Основні складові процесів і апаратів хімічних виробництв

де: n - кількість усіх часток у насадці;

fч - поверхня однієї частки, м2.

2. Опис установки

Установка для визначення опору насадочної колони складається із компресора (1), з якого повітря під тиском через кран (2), ротаметр (3) надходить до насадочноїної колони (4), а звідти - у u-подібний манометр (5).

3. Проведения роботи

Включається компресор і кран на газопроводі. Викладач або лаборант задають витрати повітря, які необхідні для проведення дослідів, За допомогою ротаметру встановлюються об'ємні витрати повітря, які знаходяться за калібровочним графіком для апарата. За u-подібним манометром визначають перепад тиску або опір колони. Дослід повторюють 3-4 рази.

Рисунок 8.1. Установка для визначення опору насадочної колони: 1 - компресор; 2 - кран; З - ротаметр; 4 - насадочна колона

4. Обробка експериментальних даних

4.1 Визначають поверхню однієї частки, а потім поверхню всіх частин шару насадки.

4.2 Порізність та питому поверхню шару насадки визначають значення УVч та Vч.

4.3 Визначають довжину каналів Lк еквівалентний діаметр каналів de та поперечний перетин апарату F.

4.4 Визначається фіктивна та фактична швидкість середовища (повітря).

4.5 Критерій Рейнольдса визначається за формулою (4), але необхідно врахувати температуру в лабораторії, для цього густина та в'язкість повітря перераховуються за формулами для даної температури повітря у кімнаті.

4.6 Визначивши критерій Рейнольдса розраховується коефіцієнт опору.

4.7 Розраховується гідравлічний опір насадочної колони та порівнюється із дослідними даними.

4.8 Вихідні та дослідні дані, а також результати розрахунків зводяться у таблицю.

Таблиця 8.1. Вихідні і дослідні дані та результати розрахунків

Найменування	Умовні позначення	Розмірність	Величина
			1	2	3	4
1.Внутрішній діаметр колони	d	м
2. Діаметр однієї частки насадки	dч	м
3. Висота однієї частки насадки	hч	м
4. Висота шару насадки	Н	м
5. Кількість часток насадки	n	шт
6. Витрати повітря	Vc	м/с
7. Фіктивна швидкість повітря	щф	м/с
8. Фактична швидкість повітря	щ	м/с
9. Поверхня однієї частки насадки	fч	м2
10. Поверхня всіх частин шару	Уfч	м2
11. Питома поверхня шару насадки	б	м2/м3
12. Об'єм шару насадки	Vш	м3
13. Об'єм однієї твердої частки	Vч	м3
14.Сума об'ємів всіх часток	УVч	м3
15.Порозність шару насадки	е
16. Довжина каналів	Lk	м
17. Еквівалентний діаметр каналів	de	м
18. Поперечний перетин шару насадки	F	м2
19. Критерій Рейнольдса	Re	-----
20. Коефіцієнт опору	л	-----
21. Гідравлічний опір: - насадачної колони - дослідний - розрахунковий	ДР ДP	Па Па

Контрольні запитання.

1.Класифікація та конструкції насадочних колон.

Типи промислових насадочних колон та їх призначення.

Види насадок.

4. Як визначається гідравлічний опір насадочної колони?

5. Що таке коефіцієнт опору, довжина каналів, еквівалентний діаметр каналів, як розраховуються?

6. Залежність коефіцієнту опору від критерію Рейнодьдса.

7. Яка різниця між фактичною та фіктивною швидкістю середовища та їх взаємозв'язок?

8. Що таке порізність, як вона розраховується?

9. Як розраховується поверхня однієї частки та її об'єм та питома поверхня шару?

9. Гідродинаміка псевдозрідження зернистого матеріалу повітря

Мета роботи - вивчення залежності опору псевдозрідженого шару зернистого матеріалу від швидкості потоку повітря. Зернистим матеріалом в роботі є силікагель.

1.Теоретичні основи.

Якщо через шар зернистого матеріалу, який лежить на перфорованій перегородці, знизу догори пропускати повітря, то стан шару силікагелю буде різним в залежності від швидкості потоку. Існує декілька способів проходження повітря через шар матеріалу.

1.1 Повітря при невеликій швидкості проходить через шар матеріалу, як через фільтр, при цьому частини, які створюють шар, знаходяться у стані спокою. Об'єм шару не змінюється, перепад тиску або опору шару збільшується пропорційно швидкості.

1.2 При досягненні певної швидкості потоку шар зернистого матеріалу збільшується в об'ємі, окремі його частини починають хаотично перемішуватися в шарі. Перепад тиску стає постійним. Такий стан шару називається псевдозрідженим, а швидкість, при якій шар матеріалу переходить у псевдозріджений стан - швидкістю початку псевдозрідження.

1.3 При зростанні швидкості потоку вище певного значення, значно зростає об'єм шару силікагелю і з нього починають вилітати частини матеріалу. Починається режим винесення, при якому опір шару знову зростає.

Однією з характеристик нерухомого і псевдозрідженого шару матеріалу є поруватість - це відношення об'єму пустот у шарі до об'єму всього шару:

Для нерухомого вільно насипаного шару матеріалу поруватість знаходять наступним чином:

де: Vч - об'єм частинок твердого матеріалу, м3;

Vм - об'єм шару матеріалу, м3.

Поруватість можна виразити також і через густину матеріалу:



де: сж - насипна густина зернистого матеріалу, кг/м3;

сі - істинна густина зернистого матеріалу, кг/м3 .

Для псевдозрідженого стану:

де: Но - висота нерухомого шару матеріалу, м ;

Н - висота псевдозрідженого шару матеріалу, м ,

Втрата тиску для газового потоку, який проходить через псевдозріджений шар матеріалу в апараті круглого перетину, може бути визначена за формулою :

де: сі - істинна густина матеріалу, кг/м3:

еі - поруватість псевдозрідженого стану матеріалу ;

Н - висота псевдозрідженого шару матеріалу, м ;

g - прискорення вільного падіння, м/с2.

2. Опис установки.

Установка (рис. 9.1) складається з компресору (1), який за допомогою крану (2), буферної ємкості (3) та ротаметру (4) з'єднаний з u-подібннм манометром (7). В апараті на перфорованій перегородці знаходиться шар силікагелю (5).



Рисунок 9.1. Схема установки для вивчення гідродинаміки псевдозрідження зернистого матеріалу 1-компресор; 2-кран; 3-буферна ємкість; 4-ротаметр; 5-шар зернистого матеріалу; 6-апарат псевдозрідження; 7-u- подібний манометр

3. Виконання роботи.

Включають компресор. Повітря з нього надходить в апарат псевдозрідження. За допомогою ротаметру встановлюють різні витрати повітря і по графіку визначають секундні витрати повітря. Дослід повторюють 4 рази, міряючи при цьому висоту псевдозрідженого шару, а також висоту нерухомого шару силікагелю та знімають показання манометру (перепад стовпа рідини), що дозволяє визначити опір шару силікагелю.

4. Обробка результатів дослідів

Виходячи із секундних витрат повітря визначається його швидкість. Виходячи із густини зернистого матеріалу (силікагелю) визначається поруватість його нерухомого шару за формулою (2). Насипна густина для силікагелю становить ск=650 кг/м3 . а істинна густина його сі = 1100 кг/м3. Далі за формулою (3) визначається поруватість силікагелю для псевдозрідженого стану. Витрати тиску повітряного потоку, який проходить через шар силікагелю, визначається за формулою (4). Розрахункові дані втрати тиску повітряного потоку порівнюються з дослідними даними.

Результати дослідів зводяться у таблицю. Будуються графіки залежності щ=f(Vc) та ДP=f(щ) вказується числове значення швидкості початку псевдозрідження.

Таблиця 9.1. Вихідні, дослідні дані та результати розрахунків

Найменування	Умовні позначення	Розмірність	Величина
			1	2	3	4
1. Показники шкали ротаметру	-	-
2. Секундні витрати повітря	Vc	м3/с
3. Швидкість повітря	щ	м/с
4. Висота шару силікагелю для нерухомого стану	Но	м
5. Висота шару силікагелю для псевдозрідженого стану	Н	м
6. Опір силікагелю	ДР	Па

Контрольні запитання

Що таке порізність шару зернистого матеріалу?

Як визначається порізність шару зернистого матеріалу для нерухомого стану та псевдозрідження?

Що таке псевдозрідження?

Як визначити швидкість початку псевдо зрідження?

Що таке число псевдозрідження і як воно визначається?

Де використовуються апарати з киплячим шаром зернистого матеріалу?

10. Дослідження процесу адсорбційного осушення газів

Мета роботи - експериментальне дослідження процесу адсорбційного осушення газів.

1. Теоретичні основи.

Динамічна адсорбційна активність шару адсорбенту розраховується за формулою:

де Со - вихідна концентрація сорбату у газовому потоці, кг/м3;

щф - фіктивна швидкість парагазової суміші, м/с;

F - поперечний перетин адсорбера, м2 ;

фз - час захисної дії шару адсорбенту, с;

V - об'єм шару адсорбенту, м3.

Вихідна концентрація сорбату розраховується за формулою:

де: РН2О - тиск насиченого водяного пару, Па;

сН2О - густина води, кг/м3;

Ратм - атмосферний тиск, Па .

Фіктивна швидкість парагазової суміші розраховується за формулою:

де: Vc - об'ємні витрати повітря, м3/с;

d - внутрішній діаметр адсорберу, м .

Об'єм шару адсорбенту розраховується за формулою:

де: Надс - висота зволоженого шару адсорбенту, м;

D - внутрішній діаметр адсорберу, м.

Час захисної дії шару адсорбенту визначається за рівнянням Шилова:

де: Н - висота шару адсорбенту, м ;

k - коефіцієнт захисної дії шару адсорбенту, с/м;

фо - втрата часу захисної дії шару адсорбенту, с.

2. Опис установки

Установка (рис. 10.1) складається із компресора (1), з якого повітря під тиском надходить до ротаметрів (3) та (4). Ротаметр (3) з'єднай з адсорбером (5), який підключено до джерела постійного струму для регенерації адсорбенту. Ротаметр (4) з'єднаний із зволожувачем повітря (8), в який налита вода та який з'єднай з адсорбером для осушення повітря (6) за допомогою краплевіддільника (7).



Рисунок 10.1. Установка для осушення повітря силікагелем: 1-компресор; 2-джерело; 3,4-ротаметри; 5,6-адсорбери для регенерації силікагелю та осушення повітря; 7-краплевіддільник; 8-зволожувач

3. Проведення роботи.

Включається компресор. За допомогою ротаметру (4) встановлюються об'ємні витрати повітря, яке надходить до зволожувача повітря, де налита вода. Повітря насичується вологою і надходить до краплевіддільника, де парогазова суміш звільняється від краплин води. У краплевіддільнику встановлено термометр для визначення температури усієї суміші. Далі парогазова суміш надходить до адсорберу (6), де й проходить осушення повітря силікагелем. Для цього через кожні 10 хвилин заміряється висота зволоженого шару силікагелю, який можна побачити за зміною кольору з синього на світло рожевий.

Одночасно в другому адсорбері йде регенерація силікагелю (його осушення). Для цього адсорбер підключають до джерела постійного струму, а через ротаметр (3) подається до нього повітря.

4. Обробка результатів дослідів

Визначають об'єм шару.

Визначають фіктивну швидкість парагазової суміші.

Визначається вихідна концентрація сорбату.

Будується графік залежності фз =f(Н).

З графіку знаходять коефіцієнт захисної дії шару адсорбенту (k=tgб) та втрату часу захисної дії шару адсорбенту (фо).

Таблиця 10.1. Вихідні і дослідні дані та результати розрахунків

Найменування	Умовні позначення	Розмірність	Величина
			1	2	3	4	5
1. Діаметр адсорберу	dB	м
2. Витрати повітря	VC	м3/с
3. Фіктивна швидкість	щф	м/с
4. Висота шару адсорбенту	Н	м
5. Час захисної дії шару адсорбенту	фЗ	с
6. Коефіцієнт захисної дії шару адсорбенту	k	с/м
7. Втрата часу захисної дії адсорбенту	ф0	с
8. Внутрішній діаметр адсорбенту	dж	м
9. Поперечний перетин адсорбера	F	м2
10. Тиск насиченої водяної пари	P	Па
11. Атмосферний тиск	Pатм	Па
12. Вихідна концентрація сорбату	С0	кг/м3
13. Динамічна адсорбційна активність	бд	кг/м3

4.5 Перевіряється точність визначення k та фо, для цього в рівняння Шилова підставляються значення k , фо, Н і отримані значення фз зрівнюються із дослідними.

4.6 Визначається динамічна адсорбційна активність шару адсорбенту.

4.6 Вихідні та дослідні дані, а також результати розрахунків зводяться у таблицю.

Контрольні запитання.

1. Що таке адсорбція та її значення у промисловості?

Види адсорбентів.

Класифікація та конструкції адсорберів.

Типи промислових адсорберів та їх призначення.

Ізотерми адсорбції

Швидкість адсорбції.

Що таке динамічна адсорбційна активність шару адсорбенту, вихідна кон-центрація сорбенту у газовому потоці, як вони знаходяться Рівняння Шилова.

Визначення часу захисної дії шару адсорбенту, коефіцієнту захисної дії шару адсорбенту та втрати часу захисної дії шару адсорбенту

11. Визначення адсорбційної активності та часу захисної дії шару адсорбенту

Мета роботи - експериментальне дослідження процесу адсорбції.

1. Теоретичні основи.

Адсорбція - це процес поглинання газу, пару або розчиненої речовини поверхнею твердого тіла (адсорбенту) .Активність є основною характеристикою адсорбенту. Динамічна активність - це маса речовини, яка поглинається одиницею маси або об'єму адсорбенту за час від початку процесу до моменту "проскоку".

де: М - маса аміаку, що поглинувся активованим вугіллям, кг; V - об'єм адсорбенту (активованого вугілля), м3. Маса аміаку знаходиться за допомогою титрування адсорбенту 0,1м розчином HCl.

Об'єм шару адсорбенту визначають таким чином:

V=HадсМ0,785d2, м3

де: Надс - висота шару активованого вугілля в адсорбері, м;

d - внутрішній діаметр адсорберу, м.

Адсорбція у динамічних умовах характеризується часом захисної дії шару адсорбенту. Це час від початку пропускання суміші через шар адсорбенту до моменту появи адсорбованої речовини за шаром адсорбенту ("проскок"). Час захисної дії шару адсорбенту визначається за рівнянням Шилова:

фз=kH-ф0, с

де Н - висота шару адсорбенту, м ;

k - коефіцієнт захисної дії шару адсорбенту, с/м;

фо - втрата часу захисної дії шару адсорбенту, с .

Початкова концентрація адсорбованої речовини (аміак) у рухливій фазі зазначається зa формулою:

де: ад - динамічна активність адсорбенту, кг/м3;

k - коефіцієнт захисної дії шару адсорбенту, с/м ;

щФ - фіктивна швидкість потоку в апараті, м/с .

де: Vс - об'ємні витрати повітря, м3/с;

d - внутрішній діаметр адсорберу, м .

2. Опис установки.

Повітря під тиском надходить з компресора (1) через кран (2), ротаметр (3) до буферної ємкості (4) встановленої для зниження об'ємних витрат повітря, які визначаються за калібровочним графіком. Далі повітря надходить у барботер (5), де насичується парами летючої речовини (аміак). Через кран, який встановлено на барботері, пароповітряна суміш надходить через змішувач (6) в один з адсорберів (7). На виході з адсорберу (7) встановлено адсорбер з індикатором (8), в якому фіксується “проскок” адсорбованої речовини (змінюється колір розчину).

3. Проведення роботи.

У адсорбер засипається активоване вугілля на різну висоту без підключення повітря. Включається компресор.

За допомогою ротаметру встановлюються об'ємні витрати повітря. Підключаються один з адсорберів до пароповітряної лінії та до адсорберу з індикатором. Відкривається кран на барботері та одночасно, включається секундомір. В момент “проскоку” виключається секундомір, засікається час, а рідина в адсорбері (8) змінює колір (червоніє) . Індикатором служить фенолфталеїн.

Кількість сорбованого аміаку визначають титруванням 0,1н розчином HCl. Для цього вугілля з адсорберу висипають у конічну колбу ємкістю 250 см3 і розчиняють у 100 см2 дистильованої води, добавляють туди 3-4 краплі фенолфталеїну та титрують до знебарвлення розчину. Дослід повторюється 3 рази.

4. Обробка результатів дослідів

Об'єм шару адсорбенту визначають за формулою.

Масу аміаку визначають за розрахунами згідно рівняння:

HCl + NH3 >NH4Cl

MHCl2> MNH3,2 MHCl=36.5г

THCl*VHCl>XNH3,2 MNH3=17г

THCl - титр 0,1 н розчину HCl, г/см3

VHCI, - об'єм 0,1н розчину HCl, який пішов на титрування

Тоді 36.5г HCl>17гNH3 3.65М10-3г VHCl>XгNH3

4.3 Динамічна активність адсорбенту визначається за формулою (1)

4.4 Будується графік залежності фз=f(Н)

Рисунок 11.1

З графіку знаходять коефіцієнт захисної дії шару адсорбенту (k=tgб) та втрату часу захисної дії шару адсорбенту (фо).

4.5 Перевіряється точність визначення k та ф0, для цього в рівняння Шилова підставляються значення К, фо, Н і отримані значення фз порівнюються із дослідними. Фіктивну швидкість потоку парогазової суміші в апараті визначають за формулою, куди підставляють Vc, знайдене за калібровочним графіком ротаметра. Початкову концентрацію адсорбованої речовини (аміаку) у рухливій фазі визначають за формулою.



Рисунок 11.2. Установка для визначення адсорбційної активності та часу захисної дії шару адсорбенту: 1-компресор; 2-крани; 3-ротаметр; 4-буферна ємкість; 5-барботер; 6-змішувач; 7-адсорбери; 8-адсорбер з індикатором; 9-стакан з розчином індикатору

Таблиця 11.1. Вихідні і дослідні дані та результати розрахунків

Найменування	Умовні позначення	Розмірність	Величина
1. Діаметр адсорберу	d1 = d2 = d3	м
2. Витрати повітря	Vc	м3/с
3.Фіктивна швидкість повітря	щф	м/с
4. Висота шару адсорбенту	Н	м
5. Час захисної дії шару адсорбенту	фз	с
6. Коефіцієнт захисної дії	k	с/м
7. Концентрація розчину HCl	С	г екв/дм3
8.Кількість НСl, яка пішла на титрування	V	М3
9. Маса аміаку, що була поглинута адсорбентом	МNH3	кг
10.Динамічна активність	ад	кг/м3
11.Втрата часу захисної дії шару адсорбенту	фо	с
12. Початкова концентрація NH3	С0	кг/м3

Контрольні запитання.

Що таке адсорбція та її значення у промисловості.

Види адсорбентів.

Класифікація та конструкції адсорберів.

Типи промислових адсорберів та їх призначення.

Ізотерми адсорбції.

Швидкість адсорбції.

Що таке динамічна адсорбційна активність шару адсорбенту, вихідна концентрація сорбенту у газовому потоці, як вони розраховуються

Рівняння Шилова. Визначення часу захисної дії шару адсорбенту, коефіцієнту захисної дії шару адсорбенту

12. Сушка у киплячому шарі зернистого матеріалу

Мета роботи: експериментальне дослідження процесу сушки у киплячому шарі зернистого матеріалу. Зернистим матеріалом в роботі є силікагель

1. Теоретичні основи

Перепад тиску на шарі зернистого матеріалу у псевдозрідженому стані пропорційний його масі. Тому зміну перепаду тиску можна використовувати для визначення кількості випареної вологи, яка з висушуванням матеріалу зменшується.

Кількість випареної вологи розраховується за формулою:

WH2O = Fд МДР, кг,

де Fд - дійсний поперечний перетин шару зернистого матеріалу, м;

ДР - перепад тиску, кг/м2.

Fд=FМе0, м2

де F - поперечний перетин апарату, м;

е0 - порозність шару зернистого матеріалу для нерухомого стану.

F=0.785d2, м2

де d - внутрішній діаметр апарату, м.

Поруватість можна виразити також і через густину матеріалу:

де сн - насипна густина зернистого матеріалу, кг/м3;

сі - істина густина зернистого матеріалу, кг/м3.

Витрати теплоти на сушку визначаються за формулою:

Q = І М U М ф, Дж.

де: І - сила струму, А; U - напруга, В

Тепловий ККД сушильної установки визначається за формулою:

де: r - теплота пароутворення при t мокрого термометру, кДж/кг;

q - питомі витрати теплоти, кДж/кг .

2. Опис установки.

Установка складається з компресору (1), який за допомогою крану (2), буферної ємкості (3) та ротаметру (4) з'єднай з апаратом псевдозрідження (6), який в свою чергу, з'єднай з u-подібним манометром (7).

Апарат складається з шару силікагелю, який знаходиться на перфорованій перегородці (5), елементу, що нагрівається (8) та термометру (9). Він з'єднай із джерелом струму (10).

3. Виконання роботи.

Включають компресор. Повітря з нього надходить в апарат псевдозрідження. Для вирівнювання тиску в апараті встановлена буферна ємкість. За допомогою ротаметру встановлюються витрати повітря і за графіком визначають секундні витрати повітря

Повітря нагрівається за допомогою елементу, який підключається до джерела струму, на якому виставляють задані параметри за силою струму та напругою. Він включається одночасно з компресором, в тон же час засікається початок сушки. В апараті знаходиться зволожений силікагель, який по мірі висушування повністю переходить у псевдозріджений стан. Під час сушки, через кожні 15 хвилин, термометром фіксується температура сушки, а манометром - перепад тиску. Коли рівень рідини у манометрі перестане змінюватись роботу можна вважати закінченою, а матеріал - сухим.

4. Обробка результатів дослідів.

За отриманими даними будується графік залежності Р = f (ф). Кількість випареної вологи визначається за формулою, причому ДР знаходиться як різниця між початковим та кінцевим значенням Р : ДР - Р =Pпоч - Ркін . Дійсний поперечний перетин апарату визначається за формулою (2). Поруватість силікагелю визначається за формулою (4), виходячи з його густини. Насипна густина для силікагелю становить сн= 650 кг/м3, а істинна густина його - сі 1100 кг/м3.

Визначаються витрати теплоти на сушку, питомі витрати теплоти, які пішли на випарювання і кг вологи з матеріалу, тепловий ККД сушильної установки. Теплоту пароутворення r знаходять за таблицею LV1I [4, с.549].

Таблиця 12.1. Вихідні, дослідні дані та результати розрахунків

Найменування	Умовні позначення	Розмірність	Величина
			1	2	3
1.Показники шкали ротаметру	-	-
2.Секундні витрати повітря	Vc	м3/с
3.Внутрішній діаметр апарату	d	М
4.Порозність апарату	е0	-
5.Сила струму	I	А
6.Напруга	U	В
7.Час сушки	ф	с
8.Теплота пароутворення при t мокрого термометру	r	кДж/кг
9.Температура сушки	t	?С
10.Опір силікагелю	P	кг/м2
11.Кількість випареної вологи	WH2O	кг
12.Питомі витрати теплоти	g	кДж/кг
13.Витрати теплоти на сушку	Q	Дж

Контрольні запитання.

Рушійна сила сушки.

Види сушки та конструктивні особливості сушарок.

Тепловий та матеріальний баланс сушки.

Зображення процесу сушки на діаграмі (діаграма Рамзіна).

Визначення точки роси та температури мокрого термометру на діаграмі І-х.

Визначення парціального тиску водяного пару у повітрі (за діаграмою Рамзіна).

7. Рівноважна вологість та зв'язок вологи з матеріалом.

8. Кінетика сушки.

13. Абсорбція вуглекислого газу на газоаналізаторі типу ГОУ - 1

Мета роботи: Вивчити процес абсорбції поглинання СО2 абсорбентом. Визначити загальний вміст вуглецю в СО2.

Рисунок 13.1. Схема газоаналізатора ГОУ-1

Опис установки.

Газоаналізатор типу ГОУ - 1 призначений для визначення загального вмісту вуглецю в СО2, отриманого при розкладанні карбонатів (NaHCO3, Na2CO3, CaCO3, MgCO3 і т. д.)

Газоаналізатор складається з газовимірювальної бюретки евдиометру 2, який має вузьку циліндричну форму з розширенням у верхній частині. Стінки бюретки подвійні, простір між ними через спеціальний отвір у верхній частині бюретки заповнюється водою. Водяна рубашка, що утворюється таким чином, служить для підтримання постійної температури газу в бюретці. Термометр 7, вставлений за допомогою гумової пробки, призначений для вимірювання температури газів, що поступають в бюретку.

Капілярний кінець верхньої частини бюретки з'єднується в стик за допомогою гумової трубки з гребінкою крана 4, а через неї з атмосферою, холодильником 6, поглиначем 3.

У верхній частині є скляний затвор - порожнистий поплавець, що спливає при заповненні бюретки рідиною і автоматично закриває верхній вихідний отвір.

Вузька нижня частина бюретки має шкалу, за допомогою якої проводиться відлік об'єму, що вимірюється. Розподілки шкали розраховані таким чином, що відповідають безпосередньо О --му вмісту вуглецю в наважці речовини в 1 грам.

Газовимірювальні бюретки - евдиометри калібруються для вимірювання об'єму газу при температурі 16 0С і тиску 760 мм рт. ст. Внаслідок цього, при вимірюванні об'єму газу за інших умов необхідно вводити поправку, яка знаходиться за прикладеною до апарату таблицею.

Поглинальна склянка 3 також оснащена автоматичними затворами - поплавцями, які закривають поглинач при його наповненні рідиною, завдяки чому виключається можливість попадання розчину лугу з поглинача в бюретку. Гребінка крана 4 має центральний кран з трьома ходами і малий одноходовий кран. З допомогою кранів гребінки бюретка приладу може бути сполучена:

- з холодильником;

- з поглиначем;

- з атмосферою.

Змієвиковий холодильник 6 служить для охолодження газу СО2 , що поступає в газовимірювальну бюретку. Холодильник має два відростки для надходження і відведення води. За допомогою зрівняльної склянки 5, в яку наливається рідина, здійснюється двократне перекачування газової суміші з бюретки в поглинач і назад, тобто з поглинача в бюретку.

Перед початком роботи перевіряється герметичність всіх з'єднань і кранів. Для цього заповнюють поглинач 40% розчином КОН, а в зрівняльну склянку 5 наливають 400-450 мл 20% розчину хлористого натрію, до якого додають декілька крапель сірчаної кислоти і розчину індикатора (метилоранж). Після кожного наповнення зрівняльної склянки свіжою рідиною рекомендується провести одне-два попередніх пропускання СО2 для насичення ним рідини, в іншому випадку перші визначення вуглецю після наповнення зрівняльної склянки свіжою рідиною виявляться неточними (заниженими).

Потім центральний кран ставлять в положення, при якому бюретки, поглинальна судина і холодильник роз'єднані між собою. Відкривши малий кран на з'єднання бюретки з атмосферою, піднімаємо зрівняльну склянку, при цьому бюретка наповнюється рідиною.

Як тільки рідина заповнить бюретку, кран, що сполучає бюретку з атмосферою, закривають, центральний кран ставлять в положення, що сполучає бюретку з поглиначем .

Опустивши зрівняльну склянку, дають рідині стікати з бюретки в зрівняльну склянку. При цьому рівень розчину лугу в поглиначі підвищується, підіймається поплавець. Як тільки поплавець закриє вихід з поглинача, центральний кран ставлять в положення з'єднання бюретки з атмосферою і піднімаючи зрівняльну склянку, наповнюють бюретку рідиною до верхньої межі. Коли бюретка заповнюється рідиною, кран, що сполучає бюретку з атмосферою, закривають і зрівняльну склянку опускають.

Якщо апарат герметичний, то поглинач залишається заповненим, а рівень рідини в бюретці повинен залишатися без зміни. Якщо рівень розчину опускається, то апарат слід розібрати, протерти крани і змазати їх вазеліном, а випробування на герметичність повторити. При задовільній герметичності прилад готовий для проведення аналізу.

2. Методика проведення роботи і обробка дослідних даних.

Визначення кількості вуглецю, що міститься у випробовуваному матеріалі, полягає в наступному: наважки MgCO3 NaHCO3 CaCO3 кількістю (3-5) грамів завантажуємо в колбу Вюрца і газ, який виходить в результаті розкладання карбонату подається в апарат. Вимірюється первинний об'єм газу. Газовимірювальні бюретки випускаються для аналізу різного вмісту вуглецю: від 0 до 0,625, від 0 до 1,5 і від 0 до 4,5 %. Найменші поділки шкали першої бюретки відповідають 0,001% вуглецю, другої бюретки - 0,005% вуглецю, третьої бюретки - 0,01% вуглецю.

При пропусканні вуглекислого газу з колби Вюрца в апарат необхідно, щоб вимірювальна бюретка була заповнена рідиною до такого рівня, щоб поплавець замкнув бюретку. Поглинач так само повинен бути заповнений розчином 40% КОН, а малий кран гребінки при цьому закритий. Зрівняльну склянку апарату при цьому треба помістити вище за вимірювальну бюретку і залишити у верхньому положенні до тих пір, поки газ не витіснить об'єм рідини з верхньої широкої частини евдиометру. Після цього зрівняльну склянку встановити в нижнє положення на підставку. Як тільки рівень рідини в бюретці опуститься приблизно до поділки 0,200, відділяється трубка, що підводить СО2, а рівень в зрівняльній склянці повинен бути на одній горизонталі з рівнем рідини в бюретці.

Поворотом центрального крана з'єднати бюретку з поглиначем і шляхом підняття і опускання зрівняльної склянки перегнати двічі газ з вимірювальної бюретки в поглинач та назад. Після другого перекачування газу з поглинача у вимірювальну бюретку поворотом крана роз'єднати бюретку і поглинач. Встановити рівні рідини в бюретці у вузькій трубі і в зрівняльній склянці на одній горизонталі.

Вирівнявши точно меніски, за шкалою вимірювальної бюретки встановлюється об'єм вуглекислого газу, що поглинено. За різницею об'єму газу до і після поглинання вуглекислого газу знаходять безпосередньо по шкалі бюретки 0-ое вміст вуглецю в досліджуваному матеріалі.

Вирівнювання рівнів повинне займати приблизно 25 секунд для того, щоб рідина могла повністю стекти із стінок бюретки. Цим усувається можливість отримання неправильних результатів.

Процентний вміст вуглецю у вуглекислому газі визначається по формулі:

де а - об'єм вуглекислого газу, виражений в % вуглецю;

б - поправочний коефіцієнт, що відповідає температурі і атмосферному тиску у момент вимірювання;

в - наважка в грамах.

Поправочний коефіцієнт береться з таблиці, яка додається до апарату і розрахована на калібрування бюретки при температурі 160С (для 20% розчину NaCl).

Кількість дослідів повинна бути не більше трьох. На основі вимірювання % вуглецю складається звітна таблиця.

Таблиця 13.1. Звітна таблиця

№ п.п.	Об'єм СО2 за бюреткою, %	Наважка, г	Розрахунковий вміст СО2, %	Середнє значення вмісту СО2

14. Випробування перегінного куба

Мета роботи:

1. Вивчення процесу простої перегонки.

2. Експериментальне визначення складу, кількості дистиляту і кубового залишку.

3. Розрахунок витрати гріючої пари за даними випробування.

4. Порівняння результатів випробування з розрахунковими даними.

1. Теоретичні основи.

Багато харчових продуктів є сумішами двох або більш рідин, які в технологічному процесі необхідно розділити. Одним з найпоширеніших способів розділення суміші рідин є перегонка.

Розділення шляхом перегонки застосовується для суміші рідин, які мають різну летючість, тобто при одній і тій же температурі характеризуються різною пружністю пари; іншими словами, суміш складається з рідин з різною температурою кипіння (при тому ж барометричному тиску). Рідина з більш низькою температурою кипіння називається легколетким, або низькокиплячим, компонентом. Рідина з більш високою температурою кипіння називається важколетким, або висококиплячим, компонентом.

Суть процесу перегонки полягає в тому, що суміш, яка розділяється, нагрівається до кипіння, при цьому внаслідок різної летючості компоненти суміші переходять в пару в різний час і в не рівних кількостях. Склад пари і рідини, що залишилася і що утворюється, відрізняється від складу початкової суміші. Пара міститиме більше низькокиплячого компоненту (збагатившись їм в порівнянні з початковою сумішшю), а в рідині, що залишилася і яка називається кубовим залишком, буде більше висококиплячого компоненту.

Отримана пара після конденсації в конденсаторі перетворюється на рідину, що збагачена низькокиплячим компонентом, називається дистилятом.

Кожному складу рідкої суміші відповідає певний склад пари, що знаходиться з нею в рівновазі. Співвідношення цих рівноважних складів звичайно визначають експериментально і за ними складають відповідні таблиці.

Графічна залежність між складом рідини і складом пари за низькокиплячим компонентом дається на діаграмі у вигляді кривої рівноваги (рис. 14.1).

За кривою рівноваги можна для заданого складу рідини визначити склад пари. Наприклад, якщо в рідині міститься 30% спирту, то в рівноважній парі - 57%. Діагональ діаграми відповідає однаковому складу низкокиплячого компоненту в рідині і в парі (х=у) Крива рівноваги розташована вище за діагональ, отже, пара збагачена низькокиплячим компонентом. Чим ближче крива рівноваги до діагоналі, тим менше відрізняються температури кипіння компонентів суміші, менше різниця в складах рідини і пари і тим, отже, важче розділяється суміш при перегонці.

Таблиця 14.1. Залежність між складом рідини х і рівноважним їй паром для суміші етиловий спирт - вода

Дослідження процесу перегонки проводиться також за допомогою діаграми температур (рис. 14.2). По осі абсцис відкладені склади рідини х і пари у за низькокиплячим компонентом; по осі ординат - температура кипіння t.

Точка 0' відповідає складу чистого низькокиплячого компоненту (х=100%) з мінімальною температурою кипіння t'; точка 0 - складу чистого висококиплячого компоненту (х = 0) з максимальною температурою кипіння t'.

За діаграмою температур при відомому складі суміші х можна визначити температуру її кипіння і склад пари над нею у. Якщо заданий склад рідини х1, то, підіймаючись вгору до кривої температур кипіння (точка а) і переходячи по горизонталі на вісь ординат, знаходять температуру кипіння суміші t1.

Склад пари можна визначити, продовживши горизонталь з точки а до кривої складу пари (точка б) і спускаючись вниз на вісь абцисс у. З діаграми видно, що при зменшенні вмісту низькокиплячого компоненту в рідині (х1'<х1) температура кипіння підвищується (t1'<t1).

Рисунок 14.1. Крива рівноваги для суміші етиловий спирт-вода

Рисунок 14.2. Діаграма температур

Діаграма температур пояснює основний принцип перегонки. Рідині складу х1 з температурою кипіння t1 відповідає пара складу у1. Якщо цю пару сконденсувати, вийде рідина - дистилят складу (х2 = у1) > х1.

Перегонка може бути здійснений різними способами і розділяється на просту, з дефлегмацією і складну (ректифікація).

Проста перегонка здійснюється в установці з перегінним кубом. В процесі простої перегонки при випаровуванні рідини в пару переходить більше низькокиплячого компоненту, а його вміст в рідині, що залишилася, зменшується. Таким чином, під час протікання процесу температура кипіння рідини підвищується, а пара, що утворюється, міститиме все менше і менше низькокиплячого компоненту і, отже, склад дистиляту з цієї пари за вмістом низькокиплячого компоненту з часом погіршуватиметься.

Тому для збору дистиляту різного складу, що стікає з конденсатора, встановлюють декілька приймачів, які сполучають з конденсатором по черзі в ході процесу. Практично проста перегонка зводиться до безперервного повторення процесів однократного випаровування і конденсації пари, причому кожного разу склад рідини за низькокиплячим компонентом зменшується, температура кипіння підвищується і вміст низькокиплячого компоненту в дистиляті зменшується, наближаючись до вмісту його в початковій суміші.

Проста перегонка застосовується у тому випадку, коли не потрібно дуже повне розділення суміші і коли температури кипіння компонентів сильно відрізняються.

2. Опис експериментальної установки

Вивчення процесу проводять на установці (рис. 14.3), що складається з перегінного куба 12, в який з напірного бака 10 заливають порцію початкової суміші, що піддається розділенню.

Нагрівання суміші в кубі протягом процесу проводять гріючою парою, що поступає в змійовик 6.

Кількість пари регулюють вентилем 7, тиск вимірюють манометром 8. Конденсат пари через конденсатовідводчик 4 стікає в вимірювальну склянку 2. Пар, що утворюється при кипінні суміші відводиться з куба в холодильник-конденсатор 21, тиск пара визначають за манометром 11. Проходячи змієвиком холодильника, пар конденсується за рахунок тепловіддачі, яка протікає в корпусі за рахунок охолодження водою. Отриманий дистилят охолоджують до певної температури, яку виміряють термометром 22. Для вимірювання температури охолоджуючої води на вході і виході з холодильника призначені термометри 15 і 20.

Витрату охолоджуючої води визначають за допомогою витратоміра. Дистилят безперервно стікає в вимірювальні склянки 16, що сполучаються з холодильником.

3. Методика проведення випробування.

Для приготування початкової суміші з етилового спирту і води певного складу (по масі) беруть 40% спирту (хн = 0,4) і 60% води; Готову суміш заливають в напірний бак 10. При відкритому вентилі 9 порцію (наприклад, 800 см3) зливають з напірного бака в куб 12 (кран 17 при цьому повинен бути закритий). Кількість залитої суміші Gн визначають за водомірним склом напірного бака. При відомому складі початкової суміші за низькокиплячим компоненту (хн=0,4) за рис.2 знаходять температуру кипіння суміші tкип 0. Потім відкривають кран 3 на трубопроводі для відведення конденсату, вентиль 14 і кран 25 на трубопроводах охолоджуючої води у холодильника-конденсатора і один з вентилів 24 для набирання дистиляту в мірник. В змійовик куба через вентиль 7 подають гріючу пару, продувають конденсатовідводчик 4. З цієї миті ведуть спостереження за температурою суміші в кубі за термометром 13. Момент досягнення знайденої температури кипіння tкип 0, тобто початок кипіння суміші, вважається початком випробування. Від початку випробування через кожні 10 хв проводять наступні виміри: температуру кипіння суміші в кубі t кип за термометром 13; тиск гріючої пари ргр.п, що поступає в змійовик куба за манометром 8; кількість конденсату гріючої пари D у вимірювальній склянці 2 при закритому крані 1; температуру конденсату tконд за термометром 5; тиск пари рп.д, що утворюється при кипінні суміші в кубі за манометром 11; кількість дистиляту, що утворюється, Gд у вимірювальних склянках 16 при закритих кранах 18; температуру дистиляту tд по термометру 22; витрата охолоджуючої води U в холодильнику-конденсаторі за вимірювальною склянкаю 27 при закритому крані 28; температуру охолоджуючої води на вході в холодильник tвн за термометром 15 і на виході tвк за термометром 20.

Рисунок 14.3. Схема установки для простої перегонки

Через кожні 10 мін від початку випробування відбирають проби із залишку в кубі через кран 17 і з дистиляту через кран 23 і визначають вміст спирту в них та склад кубового залишку хк і склад дистиляту хд по спирту. Випробування продовжують до тих пір, поки склад кубового залишку за спиртом не досягне заданого значення, наприклад хк=5%. Отримані дані записують в протокол випробування №1. Після закінчення випробування установку вимикають в такій послідовності: припиняють подачу гріючої пари в змійовик куба - закривають вентиль 7; після припинення стікання дистиляту в вимірювальні склянки припиняють подачу охолоджуючої води в конденсатор-холодильник - закривають вентиль 14; дистилят з в вимірювальних склянок 16 зливають в загальний збірник 20 - відкривають крани 18; конденсат і охолоджуючу воду зливають з вимірювальних склянок в зливну лінію - відкривають крани 1 і 28; кубовий залишок зливають в 19 і визначають його кількість Gк.

4. Обробка результатів випробування.

Для визначення кількості і складу дистиляту і кількості кубового залишку використовують рівняння.

де F - кількість початкової суміші, кг;

W - кількість кубового залишку, кг;

xF і хW - масова частка спирту і початкової суміші і кубовому залишку %;

х і у - масові частки спирту і рідини і в рівноважній парі над цією рідиною %.

Рисунок 14.4. Графік залежності від х

Аналітично вирішити рівняння неможливо, оскільки невідома залежність у від х, тому застосовують графічний метод визначення інтеграла. Для цього в певному масштабі будують графік залежності 1/(у-х) від х для суміші спирт- вода за таблицею.

Значення інтеграла в межах хн=0,4 до хк=0,05 зображається заштрихованою площею S в мм2. Тоді

де: Ms-масштаб площі на графіку.

Отже

ln F /W = SM S

Звідси знаходять F/W.

Оскільки за умовою відома кількість початкової суміші Gн=80Л, знаходять невідому величину Gк т - кількість кубового залишку (теоретичне).

Таблиця 14.2

Час , хв	Температура суміші, °C	Склад за НК, масові долі
		XF	XD	XW

При відомому складі кубового залишку визначають кількість спирту в ньому (в кг):

Gcn.w=W·XW

Кількість дистиляту (в кг):

P = F -W

Кількість спирту в дистиляті (в кг):

Gcn.p=Gcn.F- Gcn.w

де: Gсп.F- кількість спирту в початковій суміші (в кг).

Gсп.W - розрахована (теоретичне) кількість спирту в кубовому залишку, кг.

Склад дистиляту по спирту (в %):

На підставі даних протоколу випробування №2 знаходять кількість спирту в дистиляті:

Gспирт =P·xp

Результати аналітичного розрахунку і дані випробування записують в протокол №2 і знаходять розбіжність (в%).

Витрата гріючої пари (теоретична) на перегонку: визначається з рівняння теплового балансу перегінного куба:

де F, W, p - кількість початкової суміші, кубового залишку і дистиляту, л (з протоколу № 1); СF CW - питома теплоємність відповідно початковій суміші і кубового залишку, Дж/(кг.К).

с=с1 х+с2 (1-х)

де C1 і С2 - питома теплоємність компонентів суміші, Дж/(кг К); х - масова частка низькокиплячого компоненту суміші %; сконд - питома теплоємність конденсату, Дж/(кг К) (визначають за додатком 2 за середньою температурою конденсату); tкипF і tкипW - температура кипіння суміші в кубі на початку і кінці випробування (з протоколу № 1) °C; iгр.п- питома ентальпія гріючої пари, Дж/кг (визначають за додатком 1 за середнім тиском гріючої пари рсргр.п з протоколу № 1); i.пp- питома ентальпія пари, що поступає з куба в конденсатор-холодильник, Дж/кг; tконд - середня температура конденсату гріючої пари °С.

Після розрахунку теоретичної витрати гріючої пари знаходять розбіжність (в %) з даними випробування (за рахунок втрат теплоти в оточуюче середовище).

Контрольні питання

1. На чому заснований процес перегонки?

2. В чому сутність призначення процесу перегонки?

3. Що називають дистилятом і кубовим залишком?

4. Між якими величинами дається залежність на кривій рівноваги?

5. Між якими величинами дається залежність на діаграмі температур?

6. Як по діаграмі температур пояснюється основний принцип перегонки?

7. В чому сутність процесу простої перегонки?

8. В чому полягає недолік процесу простої перегонки?

9. В яких випадках доцільно застосовувати просту перегонку?

15. Визначення вологості висушуваного матеріалу

Мета роботи:

1. Вивчення процесу сушки.

2. Визначення вологості матеріалу.

1. Теоретичні основи.

Сушка - процес видалення вологи з матеріалу у вигляді вторинної пари шляхом підведення тепла.

Видалення вологи з твердих і пастоутворюючих матеріалів дозволяє здешивити їх транспортування, додати їм необхідні властивості (зменшити злежуваність матеріалу), запобігти окислювальному процесу, зменшити корозію апаратури і трубопроводів при зберіганні або подальшій обробці цих матеріалів.

За своєю фізичною сутністю сушка є складним дифузійним процесом, швидкість якого визначається швидкістю дифузії вологи з глибини висушуваного матеріалу в оточуюче середовище.

Якщо матеріал знаходитися у контакті з вологим повітрям, то принципово можливо два процеси:

- сушка (десорбція вологи з матеріалу) при парціальному тиску пари над поверхнею матеріалу рм, що перевищує його парціальному тиск в газі рн, тобто рм>рн;

- зволоження (сорбція вологи матеріалом) при рм<рн.

В процесі сушки наступає стан динамічної рівноваги, де швидкість видалення вологи рівна швидкості сорбції вологи, якому відповідає критична вологість матеріалу, звана рівноважною вогкістю, рм=рн;

П.А. Ребиндер запропонував наступні форми зв'язку вологи з матеріалом:

- хімічна, де волога міцно пов'язана з матеріалом в певних (стехіометричних) співвідношеннях і може бути видалена тільки при нагріванні матеріалу до високих температур або в результаті проведення хімічної реакції;

- фізико-хімічна, де зв'язок об'єднує два види вологи, відмінних міцністю зв'язку з матеріалом: адсорбційної і осмотично зв'язаної;

- фізико-механічна, де зв'язок вологи з матеріалом підкоряється Ван-Дервальсовим силам (вільно зв'язана волога - поверхнева).

За способом підведення тепла до висушуваного матеріалу є наступні види сушки: контактна, конвективна, радіаційна, діелектрична, сублімація.

Вивчення процесу сушки проводиться на конвективній сушарці (рис. 15.1).

Рисунок 15.1. Конвективна сушарка: 1 - корпус; 2 - електродвигун; 3 - редуктор; 4 - вентилятор; 5 - перфорована обертаюча тарілка; 6 - діафрагма; 7 - дифманометр; 8 - засувка; 9 - психрометри; 10 - нагрівальний елемент; 11 - коробка для підключення нагрівального елемента; 12 - прилад для вимірювання температури термопарою; 13 - термопара; 14 - циркуляційна труба; 15 - панель підключення сушарки.

2. Опис установки.

Повітря подається в електричний калорифер вентилятором 4, що проводиться в робочий стан електродвигуном 2 через редуктор 3. Витрата і швидкість руху повітря регулюється засувкою 8, що виміряється діафрагмою 6 з дифманометром 7. Електричний калорифер підключається до мережі зірочкою в спеціальній коробці 11. Висушуваний матеріал встановлюють на обертаючу перфоровану тарілку 5, що приводиться в обертання електродвигуном 2 через редуктор 3.

Температура повітря перед сушаркою вимірюється термопарою 13, підключеною до вимірювального приладу 12.

Для вимірювання відносної вогкості і температури повітря до і після сушильної камери встановлені психрометри 9.

3. Методика проведення роботи

1. Підготувати вологий матеріал для сушки.

2. Визначити вагу вологого матеріалу, Gн

3. Прогріти всю установку до стійкого режиму.

4. Встановити підготовлений вологий матеріал на перфоровану обертаючу тарілку і засікти час.

5. Закріпити установку.

6. Періодично заміряти вагу висушуваного матеріалу протягом 0,5 години через кожні 10 хвилин. Потім через 5 хв до постійної ваги, Gк.

7. Дослід закінчується після того, як припинилася знижуватися маса матеріалу.

8. Результати досліду заносять в звітну таблицю.

Таблиця 15.1

№ п.п.	Час, ф, с	Маса матеріалу	W	u	u'
		Gn	Gk
1	ф0
2	ф1
3	ф2
-	-
n	фn

Таблиця 15.2

Параметри	розмірність	кількість
1.Маса бюксу, Gтр	кг
2. Маса матеріалу, що висушується, Gn	кг
3. Маса матеріалу, що висушується, Gк	кг
4. Температура матеріалу, що висушується, иn	°С
5.Температура матеріалу, що висушується, ик	°С
6. Температура бюксу до сушки, t	°С
7. Температура бюксу після сушки, t	°С
8. Поверхня сушильної камери, F	м2
9. Температура стінки сушильної камери, tст	°С

4. Методика розрахунку.

1. Вологість матеріалу виражається у відсотках від загальної маси або у відсотках від маси сухої речовини u/:

де W - кількість вологи, що видаляється, кг/с;

Gп, Gк - початкова і кінцева маса висушуваного матеріалу, кг/с.

де u/ - вологість матеріалу по абсолютній сухій речовині %

2. Кількість вологи, що підлягає видаленню в процесі сушки, при зміні вогкості матеріалу від u до u/:

Якщо вологість матеріалу дано у відсотках від маси сухої речовини и/, то:

де Gсух - продуктивність сушарки, розрахована на абсолютно сухий матеріал, кг/с.

Визначення кількості тепла, що затрачається на сушку вологого матеріалу

Q=Qнагр.+ Qвипар. +Qвтрат

Кількість теплоти, необхідна для нагрівання матеріалу, в кДж/кг випаровуваної вологи:

де Сm - питома теплоємність висушуваного матеріалу, кДж/кг0С.

Кількість теплоти, необхідна для нагрівання транспортних засобів (посуду) від tн тр до tктр, в кДж/кг випаровуваної вологи:

де: Gтр - маса транспортного пристрою, кг/с.

Кількість теплоти, необхідна для видалення вологи з матеріалу, кДж/кг випаровуваної вологи:

де: Cв- питома теплоємність води, кДж/кг0С.

Кількість втрати тепла в оточуючу середовище, кДж/кг вологи,що випаровується:

де бповітря- коефіцієнт тепловіддачі повітря від стінки до навколишнього середовища, кВт/м2·К

бповітря=9,74+0,07(tст - tповітря)

F - температура ступеня сушильної камери, м2;

tст - температура стінки сушильної камери, 0С.

Для технічних розрахунків приймають втрати тепла в оточуюче середовище 6-10% від Qнагр

Визначення внутрішнього теплового балансу сушарки:

Контрольні питання

1. Який технологічний процес називається сушкою?

2. Які види сушки розрізняють за способом підведення тепла і їх суть?

3. Що є рушійною силою процесу сушки?

4. Що таке рівноважна вологість матеріалу і від чого залежить ця величина?

5. Що таке критична вологість матеріалу?

16 .Дослідження процесу конвективної сушки

Мета роботи:

1. Вивчення кінетики сушки.

2. Визначення необхідної кількості повітря і тепла

1. Основні положення.

Сушкою називають процес видалення вологи з вологих матеріалів шляхом її випаровування. Поширеним способом проведення цього процесу в промислових умовах є конвективна сушка, тобто сушка в потоці нагрітого повітря.

При контакті вологого матеріалу з сухим, нагрітим повітрям починається випаровування вологи з поверхні матеріалу і дифузія пари, що утворюється, через прикордонний шар газу в оточуюче повітря. В матеріалі виникає градієнт концентрації вологи, і вона починає переміщатися з внутрішніх шарів до поверхні.

Поки вологість матеріалу велика (звичайно на початку процесу), волога, що дифундуює з глибини шарів до зовнішніх, повністю змочуватиме поверхню матеріалу. В цих умовах кількість вологи, що випаровується з одиниці поверхні матеріалу за одиницю часу, визначається швидкістю, з якою волога дифундує через прикордонний шар повітря, насиченого вологою. При постійності зовнішніх умов (температури повітря, його вологості, швидкості і напряму руху) швидкість сушки, тобто маса вологи, що випарувалася з одиниці маси матеріалу за одиницю часу, буде постійною. Тому цей період сушки називають періодом постійної швидкості або періодом зовнішньої дифузії (рис. 16.1, ділянка 1).



Рисунок 16.1. Залежність швидкості сушки від вологості

Оскільки в період постійної швидкості сушки матеріал покритий плівкою вологи, яка випаровується при температурі мокрого термометра, то температура висушуваного матеріалу в цей період буде постійною, приблизно рівною температурі мокрого термометра.

Коли вологість матеріалу зменшиться і волога, що підводиться до зовнішніх шарів, буде недостатньо для повного змочування поверхні, то спочатку на ній з'являться сухі ділянки («острівці»), а потім вся поверхня матеріалу виявиться сухою, і зона випаровування поглибитися всередину матеріалу. З моменту, коли кількість вологи, що підводиться до поверхні, стає меншою за ту, яка могла б випаруватися, швидкість сушки падатиме. Вологовміст матеріалу, при якому починається період падаючої швидкості, називають критичним. Сушку звичайно закінчують за досягнення деякої кінцевої вологості, що визначається вимогами технологічної практики. Конвективна сушка може продовжуватися доти, поки матеріал не досягає рівноважного стану з нагрітим повітрям, що є сушильним агентом.

В період падаючої швидкості перебіг процесу сушки обумовлюється дифузією вологи до поверхні випаровування, тобто внутрішньою дифузією, швидкість якої визначається структурою матеріалу і його температурою, але мало залежить від зовнішніх умов (рис.1, ділянки II, I і III).

Безпосередньо за моментом досягнення критичної вологості наступає період, коли скорочення змоченої поверхні (поява сухих ділянок) приводить до зменшення кількості вологи, що видаляється зі всієї геометричної поверхні висушуваного матеріалу, тобто до падіння загальної швидкості сушки, хоча швидкість випаровування вологи із змоченої частини поверхні не змінюється. Протягом цього періоду швидкість сушки пропорційна вмісту вологи в матеріалі (рис.1, ділянка II).

При подальшому зменшенні вологості вся зона випаровування переміщається вглиб матеріалу і починається період, коли швидкість сушки залежатиме тільки від швидкості, з якою волога дифундує до поверхні матеріалу (рис. 1, ділянка III). Для різних матеріалів вид кривої швидкості сушки в цьому періоді може бути різним. Він залежить від фізичної природи висушуваного матеріалу і від умов сушки.

В період падаючої швидкості сушки температура матеріалу стає вищою за температуру мокрого термометра і при досягненні матеріалом рівноважної вологості дорівнює температурі повітря.

При проектуванні сушильних установок, як і апаратів для інших технологічних операції, найважливішим питанням є розрахункове визначення часу проведення процесу.

Протягом періоду зовнішньої дифузії швидкість випаровування вологи з поверхні вологого матеріалу рівна швидкості, з якою волога дифундує через плівку насиченого повітря.

Тривалість періоду постійної швидкості сушки може бути визначений за рівнянням:

де К - константа швидкості сушки;

un/, uk/, - початкова і критична вологість матеріалу, вважаючи на абсолютно суху речовину.

Протягом періоду падаючої швидкості сушки волога усередині твердого матеріалу переміщається як у вигляді рідини, так і у вигляді пари під дією капілярних сил і теплової дії. Швидкість внутрішньої дифузії залежить від структури матеріалу і надзвичайно великої кількості факторів, що визначають швидкість процесу сушки в період падаючої швидкості, математичний опис якого вельми складний.

Тривалість періоду падаючої швидкості сушки в більшості випадків можна знайти тільки за експериментальними даними.