POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej

Zakład Inżynierii procesowej

PROJEKT Z SUSZARKI- SUSZARKA KOMOROWA Z NAWIEWEM RÓWNOLEGŁYM

W RAMACH PRZEDMIOTU JEDOCZNESNA WYMIANA CIEPŁA I MASY

Daria Pawlica

Joanna Tracz

Wstęp

Suszenie jest definiowane jako proces, polegający na usuwaniu wilgoci przez odparowanie w wyniku doprowadzenia energii cieplej oraz zmniejszenia aktywności wody do takiej wartości, która uniemożliwia rozwój drobnoustrojów, jak również efektywnie hamuje przemiany enzymatyczne i nieenzymatyczne. Ponadto prowadzi do zmniejszenia masy i objętości suszonych produktów, dzięki temu zmniejsza koszty transportu i przechowywania. Stanowi jeden z najbardziej rozpowszechnionych procesów jednostkowych w wielu gałęziach przemysłu (m.in. przemysł spożywczy, chemiczny, papierniczy, tekstylny itp.), ale jednocześnie ze względu na trudność opisu matematycznego związanego z jednoczesnym ruchem ciepła, masy u pędu w ciałach stałych jest to jeden z najmniej poznanych procesów jednostkowych.

Własności materiału wilgotnego

W procesach suszarniczych mamy do czynienia z wieloma różnorodnymi materiałami, których własności mają decydujący wpływ na wybór metody suszenia i jej prawidłowe modelowanie. Ze względu na to materiały te można podzielić na następujące grupy:

• Ciała niehigroskopijne kapilarno-porowate: takie jak piasek, mielone minerały, niektóre kryształy, cząstki wykonane z polimerów i niektóre materiały ceramiczne. Ilość wilgoci wiązana w porach materiału jest minimalna. Materiały tego typu kurczą się w trakcie procesu suszenia.

• Ciała higroskopijno-porowate takie jak glina, sita molekularne i drewno. Ciała te wiążą dużo wilgoci zarówno na swojej powierzchni jak i wewnątrz porów, w początkowym okresie suszenia kurczą się.

• Ciała koloidalne takie jak mydło, kleje, niektóre polimery, np. nylon i liczne produkty spożywcze Ciała tego typu nie posiadają porów. Cała wilgoć gromadzona jest na powierzchni ciała stałego.

Kinetyka procesu suszenia

Kinetyka procesu suszenia jest definiowana jako zmiana średniej zawartości wilgoci i średniej temperatury materiału suszonego w czasie. Pozwala to określić ilość odparowanej wilgoci oraz zużycie energii cieplnej. Na skutek ruchu ciepła i masy pomiędzy materiałem suszonym a czynnikiem suszącym dochodzi do zmian wilgotności i temperatury materiału suszonego. Ruch ciepła i masy wewnątrz materiału zależy w znacznej mierze od charakteru wiązania wilgoci, w związku tym kinetyka tego procesu uwarunkowana jest głównie właściwościami fizykochemicznymi materiału suszonego. Zmiany średniej wilgotności i temperatury ciała suszonego zależą jednak przede wszystkim od ruchu ciepła i masy pomiędzy powierzchnią ciała, a otaczającym ośrodkiem.

Charakter przebiegu procesu suszenia dogodnie jest śledzić na podstawie wykresów sporządzonych zazwyczaj w następujących układach współrzędnych:

1. Wilgotność materiału w funkcji czasu suszenia (krzywe suszenia)

2. Szybkość suszenia w funkcji wilgotności materiału (krzywa szybkości suszenia)

3. Temperatura materiału w funkcji wilgotności materiału (krzywa temperaturowa)

Szybkość suszenia można zdefiniować jako:

$$w = - \frac{m_{s}\text{dX}}{\text{Adτ}}\ \left\lbrack \frac{\text{kg}}{s \bullet m^{2}} \right\rbrack$$

Krzywe suszenia

Typowa krzywa suszenia przedstawiona jest na rysunku 1.

Rys. 1 Krzywa suszenia dla warunków ustalonych.

W początkowym stadium procesu dochodzi do ogrzewania materiału (krzywa AB). Po upływie pewnego czasu otrzymujemy zależność prostoliniową (odcinek BC). W tym okresie szybkość suszenia, która równa jest tangensowi kąta nachylenia prostej BC posiada wartość stałą (pierwszy okres suszenia). Liniowy spadek wilgoci w czasie zachodzi do tzw. pierwszego punktu krytycznego C. Po przekroczeniu punktu C prosta przechodzi w krzywą zbliżającą się asymptotycznie do równowagowej zawartości wilgoci X_r (drugi okres suszenia).

Krzywe szybkości suszenia

Na rysunku 2 przedstawiona jest klasyczna szybkość suszenia.

Rys. 2 Krzywa szybkości suszenia

Na krzywej tej można wyróżnić 2 obszary: obszar stałej szybkości suszenia i okres malejącej szybkości suszenia. W początkowym okresie suszenia temperatura powietrza ciała suszonego i warstewki cieczy na jego powierzchni jest mniejsza od temperatury równowagowej, w związku z tym prędkość suszenia rośnie, aż do osiągnięcia wartości dla pierwszego okresu suszenia (rys. 2 odcinek AB). Początkowy okres suszenia jest zazwyczaj tak krótki, że pomija się go przy obliczeniach suszarniczych.

Jeżeli wilgotność materiału spadnie poniżej wartości nazywanej krytyczną ilość wilgoci dostarczanej do powierzchni ciała stałego maleje, co powoduje zmniejszenie wartości Y_s, a co za tym idzie szybkości suszenia (drugi okres suszenia). W okresie tym o szybkości decyduje szybkość ruchu wilgoci wewnątrz materiału. Przedstawiony przebieg procesu suszenia ma charakter poglądowy i nie sprawdza się we wszystkich przypadkach.

Krzywe temperaturowe

Należy pamiętać, że krzywe szybkości suszenia dają jakościowy pogląd na przebieg procesu. Wg Łykowa do analizy drugiego okresu suszenia lepiej nadają się krzywe temperaturowe. Na rys. 3 przedstawiono krzywe temperaturowe dla wnętrza i powierzchni materiału, który kurczy się w trakcie procesu suszenia. Przy zmniejszaniu się zawartości wilgoci w materiale temperatura jego powierzchni szybko wzrasta aż do osiągnięcia wartości stałej, równej temperaturze wilgotnego termometru (temperatura cieczy odparowującej). Temperatura ta nie zmienia się aż do punktu krytycznego X_kr , a następnie ponownie wzrasta aż do osiągnięcia równowagowej wilgotności materiału X_r, kiedy staje się równa temperaturze otoczenia t_f.

Temperatura w środku materiału wzrasta w początkowym okresie suszenia nieco wolniej i osiąga temperaturę wilgotnego termometru nieco później. W okresie stałej szybkości suszenia krzywe temperaturowe dla powierzchni materiału i jego głębszych warstw pokrywają się. Tak więc pierwszy okres suszenia charakteryzuje się stałą temperaturą, nie występuje tu ponadto gradient temperatury wewnątrz materiału. Począwszy od wilgotności krytycznej temperatura w środku ciała suszonego wzrasta wolniej niż na powierzchni, ponownie powstaje więc spadek temperatur między powierzchnią i wnętrzem ciała. Po osiągnięciu wilgotności równowagowej spadek temperatury staje się równy zeru.

Rys. 3 Krzywe temperaturowe (1- temperatura powierzchni materiału, 2- temperatura w środku materiału)

Ogólny podział aparatów suszarniczych

Istnieje kilka różnych sposobów klasyfikacji suszarek. Spośród wielu kryteriów, jakie bierze się pod uwagę przy podziale suszarek, najczęściej wymienia się następujące:

• Ciśnienie panujące w suszarce- suszarki atmosferyczne i próżniowe

• Charakter pracy aparatu- suszarki o działaniu okresowym i ciągłym

• Sposób doprowadzenia ciepła- suszarki konwekcyjne, kontaktowe, radiacyjne, dielektryczne, sublimacyjne

• Rozwiązanie konstrukcyjne- suszarki komorowe, tunelowe, taśmowe, szybowe, bębnowe, walcowe, pneumatyczne, rozpyłowe itp.

Podział suszarek ze względu na sposób dostarczania ciepła i rozwiązania konstrukcyjne przedstawione na rys. 4.

Rys. 4 Podział suszarek ze względu na sposób transportu ciepła i rozwiązania konstrukcyjne.

Ze względu na różnorodność metod suszenia i ich techniczną realizację suszarki powinno opisywać się w ścisłym związku z danymi dotyczącymi ich budowy i warunków pracy. Ponieważ zasadniczym warunkiem prowadzenia procesu suszenia jest ruch i zużycie energii na przemianę fazową wilgoci zawartej w materiale, dlatego metody suszenia klasyfikuje się najczęściej w zależności od sposobu dostarczania ciepła do materiału.

Opis wybranej suszarki

Wybraną suszarkę można zaliczyć do suszarek pracujących okresowo. Składa się z jednej lub kilku komór, w której umieszcza się odpowiednie pojemniki, najczęściej są to tace, które zawierają materiał poddawany suszeniu. Czynnikiem suszącym jest gorące powietrze lub inny gaz, którego przepływ nad materiałem wywołany jest przez wentylator lub cyrkulację naturalną (konwekcja swobodna). Istotnym elementem podczas projektowania suszarki komorowej jest kierunek ruchu czynnik suszącego, ponieważ suszony materiał umieszczony jest nieruchomo.

Suszenie konwekcyjne jest najpowszechniejszą techniką suszenia. Suszarki tej grupy znalazły szerokie zastosowanie podczas suszenia materiałów wymagających niezbyt intensywnego i długiego czasu suszenia. Pomimo swoich zalet posiadają również wady, do których można zaliczyć m.in. niską efektywność energetyczną.

Rys. 5 Schemat budowy suszarki komorowej z jednokrotnym podgrzewaniem czynnika suszącego 1-półki 2-podgrzewacz 3-przegrody

Suszarka komorowa z nawiewem równoległym stosowana jest do równomiernego suszenia materiału. Liczba półek w tej suszarce jest większa niż 2. Zainstalowany wewnątrz komory podgrzewacz pozwala na nieznaczne zużycie energii cieplnej, ponieważ recyrkulacja czynnika grzejnego służy do podgrzania powietrza recyrkulacyjnego o kilka stopni.

Materiał badawczy

Materiałem badawczym jest aspiryna w postaci granulek. Potocznie aspiryną nazywa się wszystkie farmaceutyki zawierające kwas acetylosalicylowy jako substancję czynną. Jest to organiczny związek chemiczny, acetylowi pochodna kwasu salicylowego. Popularny środek o działaniu przeciwbólowym, przeciwgorączkowy i przeciwzapalnym. Kwas acetylosalicylowy otrzymuje się w reakcji kwasu salicylowego z bezwodnikiem octowym w obecności kwasu siarkowego jako katalizatora.

Dane potrzebne do obliczeń dotyczące badanego materiału

Pojemność suszarki [kg] Ładunek wilgotny	25,4
Liczba półek	20
Powierzchnia półek [m^2]	6,5
Grubość materiału na półce [m]	0,013
Początkowa wilgotność materiału [kg wilg. mat.]	0,15=X1^′
Końcowa wilgotność materiału	0,005=X2^′
Maksymalna temperatura powietrza	50
Masa materiału na jednostkę powierzchni [$\frac{\text{kg}}{m^{2}}\rbrack$	4,4
Czas suszenia	14h
Całkowita szybkość suszenia [$\frac{\text{kg}}{h}\rbrack$	0,38
Jednostkowe odparowanie powierzchniowe $\frac{\text{kg}}{m^{2} \bullet h}\rbrack$	0,039

1. Obliczenia

   1. Bilans materiałowy

Dane:

Powietrze świeże:

• T₁=25^oC

• φ₁=70%

• p_A1=23,76 mmHg

Powietrze wylotowe:

• T₂=45^oC

• φ₂=60%

• p_A2=71,88 mmHh

  1. Masa wysuszonego materiału

$$W_{2} = W_{1}*\frac{1 - {X'}_{1}^{}}{1 - {X'}_{2}}$$

$$W_{2} = 2*\frac{1 - 0,015}{1 - 0,005} = 1,71\left\lbrack \frac{\text{kg}}{h} \right\rbrack$$

Zawartość wilgoci odparowanej w suszarce

$$W_{A} = W_{1}*\left( 1 - \frac{1 - {X'}_{1}^{}}{1 - {X'}_{2}} \right)$$

$$W_{A} = 2*\left( 1 - \frac{1 - 0,015}{1 - 0,005} \right) = 0,292\left\lbrack \frac{\text{kg}}{h} \right\rbrack$$

Wilgotność bezwzględna

• Powietrze odlotowe:

$$Y_{2} = 0,622*\frac{\varphi_{2}p_{A2}}{P{- \varphi}_{2}p_{A2}}$$

$$Y_{2} = 0,622*\frac{0,6*71,88}{745 - 0,6*71,88} = 0,038\left\lbrack \frac{\text{kg}}{\text{kg}} \right\rbrack$$

• Powietrze świeże

$$Y_{1} = 0,622*\frac{\varphi_{2}p_{A2}}{P{- \varphi}_{2}p_{A2}}$$

$$Y_{1} = 0,622*\frac{0,7*23,76}{745 - 0,7*23,76} = 0,0142\left\lbrack \frac{\text{kg}}{\text{kg}} \right\rbrack$$

Natężenie przepływu suchego powietrza

$$W_{B} = \frac{W_{A}}{Y_{2} - Y_{1}}$$

$$W_{B} = \frac{0,292}{0,038 - 0,0142} = 12,27\left\lbrack \frac{\text{kg}}{h} \right\rbrack$$

Zużycie powietrza na 1 kg odparowanej wilgoci

$$\frac{W_{B}}{W_{A}} = \frac{1}{Y_{2} - Y_{1}}$$

$$\frac{W_{B}}{W_{A}} = \frac{1}{0,038 - 0,0142} = 42,01$$

Objętość cyrkulacyjnego powietrza

$$V = V_{sr}*W_{B} = 12,27*22,4*\left( \frac{1}{29} + \frac{0,0142}{18} \right)*\frac{273 + 25}{275} = 10,59\left\lbrack \frac{m^{3}}{h} \right\rbrack$$

Bilans cieplny

Przyjęte dane:

• W₁=2 kg/h

• T₁=25^oC

• T₂=45^oC

• T₁=50^oC

• φ₁=70%

• φ₂=60%

• p_A1=23,76 mmHg

• p_A2=71,88 mmHh

• Δ=-3500

• c_A=1,864 kJ/(kg*K)

• c_B=1,0063 kJ/(kg*K)

• Przekrój poprzeczny aparatu: A =1 m²

  1. Entalpia powietrza dopływającego do suszarki

i₁ = c_BT′₁ + (c_AT′₁+r₀)Y₁

$${i'}_{1} = 1,0063*50 + \left( 1,864*50 + 2382,3 \right)0,0142 = 85,45\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$$

Entalpia powietrza wylotowego

i₁ = c_BT₂ + (c_AT₂+r₀)Y₂

$$i_{2} = 1,0063*45 + \left( 1,864*45 + 2382,3 \right)0,038 = 139\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$$

Zużycie ciepła na 1 kg odparowanej wilgoci

$$q_{z} = \frac{W_{B}}{W_{A}}\left( i_{2} - i_{1} \right) -$$

$$i_{1} = 1,0063*25 + \left( 1,864*25 + 2382,3 \right)0,0142 = 59,65\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$$

$$q_{z} = 42,01\left( 139 - 59,65 \right) - ( - 3500) = 6833,5\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{\text{kg}} \right\rbrack$$

Natężenie przepływu ciepła

$$Q_{z} = q_{z}*W_{A} = 6833,5*0,292 = 1995,38\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{h} \right\rbrack$$

Literatura

Strumiłło C., Podstawy techniki i teorii suszenia, WNT, Warszawa 1975