background image

 

 

1

Inżynieria Chemiczna - Laboratorium 

 
 
Ćwiczenie 9 
 

BADANIE KINETYKI PROCESU SUSZENIA 

 
 
Wprowadzenie teoretyczne 
 
 

Suszenie jest operacja technologiczną obejmującą wymianie ciepła i masy, której 

towarzyszą zmiany strukturalno – mechaniczne, a czasem i chemiczne materiału suszonego. 

Najczęściej celem suszenia jest zmniejszenie masy materiału, zwiększenie wytrzymałości lub 

trwałości produktów. 

 Do 

obliczeń procesowych konieczna jest znajomość parametrów termokinetycznych 

powietrza wilgotnego i ich zmiany w toku procesu suszenia. Wilgotność bezwzględna 

masowa powietrza jest to masa pary wodnej przypadająca na 1 kg suchego powietrza: 

 

Masa pary wodnej zawartej w powietrzu jest największa, gdy prężność cząstkowa pary 

wodnej osiąga wartość prężności nasycenia: 

 

Wilgotność względną powietrza określa się jako stosunek prężności cząstkowej pary 

wodnej w powietrzu do prężności pary wodnej w danej temperaturze: 

 

 

Temperatura punktu rosy T

r

 jest to temperatura, w której mieszanina powietrza i pary 

wodnej osiągnie stan nasycenia podczas chłodzenia pod stałym ciśnieniem bez kontaktu z 

fazą ciekłą. Obniżenie temperatury mieszaniny gazowej poniżej punktu rosy powoduje 

wydzielanie się wody w postaci pary nasyconej. 

 

Entalpia powietrza odnoszona do jednostki masy powietrza suchego jest sumą entalpii 

powietrza suchego i

B

 oraz entalpii zawartej w nim wilgoci: 

 

background image

 

 

2

 

Podczas suszenia procesowi przenikania substancji z jednej fazy do drugiej 

(parowanie cieczy) towarzyszy wymian ciepła – temperatury faz nie są jednakowe. Ilość 

ciepła przekazywanego cieczy przez gazowy czynnik suszący w wyniku konwekcji w 

temperaturze gazu T wyżej niż temperatura materiału T

*

 wynosi:  

 

 Ilość odparowanej cieczy wyznacza się z równania przenikania masy. Ciecz w postaci 

pary przechodzi w fazę gazową i przekazuje ciepło parowania: 

 

 Sumaryczne 

ciepło przekazywane od gazu do cieczy i zużywane na jej ogrzanie 

wynosi: 

 

 W 

miarą ogrzewania temperatura cieczy wzrasta, a więc również ciśnienie nasycenia 

p

A

*

  

 

Warunek jednoczesny wymiany ciepła i masy opisuje związek: 

 

z którego wynika „równanie wilgotnego termometru”: 

 

 

Stan równowagi zostanie zakłócony, gdy powierzchnia wilgotnego ciała wskutek 

niedostatecznego dopływu wilgoci z wnętrza ulegnie osuszeniu. Stosunek współczynników 

wnikania ciepła i masy dla procesu odparowania wody do otaczającego powietrza opisóje 

wzór empiryczny: 

 

 

 Wilgotność właściwa materiału wyraża się w stosunkach masowych: 

 

 

 

background image

 

 

3

 

 

Szybkość suszenia definiuje się jako ilość wilgoci odprowadzanej z materiału w 

jednostce czasu, na jednostkę powierzchni suszonej: 

 

 

 

Rys. 14.1. Krzywa szybkości suszenia [4] 

 

 

Przebieg procesu suszenia można zobrazować przez sporządzenie wykresów 

zależności X = f(τ) i g = f(X), z których łatwo zauważa się, że proces suszenia odbywa się 

odmiennie w dwóch zasadniczych okresach (rys. 14.1). Z wykresu krzywej szybkości 

suszenia można wyznaczyć dwie charakterystyczne wielkości: 

•  wilgotność krytyczną X

k

 jaką posiada materiał pod koniec I okresu suszenia, 

•  wilgotność równowagą X

r

 a więc zawartość wilgoci w ciele suszonym, pozostającą w 

równowadze z prężnością cząstkową pary wodnej zawartej w przepływającym 

czynniku suszącym; jest to graniczna, najmniejsza wilgotność, jaką teoretycznie może 

osiągnąć ciało suszone w danych warunkach suszenia 

Stałe suszenia wynoszą odpowiednio: 

background image

 

 

4

 

Zawartość wilgoci w materiale wyznacza się: 

•  metodą bezpośrednią poprzez odnotowywanie zmian próbki w czasie suszenia, aż do 

osiągnięcia stanu równowagi, 

•  metodami chemicznymi (reakcje jodu lub węglika wapnia w obecności wody, które 

ustają w momencie zużycia całkowitej zawartości wilgoci), 

•  metodą azeotropową, 
•  metodą konduktometryczną, 
•  metodami pojemnościowymi. 

 

Wilgotność czynnika suszącego ocenia się: 

•  metoda bezwzględną z przyrostu masy czystego absorbentu wilgoci (kwas siarkowy, 

chlorek wapnia itp.), 

•  metoda punktu rosy, wykorzystującą pomiar temperatury, w której rozpoczyna się 

kondensacja pary wodnej z powietrza na gładkiej powierzchni, 

•  z użyciem różnego typu psychrometrów 

 

Metodyka pomiarów 

 

 Celem 

doświadczenia jest wyznaczanie kinetyki procesu suszenia oraz 

charakterystycznych wilgotności badanych materiałów.  

 

background image

 

 

5

Rys. 14.2. Schemat przykładowego układu badawczego: 1 – wentylator, 2 – osłona 

wentylatora, 3 – nagrzewnica, 4 – komora, 5 – waga, 6 – podstawka pomiarowa, 7 – materiał 

badany, 8 – termometr 

 

 Na 

wstępie umieszcza się w naczyniu pomiarowym zwilżony badany materiał o znanej 

pierwotnej masie materiału suchego. Włączamy suszarkę do zadanej temperatury. 

Umieszczamy naczynie pomiarowe z materiałem badanym na wadze, jednocześnie włączając 

stoper i odnotowujemy masę próbki. Wskazania wagi odnotowuje się w zadanych równych 

odstępach czasu aż do uzyskania przez okres 30 minut stałej wagi. 

 

Opracowanie wyników badań 

 

 Masę wody zawartej w materiale suszonym wyznacza się ze wzoru: 

 

gdzie: 

 

W – masa wody [kg] 

 

G

w

 – masa naczynia i materiału wilgotnego [kg] 

 

G

s

 – masa naczynia i materiału wysuszonego [kg] 

 Wilgotność właściwą badanej próbki opisuje wzór: 

 

gdzie S oznacza masę materiału suchego. 

 Natężenie parowania określa zależność: 

 

a masową prędkość suszenia: 

 

gdzie F jest powierzchnią ciała suszonego pozostającą w bezpośrednim kontakcie z 

czynnikiem suszącym. 

 

Wynik pomiarów przedstawia się w postaci tabelarycznej oraz graficznej dla 

zależności 

background image

 

 

6

 

 

Z wykresów kinetycznych wyznacza się kolejno okresy suszenia i charakterystyczne 

wilgotności, a następnie metodą rachunku wyrównawczego oblicza się stałe suszenia. 

 

Tabela 14.1 

Tabela pomiarowo - obliczeniowa (wzór) 

 

 

Literatura 

[1] KEMBŁOWSKI z., Michałowski S., Strumiło Cz., Zarzycki R., Podstawy teoretyczne 

inżynierii chemicznej i procesowej, Warszawa, WNT 1982 

[2] Lebiediew P.D., Wymienniki ciepła. Urządzenia suszarnicze i chłodnicze, Warszawa, 

WNT 1986. 

[3] Serwiński M., Zasady inżynierii chemicznej. Operacje jednostkowe, Warszawa, WNT 

1971 

[4] Strumiłło Cz., Podstawy teorii i techniki suszenia, Warszawa, WNT 1983. 

[5] Praca zbiorowa, inzynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego, Warszawa, 

WNT 1982.