Что изучает кинетика сушки

Кинетика сушки

Кинетика сушки определяется изменением во времени средней влажности материала, которую строят обычно по опытным данным для каждого конкретного материала (рис. 14.2).

Как следует из рис. 14.2, кривая сушки состоит из двух участков, соответствующих различным ее периодам, которые хорошо видны на графической зависимости скорости сушки от влажности материала (рис. 14.3).

В этот период поверхность материала покрыта влагой, что обеспечивается высокой влажностью материала в начале сушки и возмещением испаряющейся влаги вследствие диффузии ее из внутренних слоев. Скорость диффузии влаги равна скорости испарения воды с поверхности высушиваемого материала. Это означает, что подвод воды к поверхности твердого тела полностью компенсирует ее удаление с этой поверхности. Скорость суммарного процесса в этот период ограничивается скоростью поверхностного испарения, т. е. скоростью отвода молекул пара от поверхности.

Кинетические уравнения для первого периода сушки могут быть записаны в виде

где W – количество испаренной жидкости; F – поверхность фазового контакта; х_нас – влагосодержание насыщенного воздуха в условиях сушки; х – действительное (рабочее) влагосодержание воздуха; р_нас – парциальное давление влаги в условиях насыщения; р – действительное парциальное давление паров влаги в воздухе; β_х, β_р – коэффициенты массоотдачи; τ₁ — продолжительность первого периода сушки.

Факторами, определяющими скорость сушки в первый период, являются:

· влажность газа (чем суше газ, тем больше движущая сила процесса, а значит, больше скорость сушки);

· температура газа (чем выше температура газа, тем выше температура поверхности материала, а следовательно, больше упругость насыщенного пара и выше скорость сушки);

· скорость газа (величина коэффициента массоотдачи зависит от скорости газового потока, а увеличение скорости влечет за собой рост турбулентности потока, сдувание, т. е. уменьшение толщины пограничного ламинарного слоя газа и, следовательно, ускорение переноса в нем вещества – диффузии пара);

· поверхность испарения (скорость испарения увеличивается прямопропорционально поверхности испарения, т. е. скорость сушки, растет при измельчении материала, так как при этом увеличивается удельная поверхность).

Первый период сушки соответствует изменению влажности, материала в пределах с_н – с_кр (начальная влажность – критическая влажность).

Второй период (линия ВЕ) – период падающей скорости сушки или внутренней диффузии.

В этот период подвод влаги к внешней поверхности высушиваемого материала оказывается недостаточно быстрым для компенсации испаряющейся с нее влаги из-за увеличения глубины её извлечения.

Изменение скорости сушки в этот период зависит от того, насколько быстро по сравнению со скоростью испарения будет подходить влага из внутренних слоев к наружным. Это изменение зависит от формы связи влаги с материалом, структуры твердого вещества, толщины куска и т. д. Экспериментально установлено, что чаще всего на участке ВЕ скорость сушки изменяется по ли­нейному закону (см. рис. 14.3).

Кинетическое уравнение для второго периода сушки может быть записано в виде

Следует отметить, что этот кинетический закон описывает явление лишь приближенно. Действительное изменение скорости сушки в пределах изменения влажности с_кр – с_к (критическая влажность – конечная влажность) может и не следовать линейному закону (пунктирные линии на рис. 14.3).

Когда в ходе сушки поверхность высушиваемого материала покрывается коркой, скорость процесса уменьшается и выражается на графике кривой, расположенной ниже прямой линии. В других случаях, когда в результате сушки происходит растрескивание высушиваемого материала, а в результате этого – увеличение поверхности контакта фаз, скорость сушки увеличивается и выражается на графике кривой, расположенной выше прямой с_кр – с_к.

Интенсификация второго периода процесса сушки может быть достигнута путем перемешивания высушиваемого материала, способствующего механическому переносу влаги из внутренних слоев к поверхности контакта с сушильным агентом.

Таким образом, для периодических процессов общая продолжительность сушки складывается из продолжительности сушки в первом τ₁ и во втором τ₂ периодах:

Значение τ₁ определяют при этом из уравнений (14.2) и (14.3)

В этих уравнениях Δр_ср и Δх_ср – средняя движущая сила процесса, которая определяется по формулам

Для определения продолжительности второго периода сушки пользуются уравнением (14.4):

где G – количество высушиваемого материала, кг сухого вещества. Из уравнения (14.6) следует:

Интегрируя уравнение (14.7) в пределах с_к – с_кр и 0 – τ, получим

Значения с_кр и с_к определяются экспериментально.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Основы кинетики сушки

Если материал находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможны два процесса:

По известному значению N может быть приблизительно найдена продолжи­тельность сушки т = т1 + т2, где длительность первого периода

U нач Uкр

а длительность второго

Формула (5.5) получена в результате решения дифференциального уравнения, характеризующего процесс изменения влагосодержания внутри частицы материала при следующих допущениях:

— частицы материала имеют форму шара;

— поры в частице и влага в них распределены равномерно;

— все сопротивление массопереносу сосредоточено внутри частицы, т. е. подво­димая к ее поверхности влага отводится моментально.

Замечание: значения критического икр и равновесного ир влагосодержания ма­териала определяются экспериментально, с помощью кривой сушки и изотерм сорбции, а его конечное влагосодержание ик определяется требованиями стандар­тов или технических условий на продукт. Обычно икр

ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Винтовые компрессоры: области применения и характеристики устройств

Винтовой компрессор – это устройство, внутри которого во время включения начинают вращаться два ротора, за счет чего достигается понижение давления. Впервые мир увидел модель устройства в 1934 году. В настоящее …

Изучение конструкций контактных массообменных устройств, технологический расчет тарельчатой колонны

Изучение конструкций, технологические расчеты кожухотрубчатых теплообменников

Продажа шагающий экскаватор 20/90

Цена договорная
Используются в горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых (уголь, сланцы, руды черных и
цветных металлов, золото, сырье для химической промышленности, огнеупоров и др.) открытым способом. Их назначение – вскрышные работы с укладкой породы в выработанное пространство или на борт карьера. Экскаваторы способны
перемещать горную массу на большие расстояния. При разработке пород повышенной прочности требуется частичное или
сплошное рыхление взрыванием.
Вместимость ковша, м3 20
Длина стрелы, м 90
Угол наклона стрелы, град 32
Концевая нагрузка (max.) тс 63
Продолжительность рабочего цикла (грунт первой категории), с 60
Высота выгрузки, м 38,5
Глубина копания, м 42,5
Радиус выгрузки, м 83
Просвет под задней частью платформы, м 1,61
Диаметр опорной базы, м 14,5
Удельное давление на грунт при работе и передвижении, МПа 0,105/0,24
Размеры башмака (длина и ширина), м 13 х 2,5
Рабочая масса, т 1690
Мощность механизма подъема, кВт 2х1120
Мощность механизма поворота, кВт 4х250
Мощность механизма тяги, кВт 2х1120
Мощность механизма хода, кВт 2х400
Мощность сетевого двигателя, кВ 2х1600
Напряжение питающей сети, кВ 6
Более детальную информацию можете получить по телефону (063)0416788

Источник

Что изучает кинетика сушки

Изучение кинетики процесса сушки влажных материалов

Под кинетикой процесса сушки понимают изменение средних по объему высушиваемого тела влажности и температуры с течением времени. Кинетика сушки влажного материала определяет выбор оптимальных параметров сушильного агента (температуры, давления, влажности), конструкцию и основные размеры сушильного устройства. Детальное изучение кинетики позволяет организовать процесс сушки с наименьшими энергозатратами и получать продукт высокого качества.

Поскольку сушка является типичным тепло- и массообменным процессом, то ее кинетика будет определяться в первую очередь формой связи влаги с материалом. В зависимости от величины энергии связи влаги (воды) с сухим веществом материала различают (по классификации П.А. Ребиндера) следующие формы:

а) Химическая (ионная и молекулярная) связь. Вода в этом случае входит в состав молекулы данного химического соединения в строго определенных стехиометрических соотношениях (вода кислот, оснований, кристаллогидратов). Химически связанная вода может быть выделена из молекулы соединения при помощи химической реакции или прокаливания. В процессе сушки она не удаляется.

б) Физико-химическая (адсорбционная и осмотическая) связь включает влагу, поглощенную в виде пара из окружающей газовой среды и удерживаемую на поверхности вещества под действием ее молекулярного силового поля (адсорбированная вода), а также влагу, входящую в состав растительных и животных клеток (осмотическая).

в) Физико-механически связанная вода представляет собой жидкость, захваченную при образовании структуры геля, находящуюся в порах и макрокапиллярах материала, с также влагу смачивания, обусловленную прилипанием воды при непосредственном соприкосновении ее с поверхностью тела.

Физико-механически связанная влага называется свободной и может быть удалена даже механическим путем.

Необходимо отметить, что резкой границы между отдельными видами связи жидкости с телом не существует: одна форма связи постепенно уменьшается за счет преобладания другой.

(1)

И относительная и абсолютная влажности выражаются в долях еди­ницы или в процентах. При анализе процесса сушки удобнее поль­зоваться абсолютной влажностью, т.к. количество абсолютно сухого вещества в образце при любых условиях остается постоянным.

При расчете влажности по формулам (1) и (2) получается ее среднее значение в данном материале. Значение относительной w и абсолютной w с влажностей связаны следующими зависимостями:

, (3)

. (4)

(5)

или для конечных отрезков времени скорость сушки определяется количеством влаги ( D W ), удаленной п o отношению к 1 кг абсолютно сухого вещества материала ( G _ас ) в единицу времени ( D t ) и средняя скорость в данном случае будет равна

. (6)

Следует отличать скорость сушки от интенсивности сушки, которая определяет массу влаги ( dW ), удаленную с единицы поверхности материала ( F ) за единицу времени ( d t ). При анализе процесса удобнее пользоваться понятием скорости сушки, т.к. истинную поверхность материала зачастую определить очень трудно. Кроме того, в процессе высушивания она может изменяться (уменьшаться) для материалов дающих усадку.

Механизм переноса вещества внутри твердой фазы сложен, так как часть влаги испаряется внутри материала и перемещение ее к поверхности происходит в виде жидкости и пара одновременно за счет действия различных сил. Для жидкой фазы это капиллярные, осмотические, гравитационные, термокапиллярные и др. силы, а для паровой фазы – молярный перенос, молекулярная диффузия, бародиффузия, термодиффузия. Удельный вес потоков фаз и действующих сил зависит от большого числа факторов, включающих в себя как внутренние связанные со структурой высушиваемого тела, так и внешние – параметры процесса и свойства сушильного агента. Кроме того, соотношение потоков и сил меняется с протеканием процесса. Все это создает сложную картину переноса, не поддающуюся аналитическому расчету, основанному на количественном анализе составляющих ее процессов переноса влаги.

Рис.1. Кривая сушки и прогрева высушиваемого материала

На температурной кривой вначале наблюдается прогрев материала от температуры, с которой он вносится в сушилку ( t _н ), до температуры мокрого термометра ( t _м ), отвечающей температуре и влажности сушильного агента, поступающего в сушку (участок ab ). Затем температура материала остается постоянной, равной температуре мокрого термометра, до тех пор, пока не удалится вся свободная влага (участок bc ). После этого происходит постепенное повышение температур материала и в конце процесса сушки она может сравняться с температурой сушильного агента, находящегося в контакте с сухим материалом (участок с d ).

В период прогрева материала наблюдается сравнительно медленное удаление влаги (участок АВ на кривой сушки w с = f ₂ ( t )). Затем условно выделяют прямолинейный участок ВС, который называется первым периодом сушки. Он соответствует удалению свободной влаги, покрывающей поверхность материала. После чего начинается удаление связанной влаги (участок СД) – второй период сушки. Точка С, разделяющая первый и второй периоды сушки, называется критической точкой, а влажность материала, соответствующая ей – первой критической влажностью. Конечная влажность материала (точка Д) характеризует его равновесную влажность ( w _p ) при данных условиях сушки.

По кривым сушки строятся кривые скорости сушки, представляющие собой графическое выражение функции u = f ₃ ( t ), или скорости сушки от абсолютной влажности образца (см. рис.2). Скорость сушки определяется по кривой сушки путем графического дифференцирования как тангенс угла наклона касательной, проведенной к кривой сушки в данной точке, к оси абсцисс (угол a на рис. 1).

Рис. 2. Кривая скорости сушки u = f ( w c )

На кривой скорости сушки различаются те же периоды, что и на кривых сушки и температуры материала. Начальный участок кривой АВ, соответствующий увеличению скорости сушки, отвечает прогреву материала при помещении его в сушилку. За ним следует горизонтальный отрезок ВС – период постоянной скорости сушки, которая в данном периоде лимитируется скоростью внешней диффузии (массоотдачи) влаги, т.е. ее перехода с поверхности испарения в окружающую среду. Скорость сушки в данном периоде будет зависеть от температуры и влажности сушильного агента, общего давления в сушилке и гидродинамики процесса.

Кривые сушки, скорости сушки и прогрева материала имеют большое практическое значение. Они позволяют установить время сушки, оценить формы связи влаги с материалом, выбрать оптимальный вариант и режим сушки. Они используются при проектировании и расчете промышленных сушилок.

Цель работы : Выяснение кинетических особенностей процесса сушки влажного материала: построение и анализ кривых сушки и скорости сушки. Установление влияния различных факторов (температуры, скорости воздуха, толщины образца материала) на скорость сушки в первом и втором периодах, на величину равновесной влажности и время протекания процесса.

Имитатор лабораторной установки

для исследования кинетики процесса сушки

Моделируется процесс сушки образца листового материала в сушилке конвективного типа.

Экранный интерфейс имитатора (рис.3) функционально разделен на две зоны: верхняя – «стенд» и нижняя – «приборная панель».

В верхней зоне расположен моделирующий блок с заставкой, изображающей схему установки и блок ввода регулируемых параметров. Регулируемыми параметрами являются: время процесса, влагосодержание воздуха, температура сушки, начальное влагосодержание материала. Предусмотрен ввод дополнительных параметров, расширяющих возможности компьютерного эксперимента. К ним относятся: скорость воздуха в сушильной камере, толщина образца, коэффициенты, влияющие на форму кривой в периоде падающей скорости сушки, равновесную влажность и продолжительность периода постоянной скорости сушки. Рекомендуемые значения дополнительных параметров приведены на экране.

Назначение нижней зоны – отображение результатов имитации. Выводятся графики изменения во времени массы и температуры образца. Эти же параметры представлены в табличной форме справа от графиков.

Рис.3. Вид экранного интерфейса

Порядок работы с имитатором:

1. Загрузить MathCAD и файл имитатора;

2. С помощью слайдеров выставить исходные данные;

3. Переместиться вниз по экрану к «приборной панели», с помощью ползунка в правой части экрана;

4. Переместиться по экрану вправо с помощью ползунка в нижней части экрана к таблице цифровых данных.

5. Занести в лабораторный журнал опытные данные.

Источник

Кинетика сушки. Кривые сушки. Кривые скорости сушки.

Удаление влаги различных форм связи с материалом имеет свои особенности, которые выявляются при построении кинетических кривых процесса сушки.

Кривая сушки представляют собой зависимость относительной влажности материала от времени процесса сушки (рис. 5.4.а). Характер кривой определяется экспериментально при постоянной температуре процесса. На небольшом начальном участке кривой сушки изменение влажности мало, здесь имеет место прогрев материала. Далее влага удаляется с постоянной скоростью, о чем свидетельствует прямолинейный участок кривой. Говорят о сушке в первом периоде (периоде постоянной скорости). В этот период удаляется свободная влага.

В последующем удаление влаги происходит с падающей скоростью, когда с течением времени влажность материала асимптотически приближается к равновесной величине. Этот период называют вторым периодом сушки (периодом удаления связанной влаги).

Более наглядными являются кривые скорости сушки. Под скоростью сушки понимается изменение влажности материала в единицу времени , здесь отрицательный знак обусловлен отрицательным знаком производной. Пример кривой скорости сушки показан на рисунке 5.4.б. Кривая скорости сушки построена методом графического дифференцирования кривой сушки (см. рис. 5.4.а). Период прогрева материала опущен. Первому периоду соответствует горизонтальный участок. Во втором периоде кривые скорости сушки в зависимости от свойств материала и влаги могут идти различным образом. Общим является устремление этих линий к равновесной влажности материала, достижение которой возможно только при бесконечно долгой сушке.

Кривые скорости сушки снятые для различных температур служат основой для решения первой задачи кинетики сушки: выбора оптимального способа и аппарата для сушки этого влажного материала.

Для решения задачи проектирования пользуются величиной, называемой напряжением по влаге, отнесенное или к 1 м 3 объема сушильной камеры, , или к 1 м 2 условной поверхности (если испарение влаги происходит в небольшом слое материала или с поверхности тонкого листового материала) . Напряжение по влаге находят по средним данным эксплуатации промышленных установок.

Рис. 5.4. Кривые сушки и скорости сушки.

Напряжение по влаге учитывает не только продолжительность процесса сушки конкретного материала (материал представляет собой субстанцию, состоящую из твердых частиц различной формы и размеров или листового материала), но и технологические параметры процесса, и принципиальные особенности сушильного аппарата. При расчете новых сушилок с помощью или для одного и того же материала необходимо, чтобы гидродинамические, температурные и другие условия были такими же, при которых определялось это напряжение по влаге.

Зная напряжение по влаге в форме , определяют рабочий объем сушильной камеры и ее геометрические размеры. Так, например, объем сушильного барабана может быть найден по формуле

Зная соотношение между длиной барабана и его диаметром, , записывают Откуда: ;

Такой прямой метод использования результатов эксплуатации сушильных аппаратов при решении задач проектирования обусловлен сложностью явлений процесса сушки влажных материалов: внутренней миграции влаги в материале, диффузии ее с поверхности в поток сушильного агента, сопутствующих физико-химических превращений (дегидратации, фазовых переходов), одновременного протекания теплопереноса, поведения единичного зерна в массе высушиваемых зерен.

Однако по мере проникновения в физическую сущность процесса возрастает роль теоретических построений. Они позволяют:

— грамотно поставить эксперимент;

— построить его физическую модель процесса;

— в отдельных (простых) случаях – математически описать и рассчитать процесс сушки (решить как задачу эксплуатации, так и задачу проектирования). В качестве примера рассмотрим далее – непрерывный процесс сушки в псевдоожиженном слое высушиваемого материала, как наиболее удобный своей простотой и возможностью (при значительных упрощениях) довести анализ до расчетных выражений.

Рис. Принципиальная схема сушильной установки с псевдоожиженным слоем высушиваемого материала.

Из общих соображений можно разделить процесс конвективной сушки на четыре стадии:

Результирующая скорость сушки определяется интенсивностью каждой из этих стадий. Однако можно пойти по пути упрощения расчета, если скорость на какой-либо одной из стадий значительно меньше, чем на остальных. Тогда говорят, что эта стадия является лимитирующей. В таком случае расчету подлежит только эта стадия процесса, так как остальные в сравнении с ней протекают практически мгновенно.

Если в качестве лимитирующей стадии выступает 1 ая стадии, то речь идет о сушке в условиях потоковой задачи по ТМ, а интенсивность процесса сушки определяется уравнением материального баланса .

Если в качестве лимитирующей стадии выступает 2 ая стадия, то говорят о сушке в условиях внутренней задачи. В основе анализа этого случая лежит уравнение Фика. Для единичного сферического зерна радиусом R при симметричной сушке в случае постоянного коэффициента диффузии влаги в материале (D_M) в отсутствие химических превращений оно записывается в сферических координатах:

, где C – концентрация влаги в материале

Если в качестве лимитирующей стадии выступает 3 ая стадия, то говорят о сушке в условиях внешней задачи. Основное уравнение внешнего массопереноса имеет вид

, где — коэффициент массоотдачи; — плотность а.с.в.; — поверхность контакта фаз; — средняя движущая сила процесса, при — равновесное влагосодержание СА, .

Рис. Равновесие при сушке.

Если в качестве лимитирующей стадии выступает 4 ая стадия, то речь идет о сушке в условиях потоковой задачи по СА. а интенсивность процесса сушки определяется уравнением материального баланса .

Заметим, что в обоих случаях сушки в условиях потоковой задачи по ТМ и СА уравнения материального баланса дополняются равновесным соотношением .

Видны очевидные упрощения при определении параметров сушки в условиях внутренней задачи, в самом деле: форма зерна может быть далека от сферической; коэффициент диффузии влаги в материале существенно зависит от ее концентрации в нем; при изменении С могут изменятся физическое состояние влаги в материале и характеристики ее диффузии, т.е. тогда D_М нельзя считать постоянным в ходе процесса сушки (по объему зерна – тоже). Тогда усложняется написание уравнение Фика, если возможно написание его вообще. Дополнительные затруднения – в установлении и математическом выражении зависимости D_М от С.

При сопоставимости скоростей хотя бы двух каких-либо медленных стадий задача именуется смешанной, ее расчет усложняется.

Дата добавления: 2015-03-11 ; просмотров: 5203 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник