Category Archives: Inżynieria chemiczna
Kinetyka procesu suszenia w suszarce bębnowej – ćwiczenia laboratoryjne
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było wyznaczenie wysokości (długości) jednostkowej wnikania ciepła Hp oraz liczby jednostek wnikania ciepła Np w suszarce bębnowej.
2. Aparatura
Schemat montażowy suszarki bębnowej przedstawiono na rys. 1. Powietrze zasysane wentylatorem 6 jest tłoczone do nagrzewnicy elektrycznej 5, a następnie do bębna suszarki 3. Natężenie przepływu powietrza można regulować za pomocą zasuwy i mierzyć zwężką pomiarową.
Temperatury powietrza są mierzone na wejściu i wyjściu z aparatu za pomocą termometrów rtęciowych. Uprzednio przygotowany materiał wilgotny jest podawany ze zbiornika surowca 1 dozownikiem wibracyjnym 2 do górnego końca bębna. Wysuszony produkt odprowadzany jest przez zsyp do zbiornika produktu 4.
3. Metodyka pomiarów
Doświadczenie przeprowadzono wg następującego schematu:
- uruchomiono wentylator, włączono nagrzewnicę,
- ustawiono za pomocą zasuwy odpowiednie natężenie przepływu,
- przygotowano mokre ziarno przez zmieszanie suchego rzepaku z wodą w ilości podanej przez prowadzącego (w przeprowadzonych próbach było to: 1- 50ml, 2- 100ml, 3- 100ml),
- po ustaleniu się temperatury wlotowej i wylotowej powietrza odczytano temperatury powietrza na wlocie (T1), wylocie z aparatu (T2) oraz temperaturę termometru mokrego (Tm), zmierzono również różnicę wysokości cieczy manometrycznej (wody w U-rurce), uruchomiono podajnik surowca i wsypano do niego powoli mokre ziarno,
- po ustaleniu się temperatury wylotowej powietrza odczytano temperatury powietrza na termometrach T1, T2 oraz Tm,
- punkty b) c) d) i e) powtórzono dla trzech natężeń przepływu powietrza.
4. Tabela wyników badań
5. Charakterystyka układu pomiarowego
6. Wyniki obliczeń
7. Wnioski
Porównując wartości teoretycznej jednostkowej wysokości wnikania, oraz wartości otrzymanej w doświadczeniu dla tego samego strumienia masowego powietrza widać, iż wielkość teoretyczna jest około trzy razy mniejsza niż wartość doświadczalna. Wynika to zapewne z niesprawności urządzenia na którym pracowano: strumień cieplny wymieniany z otoczeniem ziarna (a więc stracony), jest trzy- czterokrotnie większy niż strumień cieplny wymieniony z ziarnem.
Wykonując doświadczenie można również stwierdzić, iż przy większych prędkościach przepływającego gazu występują większe wartości jednostkowej wysokości wnikania ciepła, a co za tym idzie, należałoby zastosować dłuższy aparat do suszenia ziarna. Mając tą samą suszarkę bębnową do dyspozycji otrzymujemy coraz mniejsze ułamki liczby jednostek wnikania ciepła, czego efektem jest coraz mniejsza wydajność procesu.
Mniejsza prędkość gazu suszarniczego w mniejszym stopniu unosi ziarna w swoim prądzie, co powoduje, iż w większym stopniu na czas przebywania ziarna w aparacie wpływa prędkość obrotów bębna. Ponieważ we wszystkich trzech próbach zastosowano tą samą prędkość obrotową, kolejne pomiary różniły się coraz krótszym czasem przebywania ziaren w aparacie, a więc dostępny całkowity strumień cieplny był coraz mniejszy, powodując coraz to gorsze wyniki procesu suszenia.
Podsumowując. Wykorzystując daną suszarkę do celów zgodnych z jej przeznaczeniem, biorąc pod uwagą bardzo duże straty cieplne, trzeba zastosować niższe prędkości przepływu gazu, lub należałoby się pokusić o lepszą izolację suszarki.
Wyznaczanie wielkości cząstek – analiza sitowa – ćwiczenia laboratoryjne
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było doświadczalne wyznaczenie wielkości cząstek.
2. Aparatura
Sita - analiza sitowa wielkości cząstek
Schemat aparatury do wyznaczania wielkości cząstek przedstawia rysunek 1. Jest to kolumna złożona z zestawu sit o różnym rozmiarze oczek sita, przy czym są one rozmieszczone w ten sposób, iż rozmiar oczek maleje ku dołowi.
Elementem aparatury, który był stosowany do zmiany uziarnienia był młyn kulowy.
3. Metodyka pomiarów
Doświadczenie przeprowadzono wg następującego schematu:
- zważono puste sita,
- próbkę materiału ziarnistego umieszczono na sitach,
- po zamknięciu i uszczelnieniu aparatu próbkę poddano wibracji w stosunku do przegrody sitowej w czasie 15 minut,
- zważono poszczególne sita zawierające odsiewy,
- próbkę umieszczono w młynie kulowym na 20 minut, w celu rozdrobnienia ziaren, po czym powtórzono punkty 1¸4.
4. Tabela wyników badań
5. Charakterystyka układu pomiarowego
6. Wyniki obliczeń
7. Wnioski
W badanym zbiorze cząstek przeważa cząstek o dużej średnicy, powyżej 1,6 mm – około 60 % masy. Na drugim miejscu znajdują się cząstki z klasy ziarnowej od 0,63 do 0,8 mm – około 20 % masy. Na trzecim miejscu cząstki z klasy ziarnowej od 0,1 do 0,16 mm – 6,4% w pierwszej próbie, 7,4% masy w drugiej próbie.
Wartości niezależne od szerokości klasy ziarnowej, czyli różnicy rozmiarów oczek dwóch kolejnych sit, przedstawia funkcja gęstości klasy ziarnowej. Wykres tej funkcji wskazuje iż w zbiorze przeważają cząstki „drobne”. Dla pierwszej próby są to, w kolejności od największych, klasy: od 0,063 do 0,1mm, od 0,04 do 0,056mm, od 0,056 do 0,063mm, od 0,1 do 0,16mm. Dla drugiej próby: <0,0071mm, od 0,1 do 0,16mm, od 0,04 do 0,056mm, od 0,056 do 0,063mm, od 0,063 do 0,1mm. Znacznie zmniejszyły się ilości z pierwszych trzech miejsc w pierwszej próbie, prawdopodobnie na rzecz klasy najdrobniejszej.
W drugim pomiarze powinnyśmy zaobserwować tym większe wartości względnego odsiewu, im mniejsze oczka ma dane sito. Dla badanego przypadku zwiększyły się nam przede wszystkim wartości odsiewów dla średnich rozmiarów oczek sit. Zapewne po dłuższym czasie rozdrabniania próbki w młynie, zwiększyłyby się zauważalnie odsiewy dla najmniejszych oczek sita.
Próba wyznaczenia wielkości ziarna odpowiadającego połowie masy danego zbioru cząstek nie powiodła się z powodu zbyt małej ilości sit. Ponieważ próbka była „gruboziarnista”, zabrakło przede wszystkim sit o większych rozmiarach oczek.
Wyznaczanie profilu prędkości płynu w rurociągu o przekroju kołowym – ćwiczenia laboratoryjne
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było doświadczalne wyznaczenie rozkładu prędkości przepływu gazu podczas przepływu przez rurę o przekroju kołowym, porównanie profilu uzyskanego na podstawie pomiaru lokalnych prędkości z profilem obliczonym za pomocą odpowiednich równań oraz wyznaczenie średniej prędkości przepływu przez rurę.
2. Aparatura
Schemat aparatury przedstawia rys.1.
Powietrze jest tłoczone do rury pomiarowej (1) za pomocą wentylatora (2). Tuż za wentylatorem jest
zamontowana zasuwa (3), umożliwiająca regulację strumienia objętości powietrza. W środkowej części rurociągu na obwodzie rury są zamocowane dwie rurki Prandtla (4). Rurki te wmontowano w ten sposób, że istnieje możliwość przesuwania ich w kierunku prostopadłym do osi rury, co zostało schematycznie pokazane na rysunku 2. Położenie sondy pomiarowej może być określone za pomocą podziałki milimetrowej (5). Ciśnienie dynamiczne mierzone jest mikromanometrami (6) z uchylnymi rurkami pomiarowymi. Do porównawczego pomiaru strumienia objętości gazu płynącego przez rurę wykorzystuje się kryzę pomiarową (7) umieszczoną na pionowej części rury. Średnica rurociągu przed kryzą wynosi Dr=105 mm, a średnica otworu kryzy d0=65 mm. Spadek ciśnienia na kryzie pomiarowej mierzony jest za pomocą U-rurki wypełnionej wodą.
3. Metodyka pomiarów
Po uruchomieniu aparatury według schematu:
- ustawić zasuwę dławiącą przepływ powietrza w położeniu całkowicie zamkniętym,
- włączyć silnik wentylatora,
- otwierać powoli zasuwę, aż do otrzymania zadanego strumienia powietrza,
rozpoczęto wykonywanie pomiarów dla kolejnych dwuch położeń zasuwy:
- natężenie przepływu powietrza określono za pomocą kryzy pomiarowej, odczytując wskazania manometru (ciecz manometryczna – H2O),
- dobranie pochylenia rurki mikromanometru tak, aby uzyskać odpowiednio duże wychylenie cieczy manometrycznej (CH3OH),
- wykonanie pomiarów lokalnych prędkości gazu za pomocą sądy pomiarowej (rurki Prandtla), poprzez odczyt wskazań mikromanometru.
4. Tabela wyników badań
5. Charakterystyka układu pomiarowego
6. Wyniki obliczeń
7. Wykresy
8. Wnioski
Obserwując wykresy wartości bezwymiarowych można zauważyć, że lokalne prędkości przepływu płynu w rurociągu przyjmują maksymalne wartości w pobliżu środka symetrii rurociągu. Jest to spowodowane zapewne lepkością płynu i tarciem cząsteczek powietrza z ściankami rurociągu.
Porównując wyniki pomiaru średniej lokalnej prędkości oraz prędkości średniej mierzonej za pomocą kryzy pomiarowej, można zauważyć, że wartości te różnią się w ten sposób, iż dla większych wartości przepływu powietrza wyniki pomiaru prędkości na podstawie spadku ciśnienia na kryzie są zawyżone względem średniej lokalnej, a dla mniejszych wartości jest odwrotnie.
Ponieważ aparatura nie pozwoliła na pomiar prędkości lokalnej w położeniu R, a więc w maksymalnej odległości od osi symetrii rury, we wzorach na średnią prędkość lokalną płynu zastosowałam wielkość Rx, która oznaczała maksymalne wychylenie rurki pomiarowej, na jakie zezwalała aparatura.
Wnikanie ciepła w warstwie fluidalnej – ćwiczenia laboratoryjne
1. Cel ćwiczenia
Celem wykonanego ćwiczenia było doświadczalne wyznaczenie zależności pomiędzy współczynnikiem wnikania ciepła w warstwie fluidalnej αf, a liniową prędkością powietrza, liczonej na pusty przekrój kolumny αf= f(w) dla stałej intensywności ogrzewania.
2. Aparatura
Schemat aparatury do wyznaczania współczynników wnikania ciepła w warstwie fluidalnej przedstawia rys.1.
Komorę pomiarową dla ćwiczenia stanowią dwa odcinki rury szklanej o średnicy wewnętrznej 148 mm i
długości 2×300 mm, w której jest umieszczony grzejnik elektryczny w postaci miedzianego
cylindra o średnicy d=24 mm i wysokości L=0.1215m. Dno komory pomiarowej stanowi sito
wykonane z blachy dziurkowanej z otworkami o wielkości 1 mm. Na sicie usypuje się
warstwę kulek polietylenowych.
Komora pomiarowa jest zamknięta od góry sitem metalowym, które zapobiega wydmuchiwaniu
kulek z aparatu. W komorze pomiarowej znajduje się sześć czujników termopar
rozmieszczonych następująco: czujnik nr 6 przylutowany jest do zewnętrznej powierzchni
walcowej grzejnika w połowie jego wysokości. Czujnik nr 5 jest umieszczony w połowie
odległości między zewnętrzną powierzchnią grzejnika i wewnętrzną powierzchnią komory
pomiarowej, na tej samej wysokości co czujnik nr 6. Czujniki nr 1- 4 są rozmieszczone w
pionowej osi komory nad grzejnikiem, w równych odległościach od siebie. Wszystkie
termopary połączone są z rejestratorem.
Powietrze do komory pomiarowej jest tłoczone za pomocą wentylatora 1, ustawionego w
pewnej odległości od komory na amortyzatorach gumowych. Regulacja natężenia przepływu
powietrza odbywa się za pomocą przesłony 2, a jego pomiar dokonywany jest zwężką 3,
połączoną z mikromanometrem 4. Poniżej i powyżej komory pomiarowej znajdują się króćce
umożliwiające pomiar spadku ciśnienia w komorze. Są one połączone z manometrem
wodnym 9 typu U-rurka.
Zasilanie grzejnika elektrycznego o mocy P = 30 W odbywa się poprzez autotransformator
8. Pomiar napięcia i natężenia prądu pobieranego przez grzejnik dokonuje się woltomierzem
V i amperomierzem A wbudowanym w układ zasilający.
3. Metodyka pomiarów
Po uruchomieniu aparatury według schematu:
- ustawić przepustnicę dławiącą przepływ powietrza w położeniu całkowicie zamkniętym,
- włączyć silnik wentylatora,
- otwierać powoli przepustnicę dławiącą, aż w komorze pomiarowej wytworzy się warstwa fluidalna
- włączyć autotransformator i pokrętłem nastawić odpowiednie napięcie prądu w grzejniku (220V)
- włączyć rejestrator temperatury,
rozpoczęto wykonywanie pomiarów dla kolejnych położeń przepustnicy w ustalonych warunkach hydrodynamiczno-cieplnych w aparaturze:
- natężenie przepływu powietrza określono za pomocą zwężki pomiarowej, odczytując wskazania mikromanometru,
- spadek ciśnienia występujący na złożu określono za pomocą manometru,
- odczytano wskazania czujników termopar T5 i T6.
4. Tabela wyników badań
5. Charakterystyka układu pomiarowego
6. Wyniki obliczeń
7. Wnioski
Współczynnik wnikania ciepła między złożem a powierzchnią jest ściśle związany z aerodynamiką układu. Natężenie strumienia cieplnego w układzie fluidalnym nie jest dużo większe, aniżeli w przypadku przepływu gazu przez warstwę nieruchomą. Występująca w układzie bardzo mała różnica temperatur pomiędzy ścianką grzejną a gazem jest rezultatem intensywnego mieszania strumienia gazu przez cząsteczki ciała stałego, oraz dużej powierzchni czynna złoża. Im większe natężenie przepływu powietrza, tym mniejsza jest różnica temperatur między ścianką grzejną, a większy współczynnik wnikania ciepła w warstwie, co skłania do twierdzenia, że warstwa fluidalna ułatwia wymianę ciepła. Zaletą układu fluidalnego nie jest więc duża wydajność cieplna, ale równomierność temperatury w ładunku ciała stałego. W złożu w którym występuje mniejsze mieszanie w warstwie lub nie wytworzylibyśmy warstwy fluidalnej, występowałaby duża różnica pomiędzy temperaturami ścianki grzejnej i złoża, z powodu utrudnionej możliwości wędrówki energii cieplnej (w dużo większym stopniu występowałby proces, podczas którego energia cieplna musiałaby przenikać przez ciało stałe, a ponieważ posiada ono dużo większą pojemność cieplną niż gaz, trwałoby to dłużej). Fluidyzacja umożliwia więc wymianę dużych ilości ciepła również poprzez wykorzystanie różnic w pojemnościach cieplnych ciał stałych i gazów.
Z przyczyn technicznych (niewielka możliwość manewrowania prędkością przepływającego powietrza), nie zdołałyśmy jednak zaobserwować typowych własności złoża fluidalnego tj.: lokalnego maksimum a dla małych liczb fluidyzacji (co jest związane z przejściem od fluidyzacji jednorodnej do niejednorodnej).
Z przyczyn, których nie jesteśmy w stanie ustalić, korzystając z wzoru na prędkość krytyczną fluidyzacji 
1. Wypełnienie składa się z cząstek o jednakowej wielkości
2. Doprowadzenie płynu jest równomierne w całym przekroju aparatu
3. Siły działające między cząstkami są do pominięcia
4. Wartość zmiany gęstości w płynie znajdującym się aktualnie w wypełnieniu jest bardzo mała w porównaniu z wartością gęstości płynu
5. Siły tnące przy ściance są do pominięcia.
Izotermiczna adsorpcja okresowa w układzie ciało stałe – ciecz – ćwiczenia laboratoryjne
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było wyznaczenie wartości współczynnika przenikania masy i aktywności dynamicznej warstwy złoża w kolumnie, w której zachodzi izotermiczna adsorpcja okresowa jednego ze składników mieszaniny ciekłej.
2. Aparatura
Instalacja doświadczalna umożliwiająca przeprowadzenie doświadczenia składa się ze szklanej kolumny adsorpcyjnej K, tłokowej pompy dozującej o nastawianym strumieniu objętości P, zbiornika zawierającego surowiec 1, oraz zbiornika produktu 2. Do wyposażenia instalacji należy także refraktometr, ultratermostat, cylinder miarowy do pomiaru strumienia objętości i sekundomierz.
3. Metodyka pomiarów
Po uruchomieniu aparatury według schematu:
- złoże zalać tym składnikiem mieszaniny, który nie jest adsorbowany na wypełnieniu (n-heksan),
- włączyć termostat i lampę sodową,
- po ustaleniu się temperatury pryzmatu refraktometrycznego włączyć równocześnie pompkę dozującą surowiec oraz stoper,
rozpoczęto wykonywanie pomiarów:
- stężenie p-ksylenu w surowcu określono za pomocą pomiaru współczynnika załamania światła w temperaturze 20 °C dla długości fali ok. 589 nm (promieniowanie linii D widma atomów sodu,
),
- obliczono stężenia surowca C0 z empirycznej zależności c = f(
- określono wartość współczynnika załamania światła dla n-heksanu za pomocą refraktometru,
- natężenie przepływu surowca określono za pomocą pomiaru objętości wypływającego surowca w zmierzonym czasie,
- zakończono doświadczenie, gdy wartość współczynnika załamania światła w dwóch kolejnych pomiarach przekroczyła obliczoną wartość odpowiadającą stężeniu 0,95 C0.
4. Tabela wyników badań
5. Charakterystyka układu pomiarowego
6. Wyniki obliczeń
7. Wnioski
Z analizy literatury dowiedziałam się następujących faktów.
Statyka adsorpcji, tj. równowaga pomiędzy fazami stałą i ciekłą, zależy od składu jednej z faz, temperatury i ciśnienia, gdyż rozpatrywany układ dwufazowy posiada 3 stopnie swobody. Zatem w danej temperaturze i ciśnieniu danemu składowi jednej z faz odpowiada ściśle określony skład fazy drugiej. Adsorpcja zachodzi wówczas, gdy zawartość składnika w fazie ciekłej jest większa niż odpowiada to stanowi równowagi. Odwrotne zjawisko zajdzie wówczas, gdy stężenie składnika czynnego w cieczy będzie niższe od stężenia równowagowego ( w równowadze z cieczą).
Kinetyka adsorpcji, to jest szybkość wymiany masy, określana jest przez stopień oddalenia układu od stanu równowagi. Oczywiście statyka, jak i kinetyka zależne są ponadto od właściwości ciała stałego adsorbującego i cieczy adsorbowanej.
Wyższe współczynniki wnikania masy uzyskuje się w przypadku, gdy mamy do czynienia z adsorpcją chemiczną (zachodzi reakcja chemiczna) niż z adsorpcją fizyczną.
Powyższe informacje mogę uzupełnić i częściowo potwierdzić własnymi obserwacjami.
Analizując obliczenia prowadzone w podpunkcie 6.2. można zauważyć iż siła napędowa wymiany masy zmienia się w trakcie prowadzonego procesu – zmienia się oddalenie od stanu równowagi – początkowo rośnie aby osiągnąć maksimum dla stężenia p-ksylenu w produkcie wynoszącym około C=48 [kg/m3], po czym zaczyna dążyć do zera.
Na kinetykę wpływają powierzchnia oraz warunki zetknięcia faz, związane z dostępną powierzchnią adsorbentu (jego porowatością) i rodzajem konstrukcji urządzenia wykorzystywanego w procesie adsorpcji – co można było wywnioskować podczas przygotowywania kolumny do pracy – należało ją odgazować, aby w układzie nie znajdowała się trzecia faza.
Wyniki obliczeń wskazujące, iż maksymalna bieżąca wysokość złoża jest wyższa niż rzeczywista wysokość złoża mogę skomentować jedynie moimi domysłami – zapewne jest to kwestia zastosowania danego adsorbentu, o bardziej rozwiniętej powierzchni lub lepszej adhezji.
