wtedy odparowanie wilgoci z coraz głębszych warstw ciała suszonego, przemieszczanie się pary wodnej do powierzchni (dyfuzja wewnętrzna) i dyfuzja w warstwie przepływającego powietrza. Na szybkość suszenia w drugim okresie duży wpływ ma struktura ciała suszonego i jego wymiary.

6 Bilans masowy wilgoci: gdzie: du/dt szybkość suszenia, 1/min; M S masa suchej substancji, kg; Y różnica zawartości wody w powietrzu na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej, kg/kg; ρ gęstość powietrza na wejściu do komory suszarniczej, kg/m 3 ; V - objętościowe natężenie przepływu powietrza, m 3 /s. Masa suchej substancji w badanej próbie: Masę suchej substancji materiału można wyznaczyć metodą suszarkową zgodnie z PNzgodnie z PN-90/A-75101/03. Pole przekroju komory suszenia: gdzie: d w średnica wewnętrzna przekroju komory suszarniczej, przez które przepływa suszone powietrze, m (dw = 0,15 m). Objętościowe natężenie przepływu powietrza: gdzie: V - objętościowe natężenie przepływu powietrza, m 3 /s; v - prędkość przepływu powietrza na wlocie do komory suszarki, m/s; A pole przekroju komory suszarniczej, m. Gęstość powietrza na wejściu do komory suszarniczej: gdzie: 28,96 - masa molowa powietrza, g/mol; P atm ciśnienie atmosferyczne, Pa; 8314 stała gazowa; T temperatura powietrza, K. Ciśnienie nasycenia: przy czym 0 T 100 C. Ciśnienie cząstkowe pary wodnej: gdzie: P V - ciśnienie cząstkowe pary wodnej, kpa; P S - ciśnienie nasycenia, kpa; φ wilgotność powietrza, %. (1) (2) (3) (4) (5) (6)

7 Zawartość wody w powietrzu: gdzie: Y - zawartość wody w powietrzu, kg/kg; P V - ciśnienie cząstkowe pary wodnej, kpa; P atm - ciśnienie atmosferyczne, kpa; Różnica zawartości wody w powietrzu na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej: gdzie: Y - różnica zawartości wody w powietrzu na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej, kg/kg; Y 2 - zawartości wody w powietrzu na wyjściu z komory suszarniczej, kg/kg; Y 1 - zawartości wody w powietrzu na wejściu do komory suszarniczej, kg/kg. Szybkość suszenia du/dt wyliczymy z bilansu masowego (1). Metodę trapezów można wykorzystać do policzenia całki oznaczonej jako pola pod krzywą du/dt=f(t). Obszar dzieli się na n trapezów i sumuje się ich pola (Pole trapezu: P=1/2*(a+b)*h). (7) (8) Rys. 4. Przykład wykorzystania metody trapezów do policzenia całki z szybkości suszenia po czasie. Podstawowymi parametrami opisującymi ilość wody w wilgotnym materiale jest zawartość wody w materiale zdefiniowana jako: W kg wody u M s kg s.s. oraz wilgotność materiału zdefiniowana jako: W W w % (10) M M S W Znając zawartość wody w materiale można obliczyć jego wilgotność i odwrotnie używając następujących formuł: 100 u w 1 u w [%] (11) u kgwody 100 w (12) kgs.s. (9)

8 Oznaczenia: u zawartość wody (kg wody/kg s.s.); u z zredukowana zawartość wody (-); w wilgotność (%); M masa materiału (g); M s masa suchej substancji (g); W masa wody (g). Zawartość wody w materiale można obliczyć z następującej zależności: kgwody kgs.s. (13) gdzie: u zawartość wody w materiale suszonym, kg wody/kg s.s.; u 0 zawartość początkowa wody w materiale suszonym, kg wody/kg s.s.; t 0 czas na początku procesu suszenia, min; t czas, w którym następuje zmiana zawartości wody, min. Metodyka badań została zaczerpnięta z następujących prac: 1. Szafran, R.G Modelowanie procesu suszenia w suszarce fontannowej. Praca doktorska. Politechnika Wrocławska, Wrocław. 2. Markowski, M., Białobrzewski, I., Modrzewska, A Kinetics of spouted-bed drying of barley: Diffusivities for sphere and ellipsoid. Journal of Food Engineering, 96,

9 3. Stanowisko pomiarowe: W skład stanowiska pomiarowego wchodzi: Suszarka fluidalna z możliwością regulacji temperatury oraz wydatku wentylatora, komputer o program do rejestracji temperatury powietrza na wejściu i wyjściu z komory, o program do rejestracji wilgotności powietrza na wejściu i wyjściu z komory. Rys. 5. Suszarka fluidalna. Pozostałe urządzenia laboratoryjne oraz odzież ochronna wykorzystywane w ćwiczeniu: Waga laboratoryjna;

10 Eksykator; Suszarka konwekcyjna z naturalnym przepływem powietrza; Naczynka wagowe; Szklane szalki Petriego; Fartuch oraz rękawice ochronne.

11 4. Instrukcja wykonania ćwiczenia: W czasie ćwiczenia wykonywane będą eksperymenty: Oznaczanie początkowej zawartości wody w materiale oraz suchej substancji; Pomiar temperatury powietrza na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej; Pomiar wilgotności powietrza na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej. Pomiar prędkości przepływu powietrza na wejściu do komory suszarniczej. Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy zapoznać się z budową stanowisk badawczych oraz instrukcją obsługi urządzeń. Eksperyment 1 Oznaczanie początkowej zawartości wody w materiale oraz suchej substancji Zawartość wody badanego materiału należy wyznaczyć metodą suszarkową zgodnie z PN- 90/A-75101/03. Pomiar wykonuje się w 1 powtórzeniu. W tym celu należy przygotować naczynko wagowe z pokrywką i zważyć je przy użyciu wagi laboratoryjnej. W naczynku należy umieścić rozdrobnioną próbkę materiału o masie około 3 g. Materiał należy odważyć przy pomocy wagi laboratoryjnej. Otwarte naczynko (przykrywkę należy ułożyć w suszarce obok odpowiedniego naczynka) należy umieścić w suszarce konwekcyjnej KCW-100 ZSK-2. Proces oznaczania zawartości wody w materiale oraz suchej substancji prowadzi się w temperaturze 105 C 130 C przez ok. 2 godziny. Po tym czasie naczynko należy wyjąć z suszarki przy użyciu rękawicy! Naczynko zamyka się następnie pokrywką, aby uniemożliwić wchłanianie wilgoci z otoczenia i przenosi się do eksykatora do czasu osiągnięcia temperatury pokojowej. Nie należy stawiać na wagę gorących naczynek! Czas studzenia powinien wynosić ok. 15 min. Następnie naczynko waży się i notuje wynik. Znając masę naczynka, początkową masę materiału przed suszeniem oraz masę materiału po suszeniu wyznacza się zawartość suchej substancji oraz początkową zawartość wody w materiale. Suszenie prób należy prowadzić do uzyskania stałej masy próbki. Uwaga przed ważeniem próbka musi być ochłodzona w eksykatorze, a naczynko podczas ważenia powinno być zamknięte, aby uniemożliwić wchłanianie wilgoci z otoczenia. Eksperyment 2 W celu przeprowadzenia procesu suszenia konwekcyjnego w warstwie fluidalnej: Należy włączyć zasilanie suszarki, ustawić zadane parametry i doprowadzić temperaturę powietrza do wartości zadanej przez Prowadzącego. Należy uruchomić program do rejestracji temperatury, wilgotności i prędkości przepływu powietrza na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej. Wydatek wentylatora ustawić na wartość zadaną przed Prowadzącego. W czasie rozruchu urządzenia, co parę minut należy kontrolować temperaturę i wilgotność powietrza na wejściu i wyjściu z suszarki. Właściwy eksperyment można rozpocząć dopiero po upewnieniu się, że osiągnięto stacjonarne warunki pracy suszarki. Rodzaj materiału, naważkę, kształt i wymiary podaje Prowadzący.

12 Po ustaleniu się zadanej temperatury powietrza w suszarce należy rozpocząć eksperyment umieszczając materiał w komorze suszarki. Eksperyment prowadzi się do momentu uzyskania niezmiennych wartości temperatury i wilgotności powietrza na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej. Po zakończeniu eksperymentu, plik z danymi zostaje zapisany na komputerze. Należy skopiować plik na dysk przenośny lub wysłać za pomocą poczty elektronicznej celem dokonania analiz procesu suszenia fluidalnego. W celu przygotowania pliku do analizy danych, należy usunąć z niego dane uzyskane dla okresu nagrzewania, tj. do momentu załadunku materiału badawczego do komory suszarniczej. Ponadto, należy usunąć piki zakłócające rzeczywisty obraz danych eksperymentalnych. Po wykonaniu eksperymentu należy posprzątać stanowisko. Salę ćwiczeniową można opuścić po sprawdzeniu stanowiska przez Prowadzącego oraz uzyskaniu podpisu Prowadzącego na karcie sprawozdania.

13 5. Wyniki pomiarów Materiał badawczy (rodzaj, kształt, wymiary): Tabela 1. Dane otrzymane z eksperymentu oznaczania zawartości wody i suchej substancji w materiale. Masa naczynka z Masa naczynka z Godzina Godzina Masa przykrywką i z przykrywką i z Nr wstawienia wyjęcia naczynka z materiałem przed materiałem po naczynka próbki do próbki z przykrywką suszeniem suszeniu suszarki suszarki g g g Tabela 2. Dane otrzymane w czasie suszenia materiału w suszarce fluidalnej. Nr odczytu Czas t min Wilgotność powietrza na wejściu do komory suszarniczej φ 1 % Wilgotność powietrza na wyjściu z komory suszarniczej φ 2 % Temperatura powietrza na wejściu do komory suszarniczej T 1 C Temperatura powietrza na wyjściu z komory suszarniczej T 2 C Prędkość przepływu powietrza V m/s

14 6. Wyniki obliczeń: Tabela 3. Zawartość wody i suchej substancji w materiale. Masa suchej Zawartość Nr naczynka substancji wody M s u g kg wody/kg s.s. Tabela 4. Parametry powietrza na wejściu do komory suszarniczej. Objętościowe Pole natężenie Gęstość Ciśnienie Nr Czas przekroju przepływu powietrza nasycenia Odczytu t komory powietrza ρ P min A S m 2 V kg/m 3 kpa m 3 /s Ciśnienie cząstkowe pary wodnej P V kpa Zawartość wody w powietrzu Y 1 kg/kg

15 Tabela 5. Parametry powietrza na wyjściu z komory suszarniczej. Ciśnienie Ciśnienie Nr Czas cząstkowe nasycenia Odczytu t pary wodnej P min S P kpa V kpa Zawartość wody w powietrzu Y 2 kg/kg

16 Tabela 6. Zawartość wody w materiale oraz szybkość suszenia. Różnica zawartości wody w Nr Odczytu Czas t min powietrzu na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej Y kg/kg Zawartość wody w materiale suszonym u kg wody/kg s.s. Wilgotność materiału w % Szybkość suszenia du/dt 1/ min

17 7. Prezentacja i analiza wyników 7.1. Zaprezentuj obliczenia pola przekroju komory suszarniczej: 7.2. Zaprezentuj obliczenia objętościowego natężenia przepływu powietrza: 7.3. Zaprezentuj obliczenia gęstości powietrza na wejściu do komory suszarniczej: 7.4. Zaprezentuj obliczenia ciśnienia nasycenia dla danych powietrza wejściowego i wyjściowego: 7.5. Zaprezentuj obliczenia ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej:

18 7.6. Zaprezentuj obliczenia zawartości wody w powietrzu na wejściu i wyjściu z komory suszarniczej: 7.7. Zaprezentuj obliczenia szybkości suszenia: 7.8. Zaprezentuj obliczenia zawartości wody w materiale: 7.9. Sporządź wykres krzywej suszenia u= f(t)

19 Jaka była początkowa zawartość wody w suszonym materiale? Jaka była zawartość suchej substancji w suszonym materiale? Odpowiedz czy występuje i oszacuj jaki jest czas trwania wstępnego, pierwszego i drugiego okresu suszenia? Czy można określić krytyczną wilgotność materiału i jej wartość? Jeśli tak podaj jej wartość Czy w doświadczeniu osiągnięto wilgotność równowagową? Jeśli tak, podaj jej wartość Sporządź wykres szybkości suszenia du/dt= f(u).

20 Na podstawie wykresu powiedz jaka jest początkowa szybkość suszenia? Na podstawie wykresu oceń czy występuje okres stałej szybkości suszenia? Jeśli tak to w jakim zakresie zawartości wody? Na podstawie wykresu oceń czy występuje okres malejącej szybkości suszenia? Jeśli tak to w jakim zakresie zawartości wody? Na podstawie wykresu oceń w jakim okresie przebiega proces suszenia?

21 8. Wnioski: Wymień najważniejsze obserwacje z wykonanego ćwiczenia pozwalające wnioskować o przebiegu suszenia konwekcyjnego materiału biologicznego w warstwie fluidalnej. Krzywa suszenia:... Krzywa szybkości suszenia:......