C14. Badanie kinetyki suszenia materiałów porowatych

Transkrypt

1 1/5 C14. Badanie kinetyki suszenia materiałów porowatych Celem ćwiczenia jest poznanie zjawiska higroskopijności materiałów biopolimerowych, obserwacja zjawiska suszenia tych materiałów oraz doświadczalne wyznaczenie parametrów kinetyki suszenia. Proces cieplny uwalniania materiałów stałych lub roztworów od zawartej w nich wody przez jej odparowanie nazywamy suszeniem. W procesie suszenia wilgotny materiał styka się z powietrzem nienasyconym, w wyniku, czego zmniejsza się wilgotność materiału, zaś powietrze nawilża się. Procesowi suszenia poddawane są ciała wilgotne o różnych własnościach fizykochemicznych, strukturalno-mechaniczno i biochemicznych. Podczas usuwania cieczy z ciała wilgotnego naruszane jest wiązanie ciecz- ciało stałe, na co spożytkowana jest określona energia. Wielkość energii wiązania to wartość pracy wykonanej na oderwanie 1 mola wody od danego ciała mającego określoną wilgotność. Na podstawie wielkości energii wiązania wyróżnia się następujące rodzaje wiązania wilgoci z materiałem: - wiązanie chemiczne najtrwalsze i na ogół niepodlegające rozerwaniu podczas zwykłego suszenia; wiązanie, które określone jest stosunkami stechiometrycznymi; - wiązanie fizyko-chemiczne wiązanie typu adsorpcyjnego i osmotycznego, w którym ciecz jest adsorpcyjnie związana, zarówno na zewnętrznej powierzchni makrocząstek, jak i zaadsorbowana na powierzchni wewnętrznej; - wiązanie fizyko-mechaniczne do tego rodzaju zaliczane jest wiązanie strukturalne (ciecz przyłącza się podczas tworzenia struktury ciała), wiązanie kapilarne oraz wiązanie zwilżania (ciecz przyłącza się podczas bezpośredniego kontaktu z powierzchnią ciała). Podczas procesu suszenia usuwa się z materiału wilgoć związaną mechanicznie i fizykochemicznie. Kinetyka procesu suszenia określa zmiany średniej zawartości wilgoci i średniej temperatury w czasie, co umożliwia obliczenie ilości odparowanej wilgoci oraz zużycie energii. Charakter przebiegu procesu suszenia dogodnie jest analizować m.in. na podstawie wykresu krzywej suszenia (rys. 1), będącej zależnością wilgotności materiału od czasu suszenia. Rys. 1. Krzywa suszenia dla warunków ustalonych Proces suszenia dzieli się na dwa okresy. Pierwszym okresem suszenia (odcinek AB) jest początkowe podgrzewanie materiału, po czym otrzymuje się zależność prostoliniową (odcinek BC). W tym okresie czasu suszenia szybkość suszenia jest wielkością stałą, liczbowo równą tangensowi kąta pochylenia stycznej do krzywej. 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 powietrza. Pierwszy okres suszenia kończy się wtedy, kiedy cała wilgoć z powierzchni zostanie odparowana. Odpowiada to punktowi C (punkt krytyczny), od którego linia prosta przechodzi w krzywą zbliżającą się asymptotycznie do wartości wilgotności równowagowej. Poniżej punktu krytycznego występuje okres o stale zmniejszającej się

2 2/5 szybkości suszenia, zwany drugim okresem suszenia. Występuje 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 ma duży wpływ struktura ciała suszonego i jego wymiary. Wykres przedstawiony na rys. 1 przedstawia typowy przebieg suszenia charakteryzujący 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. Literatura uzupełniająca: 1. Sikorski Zdzisław E.(red.), Chemia Żywności, wyd. 4, WNT, Warszawa, S. Przestalski, Fizyka z elementami biofizyki i agrofizyki, Część 2 rozdz.4. Zobacz też: symulacje komputerowe na stronie internetowej Katedry Fizyki i Biofizyki ( (zakładka: Symulacje zjawisk fizycznych).

3 3/5 C14. Protokół wyników i obliczeń Nr pary Imię i nazwisko studenta Wydział grupa data Imię i nazwisko prowadzącego Zaliczenie Wykonanie ćwiczenia Przyrządy: wagosuszarka, stoper, suwmiarka, badana próbka. Przystępując do realizacji ćwiczenia należy wykonać następujące czynności: 1. Włączyć suszarkę przyciskiem na górze obudowy. Na wyświetlaczu sprzężonej z suszarką wagi pokaże się (malejący od 15 do 0 min) czas oczekiwania na stabilizację systemu pomiarowego: np. [ ]. 2. Po osiągnięciu stabilizacji systemu pomiarowego (komunikat na wyświetlaczu [de...0]) stan układu akceptujemy przyciskiem {TARE}, a następnie tym samym przyciskiem odrzucamy wezwanie do kalibracji [LOAD] i oczekujemy na wskazanie [...0], po czym, do stojaka na szalce wagi wkładamy próbkę. Uwaga: Przed włożeniem próbki na szalkę wagi należy ją osuszyć bibułą z nadmiaru wody oraz określić jej średnice (2r). 3. Zamykamy pokrywę i po ustabilizowaniu się wskazania odczytujemy i zapisujemy masę początkową m o próbki (w gramach). Uwaga: Wskazania wagi są w miligramach. 4. Programowanie temperatury suszenia inicjujemy przyciskiem {F1}, następnie operując przyciskiem {F2} wybieramy żądaną temperaturę suszenia [130] i zatwierdzamy tę wartość {F1}. Ponowne naciśnięcie {F1} inicjuje procedurę doboru czasu próbkowania, p. {F2}: [SEC ] zatwierdzenie: p. {F1} wywołuje wskazanie gotowości systemu - na wyświetlaczu [ready]. Ponowne naciśnięcie p. {F1} rozpoczyna pomiar od wskazania [...0.0]. W tym samym momencie należy uruchomić stoper. 5. Ubytki wody U i (%) w suszonej próbce zapisujemy w tabeli odczytując z wyświetlacza wagi, co 1 min w czasie pierwszych 10 min, a następnie, co 2 min. Proces suszenia jest zakończony w momencie pojawienia się na wyświetlaczu komunikatu np.: [End ]. Naciśnięcie p. {TARE} wywołuje wyświetlenie masy suchej próbki m s i po zanotowaniu tego wyniku w gramach wyjmujemy próbkę z komory i umieszczamy w odpowiednim naczyniu naważkowym. W przypadku, gdy proces suszenia nie zakończy się w czasie 30 minut należy przerwać go naciskając p. {TARE}.

4 4/5 Tabela 1 m o = [g] 2r= [m] Czas suszenia t [min] Ubytek masy wody U i [%] Masa ewakuowanej wody m ui [g] Masa próbki wilotnej m wi [g] Wilotność bezwzględna próbki W i [g/g] Opracowanie wyników: m s = [g] Masę ewakuowanej wody z próbki (m ui ) w czasie suszenia oblicza się z równania: m ui = U i m o 0.01 (1) Masę wilgotną próbki (m wi )w poszczególnych etapach suszenia oblicza się z równania: m wi = m o - m ui (2) Wilgotność bezwzględną próbki (W) w poszczególnych etapach suszenia oblicza się z równania: W = (m wi - m s )/m s (3) Na podstawie uzyskanych wyników i obliczeń zamieszczonych w tabeli wyników należy na arkuszu papieru milimetrowego wykonać wykresy: (1) - Ubytek masy wody = f(czas suszenia t), na osi odciętych należy odłożyć czas trwania procesu w sekundach, zaś na osi rzędnych ubytek masy wody próbki w %,

5 5/5 (2) - Wilgotność bezwzględna próbki = f(czas suszenia t), na osi odciętych należy odłożyć czas trwania procesu w sekundach, zaś na osi rzędnych wilgotność bezwzględną próbki w wagosuszarce w gramach. Następnie obliczamy szybkość suszenia zdefiniowaną wzorem: Wt1 - Wt2 = [kg/m 2 s] (4) (t - t )S gdzie: 1 2 W ti - wilgotność bezwzględna próbki w danej chwili pomiaru W t1 wilgotność bezwzględna w czasie t 1 równym początkowi prostoliniowego przebiegu W t2 wilgotność bezwzględna po czasie t 2 równym końcowi prostoliniowego przebiegu., S - powierzchnia parowania [m 2 ] (na podstawie wymiarów geometrycznych próbki materiału na szalce, S = r 2 ), Uwaga: Do obliczenia szybkości suszenia bierzemy pod uwagę wartości wilgotności bezwzględne próbki i odpowiadające jej czasy pomiaru z prostoliniowej części wykresu krzywej suszenia (odcinek BC na rysunku 1), np. wilgotność bezwzględna w 5 i 20 minucie procesu suszenia.