Kinetyka procesu suszenia w suszarce fontannowej

Transkrypt

1 Kinetyka procesu suszenia w suszarce fontannowej 1. Wstęp 1 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 (dla procesów wysokotemperaturowych topnienie materiału i zaklejanie otworów), 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. Materiał do suszenia doprowadzany jest do komory od dołu razem z gazem, względnie od góry. Strumień gazu doprowadzany jest od dołu przez otwory w przegrodzie do środka części stożkowej aparatu (rys. 1), a nie jest rozdzielony równomiernie w całym przekroju. Strumień ten przepływa do góry centralnym kanałem razem z cząstkami materiału, przy czym w obrębie kanału ustalają się warunki transportu pneumatycznego. Prędkość przepływu gazu u osiąga tu wartość równą prędkości unoszenia, a niekiedy wyższą (tak jak dla transportu pneumatycznego). Systematyczny, cykliczny ruch jest przekazywany cząstkom ciała stałego, które wędrują do góry przez rozcieńczony" kanał centralny, a następnie w górnej części fontanny następuje zmiana kierunku cząstek, które opadają w dół w zewnętrznej przestrzeni pierścieniowej jako faza gęsta. 1 Strumiłło Cz, Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT, Warszawa, 1983.

2 Rys.1. Schemat warstwy fontannowej 2 : l wlot powietrza, 2 przegroda, 3 część stożkowa, 4 część cylindryczna, 5 rozrzedzony kanał centralny, 6 zewnętrzna przestrzeń pierścieniowa Kombinacja dwóch różnych zakresów hydrodynamicznych transportu pneumatycznego w centralnym kanale rozcieńczonym i ruchu (opadania) cząstek w fazie gęstej, stwarza charakterystyczną cyrkulację materiału i jest cechą charakterystyczną hydrodynamiki aparatów z warstwą fontannową. Aparaty takie wykazują następujące zalety istotne dla techniki suszarniczej: 1) regularna zmiana prędkości przepływu gazu od dołu do góry pozwala poddawać jednoczesnemu suszeniu cząstki ciała stałego o różnych wymiarach i w zakresie różnorakiej intensywności, 2) dostatecznie duże prędkości przepływu czynnika suszącego w dolnej części aparatu pozwalają, szczególnie przy znacznych kątach rozwarcia stożka, poddawać suszeniu cząstki, których dłuższy kontakt z przegrodą jest niedopuszczalny (materiały zlepiające się, ciecze i pasty). Do prowadzenia procesu suszenia w złożu fontannowym opracowano szereg konstrukcji aparaturowych. Klasyczne przykłady takich aparatów do suszenia materiałów ziarnistych przedstawiono na rys Strumiłło Cz, Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT, Warszawa, 1983.

3 Rys. 2. Suszarka ze złożem fontannowym do materiałów ziarnistych 3 : l wlot czynnika suszącego, 2 pojemnik materiału mokrego, 3 odprowadzenie materiału suchego, 4 suszarka, 5 przenośnik ślimakowy W przypadku, gdy czas przebywania jaki może zapewnić aparat jednostopniowy jest zbyt krótki, dla osiągnięcia wymaganej wilgotności końcowej produktu stosuje się aparaty wielostopniowe. Drugi stopień może być również wykorzystany jako urządzenie, w którym istnieje możliwość obniżenia temperatury produktu. Jeżeli materiał suszony pozwala na utworzenie złoża fontannowego, wówczas istnieje możliwość wykorzystania tego materiału jako zarodków granulek i połączenie w jednym aparacie procesu suszenia i granulacji bez udziału ciał inertnych. Materiał wilgotny jest w takim przypadku wtryskiwany za pomocą dyszy do złoża lub też jest wprowadzany w postaci gęstej pasty poprzez odpowiednie urządzenie zasilające. Produkt suszenia w omawianej metodzie może być odbierany zarówno w postaci proszku, jak i granulek. Rodzaj techniki fontannowania, a szczególnie uzyskanie bogatego materiału doświadczalnego, otworzył możliwość modyfikacji układów fontannowych zmierzających do 3 Strumiłło Cz, Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT, Warszawa, 1983.

4 uzyskania dodatkowych efektów w postaci: wzrostu wydajności, zmniejszenia nakładów energetycznych, zmniejszenia spadku ciśnienia, budowy aparatu o dużych natężeniach odparowania itp. Do podstawowych osiągnięć w tym zakresie zaliczyć można: a) aparaty z wieloma fontannami, b) zastosowanie rury cyrkulacyjnej, c) styczne doprowadzanie czynnika suszącego, d) zastosowanie złoża areofontannowego, e) zastosowanie złoża strumieniowo-fontannowego. 2. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie krzywej suszenia oraz krzywej kinetyki suszenia dla rzepaku w suszarce fontannowej. 3. Aparatura Schemat kolumny fontannowej używanej do przeprowadzenia doświadczeń przedstawiono na rys. 1. Suszony materiał wprowadza się do poprzez otwór załadunkowy 4 do wnętrza wykonanej z tworzywa sztucznego części stożkowej kolumny 2. Wlot kolumny wyposażony jest w dno sitowe 3, uniemożliwiające wsypywanie się ziarna do rurociągu. Powietrze niezbędne do wytworzenia stanu fontannowego tłoczone jest przez sprzężone ze sobą dwa wentylatory, następnie przepływa przez nagrzewnicę i kolumnę. Natężenia przepływu powietrza mierzy się za pomocą zainstalowanej na rurociągu tłocznym zwężki pomiarowej. Umieszczona na rurociągu zasuwa umożliwia regulację prędkości powietrza.

5 φ 1 4 φ 2 3 φ Rys.1. Aparat fontannowy używany do wykonania pomiarów: 1- metalowa część cylindryczno - stożkowa, 2 - część stożkowa wykonana z tworzywa sztucznego, 3 - dno sitowe, 4 - otwór załadunkowy.

6 4. Metodyka pomiarów Doświadczenie należy przeprowadzić w następujący sposób: a) włączyć wentylatory i ustawić za pomocą zasuwy natężenie przepływu powietrza na maksymalnym poziomie. b) włączyć wszystkie sekcje nagrzewnicy. c) nasycić ziarno wodą w ilości podanej przez prowadzącego (wilgotność bezwzględna ziarna powinna wynosić około %). Mokry rzepak dokładnie wymieszać. d) pobrać próbkę surowca do uprzednio zważonego naczynia pomiarowego. Zważyć naczynie pomiarowe wraz z próbką, a następnie umieścić w suszarce szafkowej. e) po nagrzaniu się kolumny wsypać do niej mokry materiał. Uruchomić pomiar czasu. f) w określonych przez prowadzącego odstępach czasu wyłączyć wentylatory oraz nagrzewnicę, zatrzymać stoper, pobrać próbki suszonego ziarna w celu określenia ich wilgotności poprzez analizę wagową (wg procedury przedstawionej w punkcie d). Następnie uruchomić wentylatory, nagrzewnicę, włączyć stoper. g) po zakończonym doświadczeniu usunąć odkurzaczem złoże z kolumny. 5. Opracowanie wyników pomiarów a) obliczyć początkową wilgotność bezwzględną rzepaku X 1 =(m 1 -m s1 )/ m s1 b) obliczyć wilgotność bezwzględną rzepaku dla każdej próbki pobranej w danym czasie X=(m-m s )/ m s c) obliczyć prędkość suszenia rzepaku po upływie danego czasu w = X τ ρu a τ- czas pomiędzy pobraniem dwóch kolejnych próbek X - różnica wilgotności pomiędzy czasem τ i-1 i τ i np. dla czasu 0 min i 5 min, 5 min i 10 min itd. (wyprowadzenie wzoru znajduje się w instrukcji ćwiczenia Kinetyka procesu suszenia w suszarce szafkowej )

7 Powierzchnię właściwą liczymy ze wzoru: 6(1 ε) a = d p Porowatość złoża wyznacza się z zależności: ε= 1 ρ ρ u p Potrzebne własności fizyczne rzepaku: ρ u = 678 kg/m 3 ρ p = 1078 kg/m 3 d p = 2 x 10-3 m d) sporządzić wykresy X=f(τ) (krzywa suszenia), w=f(x) (krzywa szybkości suszenia) e) wyniki umieścić w tabelach τ [min] m [kg] m s [kg] X [kg/kg] w [kg/m 2 s] Symbole a powierzchnia właściwa materiału, m 2 /m 3 d p średnica cząstki, m m masa mokrej próbki, kg m 1 masa mokrej próbki pobranej przed wsypaniem materiału do kolumny, kg m s masa wysuszonej próbki, kg m s1 masa wysuszonej próbki przy wyznaczaniu wilgotności początkowej złoża, kg w szybkość suszenia, kg/m 2 s X wilgotność bezwzględna materiału, kg/kg X 1 początkowa wilgotność bezwzględna materiału, kg/kg

8 Symbole greckie ε - porowatość złoża, m 3 /m 3 ρ p gęstość cząstki, kg/m 3 ρ u gęstość usypowa materiału, kg/m 3 τ czas, s