Suszarnictwo- wykład

Nasza ocena:

3
Pobrań: 385
Wyświetleń: 2625
Komentarze: 0
Notatek.pl

Pobierz ten dokument za darmo

Podgląd dokumentu
Suszarnictwo- wykład  - strona 1 Suszarnictwo- wykład  - strona 2 Suszarnictwo- wykład  - strona 3

Fragment notatki:

Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
SUSZARNICTWO
Proces suszenia polega na usunięciu cieczy, najczęściej wody, zawartej w osuszanym
materiale stałym. Proces ten należy do operacji dyfuzyjno - cieplnych, gdyż równolegle z
ruchem masy odbywa się ruch ciepła. Proces suszenia (usuwania wilgoci) jest operacją bardzo
często stosowaną w różnego rodzaju technologiach np. w przeróbce drewna, w cukrownictwie
przy końcowym przetwarzaniu wysłodków buraczanych, w farmacji podczas przetwarzania
ziół, w rolnictwie przy magazynowaniu i przetwarzaniu zbóż, w hutnictwie przy przeróbce
koncentratów rud otrzymywanych z flotacji, w produkcji wielkoprzemysłowej przy osuszaniu
półproduktów i produktów krystalicznych jak nawozy sztuczne, barwniki itp. Wilgoć można
usuwać mechanicznie, chemicznie (suszenie gazów i cieczy), elektrycznie oraz cieplnie.
 Metody mechaniczne takie jak wyciskanie, prasowanie, wyżymanie, odsączanie, filtrowanie,
wirowanie itp. stosuje się zwykle jako wstępne stadium usuwania wilgoci w takich
przypadkach, w których surowiec poddawany suszeniu zawiera bardzo dużo wody.
 W metodach chemicznych wykorzystuje się właściwości higroskopijne wielu substancji
suszących: jak chlorek wapnia, stężony kwas siarkowy, pięciotlenek fosforu, czy żel
krzemionkowy.
 Suszenie elektryczne polega na wykorzystaniu prądu elektrycznego wysokiej częstotliwości,
podczas przepływu którego dochodzi do ogrzewania się dielektryków (materiału
suszonego) w szybko zmiennym polu elektrycznym.
 Metody cieplne polegają na usuwaniu wilgoci przez odparowanie cieczy z powierzchni ciała
wilgotnego kosztem energii cieplnej dostarczanej np. ze strumieniem suszącego gazu,
podczas podgrzewania półek w suszarni lub w czasie naświetlania surowca za pomocą
promienników podczerwieni. Suszenie metodami cieplnymi wymaga zużycia dużej ilości,
zwykle kosztownej, energii cieplnej i dlatego znajomość zasad suszenia może przyczynić się
do właściwego i ekonomicznego sposobu projektowania urządzeń oraz ich eksploatacji.
Istotny wpływ na przebieg procesu suszenia wywiera charakter wiązania wilgoci z
ciałem stałym. W czasie suszenia wilgoć musi być usunięta z ciała suszonego, a zatem kosztem
dostarczanej energii cieplnej muszą być pokonane siły wiążące tę wilgoć z ciałem stałym. W
zasadzie odróżnia się trzy typy wiązania wilgoci z materiałem suszonym.
 Wiązania mechaniczne, gdy wilgoć znajduje się np. w kapilarach oraz w wolnych
przestrzeniach międzyziarnowych.
 Wiązania natury fizykochemicznej typu adsorpcyjnego i osmotycznego, gdy wilgoć
znajduje się na powierzchni poszczególnych cząstek materiału wilgotnego lub wewnątrz
elementów ciała wilgotnego, np. wewnątrz komórek roślinnych.
 Wiązania chemiczne, gdy ilość wilgoci jest określona stechiometrią cząsteczek. Tego
rodzaju wiązania są najtrwalsze i najtrudniej podlegają rozerwaniu podczas suszenia.
W procesach suszarniczych wilgotność bezwzględną materiału wilgotnego X określa
się jako masę wilgoci m W odniesioną do masy suchego materiału mS :
X
mW
mS
Natomiast wilgotność W (wyrażana w procentach) oznacza stosunek masy wilgoci m W do
sumy mas materiału suchego i zawartej w nim wilgoci ( mS  m W ):
W
mW
 100%
m W  mc
1
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
Przy czym prawdziwe są zależności:
W
100  W
100  X
W
1 X
X
Wilgoć dyfunduje od materiału wilgotnego do czynnika suszącego, gdy ciśnienie
cząstkowe pary wodnej nad powierzchnią materiału suszonego jest wyższe od ciśnienia
cząstkowego pary wodnej w przepływającym powietrzu. W przeciwnym przypadku materiał
jest nawilżany.
Suszenie jest procesem dyfuzyjnym, który zdąża do pewnego stanu równowagi
międzyfazowej. Równowagi suszarnicze często przedstawia się w postaci wykresów w
układzie   f X  , gdzie:
X
jest bezwzględna zawartością wilgoci w materiale;

jest wilgotnością względną powietrza obliczaną ze wzoru:
pV
pV
 100%
0
PV
jest prężnością cząstkową pary wodnej
Pa  ,
0
PV
jest prężnością nasyconej pary wodnej

Pa  .
Przebieg linii równowagi zależy od budowy cząstek ciała stałego. Podobnie jak w
procesie adsorpcji, również w procesach suszarniczych obserwuje się zjawisko histerezy, tj.
występowanie różnicy w przebiegu linii równowagi w procesie nawilżania i w procesie
suszenia.
Na podstawie wykresu równowagowego, można zdefiniować kilka ważnych pojęć,
które przedstawiono poniżej w postaci graficznej.
2
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
Równowagowa wilgotność bezwzględna materiału suszonego X R oznacza taką
zawartość wilgoci w ciele stałym, która znajduje się w stanie równowagi z powietrzem, w
którym ciśnienie cząstkowe pary wodnej wynosi p V ,a wilgotność względna O .
Bezwzględna wilgotność powietrza Y związana jest z wilgotnością względną  ,
temperaturą i ciśnieniem całkowitym. Jeśli wprowadzić oznaczenia:
pV
- ciśnienie cząstkowe pary wodnej,
pp
- ciśnienie cząstkowe powietrza,
to można zapisać:
pp  p  pV ,
a stąd:
mV
mV
m pow
pV
y
Y


 18 

0
18
p  p V y pow p    PV m pow
0,622
29
29
0
  PV
Ostatecznie otrzymuje się zależność:
Y  0,622 
0
  PV
.
0
p    PV
Na podstawie tego wzoru można stwierdzić, że dla danej temperatury (odpowiednia wartość
0
PV ) i danego ciśnienia istnieje ścisły związek pomiędzy bezwzględną i względną wilgotnością
powietrza.
Właściwości wilgotnego powietrza i przebieg procesów suszenia wygodnie jest śledzić
posługując się graficzną metodą Moliera. Konstrukcję wykresu Moliera rozpoczyna się od
naniesienia linii stałych wilgotności bezwzględnych powietrza Y odkładanych na osi
odciętych, są to linie pionowe.
3
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
Z kolei na wykres nanosi się linie stałych entalpii powietrza i obliczanych ze wzoru:


i  c pow  c V Y t  r0 Y
J / kg suchego powietrza 
gdzie:
c pow
- ciepło właściwe powietrza ;
- ciepło właściwe pary wodnej;
- ciepło parowania wody;
Równanie powyższe przedstawia entalpię suchego powietrza oraz entalpię
towarzyszącej mu pary wodnej. Linie stałych entalpii odniesionych do temperatury 0C kreśli
się w układzie ukośnokątnym pod kątem 135. Skala entalpii jest skonstruowana w sposób
umowny tak, by dla danej wartości Y , odcinek pionowy między osią i = 0 oraz skalą poziomą
(na wykresie jest to np. stosunek odcinków a do b) był równy ciepłu parowania wilgoci
zawartej w danym powietrzu w temperaturze 0C, czyli równy wartości: r0 Y .
Izotermy na wykresie Moliera wyznacza się w sposób następujący: dla danej
temperatury t1 oblicza się entalpię suchego powietrza ( Y  0 ) co na wykresie przedstawia
punkt A. Dla innej wilgotności bezwzględnej np. Y1 oblicza się entalpię i1 powietrza
wilgotnego (na wykresie - punkt B). Łącząc punkt A z punktem B leżącym na przecięciu
izentalpy i1 oraz linii wilgotności bezwzględnej Y1 otrzymuje się izotermę t1 . W podobny
cV
r0
4
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
sposób otrzymuje się kolejne izotermy dla szeregu temperatur. Na wykresie Moliera izoterma
odpowiadająca temperaturze 0oC jest linią poziomą, natomiast każda następna jest nachylona
pod innym kątem do osi odciętych, co wynika ze zróżniczkowania równania izentalpy w stałej
temperaturze:


i  c pow  c V  Y  t  r0  Y
 di 

  c V  t  r0
 dY  t
Ostatnie równanie przedstawia nachylenie izotermy i jak widać ze wzrostem temperatury jest
ono coraz większe.
Aby na wykresie Moliera przedstawić linie względnej wilgotności powietrza  należy
dodatkowo sporządzić wykres zależności prężności nasyconej pary wodnej w funkcji
0
wilgotności bezwzględnej PV  f Y  . Dla powietrza całkowicie wysyconego parą wodną
wilgotność bezwzględną Y wyznacza się z równania:
Y  0,622
0
PV
0
p  PV
skąd
0
PV 
pY
0,622  Y
Zakładając określoną wartość ciśnienia całkowitego p  const (np. ciśnienie
atmosferyczne) i podstawiając w ostatnim równaniu wartości Y większe od zera wyznacza się
0
krzywą prężności nasyconej pary wodnej PV od wilgotności bezwzględnej Y . Zależność tę
przedstawiono na wykresie Moliera w dolnej części wykresu.
Chcąc wykreślić linię względnej wilgotności powietrza  = 100% należy wykonać
następujące czynności. Z tablic termodynamicznych powietrza odczytuje się wartości prężności
nasyconej pary wodnej w odpowiednich temperaturach. Na przykład w temperaturze
0
0
powietrza t1 prężność nasyconej pary wodnej wynosi PV1 . Wartość PV1 należy zaznaczyć na osi
rzędnych po prawej stronie wykresu i z tego punktu wykreślić równoległą do osi odciętych, aż
0
do przecięcia z krzywą PV  f Y  o odciętej Y1 (na wykresie punkt D). Z tego punktu kreśli
się prostopadłą do przecięcia z izotermą t1 otrzymując punkt 1, który leży na linii   100% .
0
Postępując w ten sposób dla kolejnej temperatury t 2 , z punktu PV 2 dla współrzędnej Y2
otrzyma się punkt F i w konsekwencji punkt 2. Wykonanie tej procedury dla kolejnych
wybranych temperatur prowadzi do wyznaczenia przebiegu całej linii   100% . Aby wykreślić
linie wilgotności względnej inne niż   100% , np.   50% należy powyższą procedurę
0
zmodyfikować. W temperaturze t1 prężność pary wodnej wynosi p V1  0,5 PV1 . Zatem na
wykresie odcinek CD należy podzielić na pół, z jego środka wykreślić poziomą do przecięcia z
0
linią PV  f Y  , następnie wykreślić pionową aż do przecięcia z izotermą t1 otrzymując punkt
3. Dla izotermy t 2 odcinek EF dzieli się na pół i powtarzając czynności otrzymuje się punkt 4.
Dalszy sposób postępowania jest analogiczny jak powyżej, z tym że dla wilgotności np.
0
  30% prężność pary wodnej wynosi p V1  0,3 PV1 . Dla temperatur wyższych niż 100C
krzywe przechodzą w proste prostopadłe do osi odciętych. Zaletą wykresu Moliera jest to, że
wystarczy znać dwa parametry powietrza jako czynnika suszącego, a pozostełe właściwości
powietrza można odczytać z wykresu np. wilgotność względną, prężność pary wodnej,
temperaturę punktu rosy, entalpię powietrza wilgotnego, temperaturę termometru wilgotnego.
Bilans masowy suszarni można zapisać za pomocą równania:
5
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński




S  X p  X k  G  Yk  Yp ,
gdzie:
- strumień masy suchego ciała stałego kg suchego ciala stalego / s ,
G
- strumień masy suchego powietrza kg suchego powietrza / s ,
X - bezwzględna wilgotność ciała stałego początkowa i końcowa
S
kg wi lg oci / kg suchego ciala stalego 
Y - bezwzględna wilgotność powietrza końcowa i początkowa
kg pary wodnej / kg suchego powietrza 
Suszenie adiabatyczne
W procesie adiabatycznym (bez podgrzewania wewnątrz suszarni) powietrze o stanie
(t0, Y0 ) jest podgrzewane przed suszarnią do temperatury t1 (na wykresie odcinek 01).
Strumień ciepła pobierany przez powietrze wynosi:

Q  G  i1  i 0 
entalpia i1 oraz i 0 może być odczytana z wykresu Moliera.
Gorące powietrze (punkt 1) suszy wilgotny materiał osiągając stan końcowy (punkt 2). W tym
procesie można pominąć zmianę całkowitej entalpii materiału suszonego, którą można zapisać
równaniem:


i  mS i k  i p  m w c w t 0  0
gdzie:
- masa odparowanej wilgoci;
- temperatura materiału, a więc wilgoci w nim wprowadzonej;
Materiał wysuszony ma temperaturę zwykle niewyższą od temperatury materiału wlotowego, a
więc wartość iloczynu mS i k  i p  jest mała, ale dodatnia. Wartość iloczynu m w c w t 0  jest też
mw
t0
niewielka, gdyż temperatura wlotowa t 0 jest zwykle równa temperaturze otoczenia. Stąd
różnica tych dwóch niewielkich pozycji jest bliska zeru. Zatem można z dużą dokładnością
przyjąć, że podczas suszenia adiabatycznego zmiany stanów powietrza na odcinku 1-2
odpowiadają linii i  const . Znając temperaturę t 2 powietrza odlotowego można stąd znaleźć
6
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
bezwzględną wilgotność powietrza Y2 oraz zużycie suchego powietrza na jednostkowy
strumień wysuszonego materiału:
G Xp  Xk

S
Y2  Y0
Bilans suszenia z wewnętrznym ogrzewaniem suszarni
Podczas suszenia nieadiabatycznego ciepło doprowadzane jest do wnętrza komory
suszarniczej. Jeśli pominie się zmianę entalpii materiału suszonego, to strumień ciepła można
opisać równaniem:

Q  G i2  i1 
Strumień masy wody odparowanej z ciała stałego wynosi:


m w  G Y2  Y1

Zatem po podzieleniu stronami otrzyma się wyrażenie określające Strumień ciepła zużytego na
jednostkowy strumień wilgoci odparowanej z ciała stałego:

Q
i i
di
 2 1 
 w Y2  Y1 dY
m
Na podstawie powyższej zależności można także stwierdzić, że ten jednostkowy
 
strumień ciepła Q m w jest równy nachyleniu odcinka powstałego przez połączenie punktów
opisujących stan początkowy i stan końcowy procesu suszenia nieadiabatycznego, co
zilustrowano na poniższym wykresie.
7
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
Odcinek bilansowy (1-2) łączący
punkty opisujące stan początkowy i
końcowy nie odzwierciedla rzeczywistego
przebiegu procesu. Być może lepszym
przybliżeniem byłaby krzywa 1-2 (rysunek
po prawej), jednak do obliczeń
procesowych nie jest istotna droga, po
której biegnie proces, ale właśnie stan
początkowy i końcowy.
Ze względu na fakt, że w zasadzie
proces suszenia nieadiabatycznego można
potraktować jako proces złożony z dwóch
etapów, tj. ogrzewania od i1 do i 2 , a
następnie suszenia adiabatycznego, więc nachylenie linii bilansowej 1-2 zawsze, w każdym
 
procesie, będzie oznaczać zużycie ciepła Q m w . Z tego powodu na wykresie Moliera bardzo
często wykreślony jest dodatkowo pęk prostych, wychodzących z punktu B zwanego
biegunem operacyjnym, o różnym nachyleniu wyrażonym w kJ/kg, które w łatwy sposób
pozwalają ocenić dany proces suszarniczy. Aby tego dokonać wystarczy linię bilansową
rozpatrywanego procesu (odcinek prosty 1-2) przenieść równolegle aż do pokrycia się z
odpowiednią linią z pęku prostych i odczytać zużycie ciepła potrzebne do odparowania 1 kg
wilgoci.
Suszenie wielostopniowe
Ten sposób suszenia ma na celu uniknięcie konieczności podgrzewania powietrza
wlotowego do zbyt wysokiej temperatury. Stosuje się wielokrotne ogrzewanie powietrza (do
stałej, ale umiarkowanej temperatury) oraz wielokrotne suszenie adiabatyczne. Dla przykładu
w procesie czterostopniowym w kolejnych stopniach procesu dostarcza się ciepło Q1, Q2, Q3,
Q4 czemu na wykresie odpowiadają odcinki pionowe sięgające izotermy t. Gdyby przedłużyć
linię 1-2 oraz izentalpę 9-8, to można by znaleźć punkt 10, a więc izotermę t10 , do której
powietrze musiałoby być podgrzane, aby stan 9 można było osiągnąć w procesie
jednostopniowym, czyli tę samą efektywność zużycia ciepła (Q/mw) na 1 kg odparowanej
wilgoci.
Q  Q2  Q3  Q4
i i
Q
 1
 9 1
mw
mw
Y9  Y1
Suszenie z recyrkulacją.
Suszenie z recyrkulacją polega na zawróceniu części powietrza odlotowego do obiegu
w celu podwyższenia wilgotności powietrza wlotowego. Taki sposób realizacji procesu
powoduje zmniejszenie szybkości suszenia. Jest to konieczne w takich przypadkach, gdy zbyt
szybkie usuwanie wilgoci na
początku
procesu
może
doprowadzić
do
wytworzenia
nieprzepuszczalnej
„skorupy”
8
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
utrudniającej, lub nawet uniemożliwiającej dalsze suszenie.
Jeśli oznaczyć, że przez suszarnię przepływa G ob suchego powietrza obiegowego, to
strumień masy odparowanej wilgoci można opisać zależnością:


m w  G ob Y4  Y2

Jeśli natomiast przez G oznaczyć strumień masy suchego świeżego powietrza dopływającego
z zewnątrz do instalacji, to otrzyma się analogiczne równanie:


m w  G Y4  Y1

Przebieg procesu na wykresie Moliera zamieszczono obok. Znając parametry powietrza w
warnkach (1) i (4), tj. na wlocie i wylocie z
układu, na zasadzie reguły dźwigni można ustalić
położenie punktu (2) opisującego stan powietrza
zmieszanego. Odległość punktu 2 od izentalpy
suszenia
3-4
przedstawia
ilość
ciepła
doprowadzonego
do
podgrzewacza
w
przeliczeniu na 1 kg/s powietrza przepływającego
przez suszarnię, co również można przeliczyć na
1 kg/s powietrza świeżego wpływającego do
instalacji. Zmiana stosunku natężenia przepływu
powietrza obiegowego do powietrza świeżego
G ob G , wpływa na położenie punktu 2, a tym
samym może być parametrem decydującym o ilości zużytego ciepła.
Szybkość suszenia.
Pod uwagę zostanie wzięty proces wykonywany w ustalonych warunkach suszenia, a
więc taki w którym strumień przepływającego powietrza wokół bryły suszonego materiału
stałego jest na tyle duży, aby nie następowała zmiana wilgotności i temperatury tego
strumienia. Mierząc ubytek masy próbki suszonej w miarę upływu czasu, można określić
zmianę wilgotności materiału X w zależności od czasu . Początkowo obserwuje się
prostoliniowy przebieg zależności wilgotności materiału od czasu. Po obniżeniu wilgotności do
wartości
X k zwanej
wilgotnością
krytyczną,
obserwuje
się
zmianę
szybkości ubytku wilgoci. Linia zmian
wilgotności dąży asymptotycznie do
wartości X R , która jest wielkością
równowagową
do
bezwzględnej
wilgotności powietrza suszącego.
9
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński

Różniczkując zależność X  f (  ) otrzymuje się szybkość suszenia dX d , którą
można przedstawić jako funkcję zawartości wilgoci w ciele stałym.
Na wykresie widoczne są dwa okresy suszenia. Pierwszy odpowiadający zmianie
wilgotności od X1 do X k , to okres stałej
szybkości suszenia. W okresie drugim
obserwuje się prostoliniowy spadek
szybkości suszenia w czasie obniżania
wilgotności materiału.
W pierwszym okresie suszenia
cała powierzchnia materiału jest wilgotna.
Prężność pary jest nad nią taka sama jak
nad zwierciadłem czystej wody. Tej
prężności pary nasyconej odpowiada
bezwzględna wilgotność powietrza na linii
nasycenia Yn . Jeżeli w powietrzu

suszącym wilgotność ta wynosi Y , wówczas pod wpływem różnicy wilgotności Yn  Y 
następuje ruch masy od powierzchni ciała stałego do strumienia powietrza, co pozwala na
sformułowanie wyrażenia określającego szybkość suszenia w pierwszym okresie procesu.
 dX
  "  A   Yn  Y 
d
gdzie:
"
- współczynnik wnikania masy po stronie powietrza;
A
[kg suchego powietrza/ (m2*s)]
- powierzchnia suszonego materiału przypadająca na 1 kg suchej substancji;
Aby określić czas trwania pierwszego okresu należy znać wilgotność krytyczną X k ,
przy której kończy się pierwszy okres suszenia. Wówczas przy wilgotności początkowej X1 ,
otrzymuje się zależność określającą czas trwania pierwszego okresu suszenia w postaci:
1 
X1  X k
  A   Yn  Y 
"
W drugim okresie suszenia prędkość procesu maleje prostoliniowo, co można wyrazić
równaniem :
 dX
 K  X  XR 
d
Współczynnik proporcjonalności K zwany jest współczynnikiem suszarniczym (lub stałą
suszarniczą). Znając go możemy określić czas drugiego okresu suszenia za pomocą zależności:
2 
X  XR
1
 ln k
K
X2  XR
Pomiędzy stałą suszarniczą K i wilgotnością krytyczną X k jest ścisła zależność. Pierwszy
moment drugiego okresu suszenia jest jednocześnie ostatnim momentem pierwszego okresu
10
Wykłady– Suszarnictwo
Wojciech Skrzypiński
suszenia, stąd szybkość suszenia w tym jednym momencie można wyrazić dwiema
zależnościami, co prowadzi do równości:
X  Xk
 dX
 K  X  XR   1
d
1
Wynika stąd, że znając wilgotność krytyczną można obliczyć stałą suszarniczą K. Wilgotność
krytyczną materiału wyznacza się doświadczalnie i zależy ona od sposobu oraz szybkości
suszenia.
11
... zobacz całą notatkę

Komentarze użytkowników (0)

Zaloguj się, aby dodać komentarz