Параметры воды при различных температурах

t, ^oC	ρ , кг/ м³	ν ·10^-6, м²/с	λ, Вт/м·град	Критерий Pr
	988, 0	0, 5560	0, 648	3, 540
	987, 5	0, 5480	0, 649	3, 500
	987, 0	0, 5401	0, 650	3, 441
	986, 5	0, 5323	0, 651	3, 382
	986, 0	0, 5245	0, 652	3, 325
	985, 5	0, 5168	0, 654	3, 269
	985, 0	0, 5091	0, 655	3, 213
	984, 5	0, 5015	0, 656	3, 158
	984, 0	0, 4939	0, 657	3, 104
	983, 5	0, 4864	0, 658	3, 052
	983, 0	0, 4782	0, 659	2, 980
	982, 5	0, 4719	0, 660	2, 950
	982, 0	0, 4648	0, 630	2, 901
	981, 5	0, 4577	0, 661	2, 853
	981, 0	0, 4510	0, 662	2, 806
	980, 5	0, 4445	0, 663	2, 760
	980, 0	0, 4382	0, 664	2, 716
	979, 5	0, 4321	0, 665	2, 674
	979, 0	0, 4246	0, 666	2, 634
	978, 5	0, 4205	0, 667	2, 596
	978, 0	0, 4150	0, 668	2, 550
	972, 0	0, 3650	0, 675	2, 210
	965, 0	0, 3260	0, 680	1, 950

Плотность воды при комнатной температуре (в ротаметре) с достаточной степенью точности можно принимать равной 1000 кг/м³.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ

МАТЕРИАЛОВ

Сушкой называется процесс удаления влаги из материалов.

Влагу можно удалить механическим способом (отжим, отстаивание, фильтрование, центрифугирование), химическим (обезвоживание над серной кислотой или хлористым кальцием) и тепловым (сушкой). Процесс сушки может протекать как в естественных условиях (испарение влаги из материала в окружающий воздух), так и в искусственных условиях в специальных сушильных установках (камерах), обычно с подводом тепла.

По способу подвода тепла различают: контактную, конвективную радиационную, диэлектрическую и сублимационную сушки.

Одним из наиболее распространенных видов судки в промышленности является конвективная сушка, т.е. сушка в потоке нагретого воздуха или топочных газов в смеси с воздухом.

Сушильный агент при конвективной сушке передает материалу тепло и уносит испаряющуюся из него влагу, т.е. играет роль тепло– и влагоносителя.

Влажный воздух является механической смесью сухого воздуха и водяного пара и подчиняется закону Дальтона. Она характеризуется следующими основными параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией.

Для технических расчетов основные свойства влажного воздуха с достаточной степенью точности можно определить с помощью диаграммы, впервые разработанной Рамзиным Л.K.

КИНЕТИКА ПРОЦЕССА СУШКИ

Процесс сушки – сложный диффузионный процесс, скорость протекания которого определяется тепло– и массообменными характеристиками высушиваемых материалов.

Движущей силой процесса является разность парциального давления пара над поверхностью материала и его парциальным давлением в воздухе.

При контакте влажного материала с сухим нагретым воздухом начинается испарение влаги с поверхности материала и диффузия образовавшихся паров через пограничный слой воздуха в окружающую среду.

При влажности материала, значительно превышающей его гигроскопическую влажность, скорость диффузии влаги из материала к поверхности испарения значительно больше, чем скорость испарения ее с этой поверхности. Влага полностью смачивает поверхность материала, а пар у ее поверхности будет всегда насыщенным и температура его будет равна температуре мокрого термометра. Скорость поверхностного испарения влаги из материала равна скорости испарения ее со свободной поверхности жидкости. Это период постоянной скорости сушки (1–ый период или период внешней диффузии), когда удаляется свободно связанная с материалом влага.

При испарении влаги с поверхности материала внутри его возникает градиент влажности, что и обеспечивает дальнейшее перемещение влаги из внутренних слоев материала к его поверхности (внутренняя диффузия). Явление переноса влаги внутри материала носит название влагопроводности. Когда количество влаги, подводимой к испаряющейся поверхности материала за единицу времени, становится меньше количества влаги, которая могла бы испариться с этой поверхности за это же время, скорость сушки начинает падать. На поверхности материала появляются сначала отдельные сухие участки (островки), а затем и вся поверхность окажется сухой. Определяющее значение для скорости сушки приобретает внутренняя диффузия влаги, наступает второй период сушки или период падающей скорости. Влажность материала, при которой начинается период падающей скорости, называется критической влажностью w_кр. Температура материала в этот период непрерывно повышается и при достижении равновесного влагосодержания в материале становится равной температуре сушильного агента. Во втором периоде сушки начинает испаряться гигроскопически связанная влага (и влага набухания или осмотически связанная влага). В этих условиях большое влияние на скорость сушки оказывает форма связи влаги с материалом. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно больше затрат энергии, чем влага набухания. Химически связанная влага наиболее прочно связана с материалом и не может быть удалена в процессе сушки.

Скорость сушки определяется из кинетики сушки, которая характеризуется изменением во времени средней влажности материала, отнесенной к массе сухого материала.

Экспериментально кинетику сушки материала изучают, определяя изменение влажности материала (w) в зависимости от времени (t) сушки. По результатам эксперимента строят график в координатах w -t (рис.11.1).

Рис. 11.1 Кривая сушки

В начале сушки в течение небольшого промежутка времени линия сушки (участок АВ) имеет вид кривой – это период прогрева материала. Затем начинается период постоянной скорости сушки (I период). В этот период линия сушки имеет вид прямой (участок ВС). В точке С, соответствующей определенной влажности материала, линия сушки становится кривой, асимптотически приближающейся к значению w_Р – равновесной влажности в заданных условиях сушки. В этот период скорость сушки непрерывно уменьшается. Второй период называется периодом падающей скорости. Точка С, разделяющая два периода сушки, называется критической точкой, а влажность материала, соответствующая ей – критической влажностью. Пользуясь методом графического дифференцирования кривой сушки, строят кривую скорости сушки, представляющую собой зависимость скорости сушки от влажности (рис. 11.2). Численно скорость сушки равна тангенсу угла наклона касательной к кривой сушки.

Материалы, различающиеся по характеру связи влаги с материалом, дают различную форму кривой скорости сушки во втором периоде. Перегиб кривой скорости сушки соответствует теоретически равной гигроскопической влажности материала.

Рис. 11.2. Кривая скорости сушки

Материальный баланс.

При сушке материала любым методом и в любом аппарате происходит удаление требуемого количества влаги W, кг, но остается неизменным количество абсолютно сухого вещества G_С. Тогда количество влажного материала, поступающего на сушку:

G_вл = G_с + W (11.1)

Зная начальную и конечную влажность материала w_Н и w_К (% масс), составим материальный баланс по сухому веществу:

G_вл (100 - w_н ) = G_с (100 - w_к ) (11.2)

Откуда

G_с = G_вл ,

а количество испаренной влаги

W = G_вл (11.3)

Если в сушилку поступает воздух с влагосодержанием х_Н, кг/кг сухого воздуха, а из сушилки (при отсутствии потерь) выходит такое же количество воздуха с влагосодержанием х_К, то материальный баланс по влаге для идеальной сушилки будет иметь вид:

W + Zх_н = Zх_к (11.4)

Тогда расход сухого воздуха:

Z = (11.5)

Удельный расход воздуха, т.е. расход воздуха по испарению 1 кг влаги L, кг/кг можно определить:

= (11.6)

Тепловой баланс сушки.

В сушилку подается влажный воздух из окружающей среды (сушильный агент), содержащий Z, кг/ч абсолютно сухого воздуха. Нa входе в сушилку, т.е. перед калорифером, воздух имеет энтальпию j₀, Дж/кг сухого воздуха. На выходе из калорифера после нагрева энтальпия воздуха повышается до j₁, Дж/кг сухого воздуха. После процесса сушки энтальпия отработанного воздуха равна j₂, Дж/кг сухого воздуха.

Расход тепла в калорифере составляет:

Q_к = Z (j₁ - j₀) (11.7)

Суммарный расход тепла в сушилке вычисляется по уравнению теплового баланса:

Q_пр = Q_расх

Пренебрегая суммой расхода тепла на нагрев материала, транспортных средств и потерь в окружающую среду, получим уравнение теплового баланса для теоретической сушилки (j₁ =j₂).

Q_к = Q_теор = Z (j₂ - j₀) (11.8)

Удельный расход тепла, т.е. расход тепла на испарение 1 кг влаги:

q = L (j₁ - j_o) (11.9)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Исследование процесса конвективной сушки материала.

2. Построение по результатам исследования кривых сушки и скорости сушки.

3. Анализ процесса сушки на основании построенных кривых.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

1. Опытная установка, представленная на рис. 11.3, состоит из сушильной камеры 1 прямоугольной формы и циркуляционных труб 2.

Рис. 11.3. Схема установки:

1 – камера; 2 – циркуляционная труба; 3 – вентилятор; 4 – калорифер; 5 – контактный термометр; 6 – термометр; 7 – психрометр; 8 – весы

Воздух подается вентилятором 3 в электрический калорифер 4, где нагревается до заданной температуры и поступает в сушильную камеру 1. Температура воздуха, поступающего в камеру, измеряется термометром 6. Температура воздуха в калорифере регулируется контактным термометром 5. Для измерения относительной влажности воздуха до и после сушки установлен психрометр 7. Влажный материал помещается внутрь камеры через дверку на рамку, которая соединена штангой с весами 8.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

2. Сухой материал крепится на рамку и взвешивается.

3. Образец вынимают из камеры, закрывают камеру и включают вентилятор и калорифер. Установка прогревается до заданной температуры.

4. Образец намочить, дать стечь избытку воды и, поместив в камеру, определить начальной вес влажного материала.

5. Далее через каждые 3–5 минут определяется вес образца.

6. Снятие показаний весов заканчивают, когда масса образца будет постоянной (2–3 замера).

7. Получение данные наносят в табл. 11.1.

8. Во время опыта 2–3 раза снимают показания термометров.

9. По окончании работы снять показания психрометра 7.

Выключить установку.

Таблица 11.1

Опытные данные

№	Определяемая величина	№ замеров

1.	Масса сухого материала G_с, г
2.	Время замера t, с
3.	Масса высушиваемого материала G_вл, г
4.	Масса испаренной влаги DW, г
5.	Влажность материала w, %
6.^*	Скорость сушки dw/dt=tga, %/с

*Скорость сушки определяется количеством влаги (W), испаряемой с единицы поверхности (F) высушиваемого материала в единицу времени (t) (dW / Fdt; кг/(м²× с)).

Однако, в связи с трудностью точного определения истинной поверхности в процессе сушки обычно пользуются пропорциональной величиной – абсолютным значением производной влажности материала (w - процент влаги в материале, пересчитанный на сухое вещество, по времени), т.е. dw/dt в %/с.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Рассчитывается влажность материала w в % по формуле:

Расчет проводят для всех полученных опытных данных.

2. По полученным данным строят кривую сушки (рис. 11.4) - зависимость между влажностью образца и временем. Кривая сушки строится в прямоугольной системе координат, откладывая (на миллиметровой бумаге) по оси ординат влажность материала w в %, а по оси абсцисс – время t в секундах. Нанесенные экспериментальные точки соединяются плавной кривой.

3. Строят кривую скорости сушки. Под кривой скорости сушки понимается графическая зависимость между скоростью сушки и влажностью материала (dw/dt - w) (рис.11.5).

Скорость сушки в каждый конкретный момент времени может быть определена по кривой сушки путем графического дифференцирования.

Рис. 11.4. Кривая сушки (по опытным данным)

Для этого на кривой сушки намечается ряд точек (от 10 до 15) для которых должна быть определена скорость сушки. Для определения скорости сушки в какой-либо точке, например, точки 3 и 5 (см. рис. 11.4) проводятся касательные до пересечения с осью ординат. Тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс определит скорость сушки в данный момент времени. Для точек 3 и 5 тангенсы углов наклона a₁ и a₂ дают скорость сушки, соответственно tg a₁= a₁/b₁ (%/c); tg a₂= a₂/b₂ (%/с).

Рис. 11.5. Кривая скорости сушки

Повторяя указанные построения для всех точек, получаем возможность построить по ним искомую кривую скорости сушки (рис.11.5) при данном режиме.

4. По кривой скорости сушки определяются периоды сушки, критическая и равновесная влажность материала (рис. 11.5).

5. Относительная влажность воздуха находится из табл. 11.3, используя показания сухого - t и мокрого термометров - t_м.

6. Влагосодержание воздуха на входе х_н и выходе х_к из сушилки определяется по J – x диаграмме Рамзина (рис. 11.6). Зная относительную влажность j_о и температуру воздуха t_o в помещении, на диаграмме Рамзина находим положение точки А, определяющей параметры воздуха на входе в калорифер сушилки (рис.11.7 поясняет порядок определения). Опустив перпендикуляр из точки А на ось абсцисс, находим начальное влагосодержание воздуха х_н_. При нагреве воздуха в калорифере его влагосодержание не изменяется, следовательно, на диаграмме процесс нагрева будет представлен вертикальной линией АВ. Положение точки В определяется температурой воздуха t₁ на выходе из калорифера и на входе в сушильную камеру.

Положение точки С, характеризующей параметры покидающего сушильную камеру воздуха, определяется по относительной влажности j или температуре воздуха на выходе из сушильной камеры по окончании процесса сушки.

Опустив перпендикуляр из точки С на ось х, определим влагосодержание воздуха х_к.

Рис. 11.6. Диаграмма Рамзина

Рис. 11.7. Изменение параметров сушильного агента

на диаграмме J – х в процессе нагревания сушки

7. Количество уносимой воздухом влаги определяется как:

W = G_вл^н – G_вл^кили W = DW₁ + DW₂ +....

где G_вл^н и G_вл^к- соответственно, масса высушиваемого материала в начале и в конце опыта.

8. Рассчитывается производительность сушилки по испаренной влаге:

П = W/t.

9. Расход и удельный расход воздуха в сушилке определяются по уравнениям (11.5 и 11.6).

10. Тепло калорифера рассчитывают по уравнению (11.7). Значения энтальпий воздуха до и после калорифера определяют по J–x диаграмме (рис. 11.6 и 11.7).

11. Результаты расчетов заносят в табл. 11.2.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется сушкой?

2. Способы сушки.

3. Движущая сила процесса.

4. Что называется скоростью сушки?

5. Чем определяется скорость сушки в 1 период?

6. Чем определяется скорость сушки во 2 период?

7. Что такое равновесное влагосодержание и от чего зависит его величина?

8. Какие бывают формы связи влаги с материалом?

9. Как изменяется температура материала в процессе сушки?

10. Что такое температура мокрого термометра, температура точки росы?

11. Какие основные параметры влажного воздуха можно определить по J–x диаграмме?

12. Что такое абсолютная и относительная влажность воздуха, влагосодержание, энтальпия?

13. Конструкции сушилок.

Таблица 11.2

Расчетные данные

№	Наименование величины	Расчетное значение
1.	Критическая влажность материала w_кр, %
2.	Равновесная влажность материала w_р, %
3.	Температура воздуха в помещении, ⁰С по сухому термометру t₀ по мокрому термометру t_0М
4.	Относительная влажность воздуха в помещении j₀
5.	Энтальпия воздуха, кДж/кг на входе в калорифер j₀ на выходе из калорифера j₁
6.	Температура воздуха на входе в сушильную камеру t₁, ⁰C
7.	Температура воздуха на выходе из сушильной камеры t₁, ⁰C по сухому термометру по мокрому термометру
8.	Относительная влажность воздуха на выходе из сушильной камеры j
9.	Влагосодержание воздуха, кг/кг сух. воздуха в начале процесса сушки х_н в конце процесса сушки х_к
10.	Количество испаренной влаги W, кг
11.	Производительность сушилки П, кг/с
12.	Расход воздуха на сушку Z, кг
13.	Удельный расход воздуха L, кг/кг влаги
14.	Расход тепла в калорифере Q_к, кДж

ЛИТЕРАТУРА

1. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М., " Химия", 1982 г., - 584 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической промышленности. - М. " Химия", 1971 г, - 752 с.

Таблица 11.3

Относительная влажность воздуха (φ, %)

Температура t, ⁰С	Психрометрическая разность ( t - t_м )

		-
		-
		-

Температура t, ⁰С	Психрометрическая разность ( t - t_м )

	71, 5				-	-	-	-	-	-	-	-	-
			36, 5		11, 5	1, 5	-	-	-	-	-	-	-
	76, 5	57, 5		28, 5		9, 5	2, 5	-	-	-	-	-	-
	78, 5	60, 5	45, 5	33, 5	23, 5	15, 5			-	-	-	-	-
				37, 5			13, 5				-	-	-
	81, 5	65, 5	52, 5		31, 5		17, 5			4, 5	1, 5	-	-
	82, 5	67, 5						15, 5		7, 5	4, 5	2, 5	0, 5
	-		57, 5	46, 5				18, 5		10, 5			2, 5
	-	-	-		40, 5		26, 5		16, 5	12, 5	9, 5	7, 5
	-	-	-	-	-	35, 5		23, 5				9, 5	6, 5
	-	-	-	-	-	-	-						8, 5
	-	-	-	-	-	-	-	-	-	19, 5

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА

РЕКТИФИКАЦИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ

ВВЕДЕНИЕ

В химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для разделения жидких смесей на технически чистые продукты широко применяют ректификацию. Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляется в противоточных аппаратах, называемых ректификационными колоннами.

Сущность процесса ректификации, происходящего в ректификационных колоннах, заключается в обмене компонентами между паром, поднимающимся вверх по колонне и жидкостью (флегмой), стекающей в колонне вниз навстречу пару. В тарельчатых ректификационных колоннах такой массообмен между паром и жидкостью осуществляется во время барботажа – прохождения пузырьков пара через слой жидкости на тарелке.

На колпачковых тарелках барботаж происходит по периметру колпачков, края которых имеют зубья или прорези для дробления потока пара на отдельные мелкие паровые струйки. При контакте в барботажном слое ректификационной тарелки жидкой и паровой фаз, состоящих из двух компонентов, неравновесных друг другу, возникает процесс тепло– и массообмена между фазами, при котором более низкокипящий компонент (НКК), из жидкости частично испаряется и переходит в паровую фазу, а менее летучий, высококипящий (ВКК) – в жидкость.

В результате такого обмена компонентами поток пара, поднимаясь по колонне, на каждой тарелке все более обогащается НКК, а поток жидкости, стекая вниз, постепенно обогащается ВКК. Пар, поступающий на ректификацию под нижнюю тарелку колонны (рис. 12.1), имеет небольшую концентрацию НКК. Этот пар идет из куба–испарителя, в котором он образуется при кипении бедной НКК жидкости, стекающей в куб–испаритель с нижней тарелки колонны. По мере того, как пар поднимается по колонне, концентрация НКК в нем увеличивается, с верхней тарелки пар уходит в расположенный над колонной конденсатор (дефлегматор) уже с высокой концентрацией НКК. В дефлегматоре этот пар полностью конденсируется. Образовавшаяся жидкость (флегма) с высокой концентрацией НКК поступает на верхнюю тарелку колонны. Стекая в колонне вниз с тарелки на тарелку, флегма теряет НКК и обогащается ВКК. На одну из тарелок в середине колонны непрерывно подают на разделение исходную смесь (питание) F, состоящую из двух компонентов. Часть богатой НКК жидкости из сборника под дефлегматором отбирают в качестве верхнего продукта D – дистиллята. В качестве нижнего продукта – кубового остатка W из куба–испарителя отбирают часть жидкости, бедной НКК. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляют непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллят D с высоким содержанием НКК и кубовый остаток W с малой концентрацией НКК. Концентрация получаемых продуктов разделения зависит от числа тарелок в колонне и от режима ее работы. Для того, чтобы в кубе–испарителе происходило непрерывное кипение жидкости, куб нагревают, а для концентрации пара, поступающего в дефлегматор, последний охлаждают водой.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Построение изобарных температурных кривых.

2. Пуск и наладка устойчивого режима работы тарельчатой ректификационной колонны для непрерывного разделения смеси этиловый спирт–вода. Расчет материального и теплового балансов колонны.

3. Определение числа ступеней изменения концентрации (теоретических тарелок) и среднего коэффициента обогащения (к.п.д.) установленных в колонне одноколпачковых тарелок.

4. Сравнение полученного к.п.д. тарелок с к.п.д. тарелок существующих промышленных установок.

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 91011 12 Следующая