トレイを使用して対流および伝導性の熱伝達を調査するドライヤー

Chemical Engineering

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Overview

ソース: マイケル g. ベントンとケリー ・ m ・ ドゥーリー、工業化学科、ルイジアナ州立大学、バトン ルージュ, ルイジアナ

乾燥機は、多数の工業プロセスに使用されています。乾燥機の機能は、乾燥固形食品に熱伝達プロセスを使用することです。さまざまな種類の乾燥機が存在します。断熱乾燥機使用対流と直接接触ガス、固形物を乾燥するのに、非断熱乾燥機1伝導、放射、乾燥1無線周波数などを乾燥加熱ガス接触以外の方法を使用します。バッチ プロセスにおける乾燥機を使用ことができます。 または彼らは連続使用1になります。

この実験では、静置式乾燥機を使用して砂の乾燥速度に及ぼす温度と空気の速度が決定されます。六つのデータ セットの合計を提供する、2 つの異なる空気流量の 3 つの異なる電源設定 (1000 W、1500 W、2500 W) がテストされます。このデータから、熱・物質移動係数を計算できます。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 化学工学. トレイを使用して対流および伝導性の熱伝達を調査するドライヤー. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

トレイ乾燥機、流動層乾燥機、凍結乾燥機、真空乾燥機も含むバッチ乾燥機の 1 つのタイプです。トレイ乾燥機にそれらを乾燥するのに固体流れる熱風対流熱伝達を使用します。彼らはさまざまな医薬品やその他の化学薬品1の生産などの産業で使用されます。一方、連続乾燥機は大量の製品産業、食品業界1などに共通です。

典型的なトレイ乾燥機で処理を開始するには、トレイは均等に砂など固体、ウェットに満ちて、装置に読み込みます。乾燥機の調整可能なファンとヒーター乾燥チャネルを介してファンから流量で連続的に変化を可能にして 500 ワット単位で義務バリエーションを熱します。乾燥機は動作時、空気中に砂から水が蒸発します。乾燥速度は、さまざまな時間間隔で初期固/水の混合物を計量し、最終的な乾燥した固形の重量とを引いて計算されます。

熱伝達は、砂と周囲の空気の温度差によって駆動されます。実験熱伝達を取得する熱くする空気と砂空気インタ フェース間の熱伝達をモデル化する (式 1) の暖房の簡易ニュートン法を使用できます。その他熱義務条項が無視できる方程式 1 の項を比較

Equation 1式 1

q は、熱転送は、ṁ は割り当てられた時間量または ∆ の蒸発速度で蒸発水Hvapは蒸発のエンタルピー、hyは熱伝達係数、T空気は空気温度、Ts砂の表面温度です。

実験的物質移動係数を得るために砂から水の空気への転送は、真の位相境界を渡って流れる物質の移動としてモデリングされます。乾燥速度の式 (式 2) は、このモデルです。

Equation 2方程式 2

どこ kyは物質移動係数 C は、水の濃度、境界の表面積です。砂 (Cs) と空気 (C∞) の水の濃度は、それぞれ質量バランスと湿り空気のチャートを使用して取得されます。これらは乾燥速度を解決するために使用されます。

理論値は、熱・物質移動係数を計算することによって、実験データと比較できます。理論的熱 (式 3)、質量 (式 4) 伝達係数は、相関から関与する物質の性状から取得されます。

Equation 3式 3

Equation 4方程式 4

Re はレイノルズ数、Pr はプラントル数、サウスカロライナは、シュミット数、DABは空気中の水の拡散率、L は長さ。

Procedure

実験は 4 失点ので構成されます, それぞれ異なるファンと熱の 2 つの設定のいずれかの組み合わせをテストします。

1. トレイ乾燥機の操作

  1. 500 g 砂と水 150 mL を混合することによりスラリーを準備し、ユニットの実験のトレイに読み込みます。トレイに均等に混合物を広げます。
  2. オフにユニット、乾燥室でトレイを合わせます。
  3. メイン ユニットをオンにし、送風機とヒーターをオンにします。
  4. 風速と温度の実行ごとに設定します。195 °f. のまわりの一定温度で 2.0 ft/s (高、中、低のいずれか) を 0.8 ft/s から 3 つの空気速度の範囲3 つの温度範囲 130 200 ºF 1.8 の ft/s の一定の空気速度とから。
  5. 45 分を持続させるべき全体の実行のすべての 5 分測定を取る。収集データする必要がありますは、入口空気温度、砂の温度、砂の重量、出口空気温度、吐出空気量、乾球温度と湿球温度します。温度、空気の流れ、砂の重量のためのデジタル スケールとスリング乾湿計湿球および乾球温度の空気フロー設定のデジタル温度計を使用します。
  6. 合計 4 つのユニークな実行設定のセットごとにプロセスを繰り返します。

トレイ乾燥、対流熱と一般液体から固体を分離する、業界で使用される物質移動プロセスです。トレイが乾燥で熱いガスの流れは液体を気化する固体湿気に渡されます。プロセスは、撹拌を必要とせず、温度やその他のプロパティを制御できます。トレイ乾燥の柔軟性包装前に化学・医薬・食品の生産に使用することができます。一見単純ですが、プロセスには、一般的に固体を損なうことがなく乾燥条件を最適化するために徹底的な実験が必要です。このビデオでは、どのようにトレイ乾燥機作品乾燥試験の典型的な手順を示し、いくつかのアプリケーションを議論を説明します。

まず、静置式乾燥機の操作を見てみましょう。最も基本的なデザインは、空気吸入口、換気装置、ヒーター、トレイ コンパートメントおよびコンセントから成る長方形金属製のフレームを採用しています。ウェットの固体は、トレイ コンパートメントに配置される浅いトレイに読み込まれます。人工呼吸器とヒーターは、注意深く制御温度と流量でトレイ上熱いガスの流れを強制します。トレイ内の液体が蒸発して固体から削除されます。トレイの乾燥は、バッチ処理の追加と乾燥機から固形物の除去が同時に発生することはできません離散的なステップを意味です。他の乾燥法以上の利点は、シンプルさと、操作の柔軟性を固定コストが比較的低いあります。人件費が高いと、高エネルギー使用量は、後者幾分相殺されるフィルタ リングとソリッド成形が、そのデメリットがあります。今では乾燥機械の運用方法のいくつかの基本を見てきた、分離が発生する方法を見てみましょう。

固体から液体の分離は、2 つの手順で構成されます。最初のステップでは、ガスは対流、蒸発する液体を引き起こす液体に熱を転送します。ガスと液体と「対流熱伝達係数」と呼ばれる経験的に決定される比例定数の温度差に依存する熱伝達の率したがって、蒸発速度2 番目の手順では、新しく気化した液体が凝結を防ぐために対流物質伝達インターフェイスから転送されます。この処理の速度は、インターフェイスとガスの流れのバルク蒸気濃度の違いによって異なります。経験的な比例定数ここ対流物質伝達係数はあります。係数を推定することができますが、彼らは乾燥されている固体とドライヤーのトレイのジオメトリに固有です。さらに、係数は、固体表面の飽和限りのみ有効。後、表面の水分が大幅に低く、固体内の液体の内部の動きが支配的な物質移動メカニズム乾燥速度が低下します。原理がわかれば、乾燥サンプルを見てみましょう。

このデモでは、様々 な温度および気流速度で砂水スラリーの乾燥を示しています。まず、安全上の問題のため乾燥機を確認し、乾湿計、他の測定機器の使用の準備ができていることを確認します。水 150 グラムと砂の 500 グラムを混ぜてスラリーを準備します。トレイにスラリーを注ぎ、均等に広がっていることを確認します。ユニットをオンし乾燥室でトレイを配置し、重量を記録します。送風機、乾燥機に入れます。試験温度と風速を設定します。各試行が最後 45 分 5 分間隔で測定。入口空気温度測定、砂の温度、および出口空気温度にデジタル温度計を使用します。乾球と湿球の温度を測定するため、乾湿計を使用します。最後に、コンセントの風量と重量バランスからを記録します。合計 4 つのユニークな実行設定のセットごとにプロセスを繰り返します。実行が完了したら、湿り空気のグラフまたは同様のツールを使用して、絶対湿度を見つけます。

各試行の蒸発速度は、スラリー重量を時間の関数としてプロットによって決定されました。導電性の熱伝導率で、こうして蒸発速度と正の相関温度上昇.気流速度を増加の対流熱伝達と物質伝達率に関連付けられて、蒸発速度が高まります。空気温度と蒸発速度とだけでなく、空気の流れと蒸発率と正の相関があります。しかし、熱と物質移動係数の実験的相関は予想より弱かった。砂空気インターフェイスまたはトレイの重量上の風速の影響で湿度が可能性があります。

トレイ乾燥は一般的に両方の専門化学生産およびより大きいスケールの製造、労働の費用があまりにも偉大ではない、工業用アプリケーションで適用されます。トレイ乾燥機は、食品加工業界で包装する前に最後の製造ステップとして通常使用されます。食品の品質を制御しながら蒸発の率を高める、乾燥機は温水トレイや高周波加熱などの間接乾燥機構を装備することがあります。加熱条件は、固体材料から分解、歪むか、または割れを防ぐために乾燥サイクル中に変更できます。トレイ乾燥機は、さまざまな量のいくつか異なる食が温度と湿度の条件で乾燥される必要施設で特に便利です。別の乾燥機設計マルチ トレイ トラックを使用します。製薬業界でトラックは時間と労力を削減し、製品の均一性を高める使用されます。このデザインは、recirculators を使用し、気流を制御、デッド ゾーンを避けるため、一貫性のある温度と湿度を維持バッフルします。感熱化学薬品、不活性雰囲気が生成されます。トレイ乾燥流体ベッドまたは回転転落メソッドよりも物理的に穏やかなので、粉末、生薬などの粘着性の結晶材料の乾燥に適しています。

静置式乾燥機のゼウスの概要を見てきただけ。今、トレイ乾燥、導電性トレイ乾燥実験、およびいくつかのアプリケーションのためのプロセスの原理を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。

Results

収集されたデータから次の情報を取得できます。湿り空気のグラフを使用し、絶対湿度は、空気中に存在する水の濃度を与える。熱伝達係数は、測定された温度と方程式 1 を使用して計算できます。そして最後に、濡れた砂の質量の変化を使用して、砂の中の水の濃度を計算することができます。

砂の水分量は時間の経過とともに直線的に低下。予想通り、蒸発速度が大きい流動率および熱義務と増加していた。その方程式によると熱・物質移動係数は砂空気界面で蒸発速度に比例。99% のR2と強い正の相関を持っている熱と物質移動係数の理論値が見つかりました。実験値はのみをテストした後弱い相関を示した。

空気の流れと蒸発率と温度と蒸発率の両方直線的増加した (図 1、図 2) の関係。上昇気流 (図 1) と温度上昇 (図 2) の両方は、蒸発速度を増加しました。これらのグラフを示す空気の流れや温度の増加とその他の変数、定数、蒸発速度を開催するときは同等の率で増加する肯定的な線形トレンドに従ってください。空気の流れの偏差試験は対流熱伝達の測定温度変化試験は熱伝導性の測定。2 つのテストの合計は、対流および伝導性熱蒸発速度と線形の関係に従うことを示しています。

Figure 1
図 1: 直線的増加した空気速度と蒸発速度の関係の描写です。

Figure 2
図 2: 直線的増加した温度と蒸発速度の関係の描写です。

相対湿度と空気砂インタ フェースの温度エラーの最大のソースと測定のエラーの多くの情報源があります。また、トレイの重さの空気流れ速度の影響が重要でないと判断されたが、それはエラーのソース。このエラーのいくつかはも熱と物質移動係数の相関を減少している可能性があります。これらの係数は理論的に計算され、相関関係があることを証明。しかし、実験データは理論的に類似しているにもかかわらず、重要な傾向を示さなかった。

Applications and Summary

静置式乾燥機は対流および伝導性の熱伝達に対する砂の乾燥速度の測定に使用されました。乾燥機を使用すると、3 つの異なる電力レベルと 2 つの異なる流量で、六つの実験的データ セットが見つかりました。測定値は、5 分間隔で砂/水混合物の重さによって撮影されました。

この実験は、乾燥率のモデル化と熱と物質移動のモデル化ニュートンの法律の暖房, を利用しました。熱・物質移動係数は境界層モデルの使用から決定しました。理論的には、熱・物質移動係数は、非常に強い正の相関を示します。にもかかわらず、実験の結果は、同様に肯定的な傾向をデータは 2 つの任意の有意な相関を表示するあまりにも不正確だった。

トレイ乾燥は、さまざまな分野で使用できます。このような 1 つのフィールドは、医薬品です。医薬品、トレイ乾燥機は、多くの異なる基材、粘着性、粒状を含む、結晶材料2を乾燥に使用されます。医薬品で使用される多くのプラスチックは、トレイ乾燥機2で乾燥することができます。また、析出物、ペースト、および他のウェットの大衆は、ドライヤー、生薬、化学物質や粉末、錠剤顆粒と一緒にトレイに乾燥できます。さらにいくつかの機器は、2乾燥機で乾燥させます。トレイ乾燥機は、サイズが異なるので、損失2せずに処理されるバッチに使用されますので、この業界に多くの利点を提供しています。乾燥機も容易に、効率的な方法2の他の材料に合わせて調整されます。いくつかのケースで、真空トレイ乾燥機、ビタミン2のような熱に敏感な製品の乾燥に使用されます。

トレイ乾燥機は、食品3にも使用されます。食品は、薄く、均等に3を乾燥トレイ普及することができます。食品の種類に応じて空気伝導加熱トレーや棚、トレイ全体移動で、加熱による乾燥を実行できるまたは放射線フォームその他加熱表面3。これはいくつかの食品の3のための問題をすることができますが、空気を湿った蒸気を削除する追加の利点で使用できます。

References

  1. "Solids Drying: Basics and Applications - Chemical Engineering.Chemical Engineering Solids Drying Basics and Applications Comments. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
  2. "Pharmainfo.net.Tray dryer by Saraswathi.B. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
  3. "Unit Operations in Food Processing - R. L. Earle.Unit Operations in Food Processing - R. L. Earle. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.

実験は 4 失点ので構成されます, それぞれ異なるファンと熱の 2 つの設定のいずれかの組み合わせをテストします。

1. トレイ乾燥機の操作

  1. 500 g 砂と水 150 mL を混合することによりスラリーを準備し、ユニットの実験のトレイに読み込みます。トレイに均等に混合物を広げます。
  2. オフにユニット、乾燥室でトレイを合わせます。
  3. メイン ユニットをオンにし、送風機とヒーターをオンにします。
  4. 風速と温度の実行ごとに設定します。195 °f. のまわりの一定温度で 2.0 ft/s (高、中、低のいずれか) を 0.8 ft/s から 3 つの空気速度の範囲3 つの温度範囲 130 200 ºF 1.8 の ft/s の一定の空気速度とから。
  5. 45 分を持続させるべき全体の実行のすべての 5 分測定を取る。収集データする必要がありますは、入口空気温度、砂の温度、砂の重量、出口空気温度、吐出空気量、乾球温度と湿球温度します。温度、空気の流れ、砂の重量のためのデジタル スケールとスリング乾湿計湿球および乾球温度の空気フロー設定のデジタル温度計を使用します。
  6. 合計 4 つのユニークな実行設定のセットごとにプロセスを繰り返します。

トレイ乾燥、対流熱と一般液体から固体を分離する、業界で使用される物質移動プロセスです。トレイが乾燥で熱いガスの流れは液体を気化する固体湿気に渡されます。プロセスは、撹拌を必要とせず、温度やその他のプロパティを制御できます。トレイ乾燥の柔軟性包装前に化学・医薬・食品の生産に使用することができます。一見単純ですが、プロセスには、一般的に固体を損なうことがなく乾燥条件を最適化するために徹底的な実験が必要です。このビデオでは、どのようにトレイ乾燥機作品乾燥試験の典型的な手順を示し、いくつかのアプリケーションを議論を説明します。

まず、静置式乾燥機の操作を見てみましょう。最も基本的なデザインは、空気吸入口、換気装置、ヒーター、トレイ コンパートメントおよびコンセントから成る長方形金属製のフレームを採用しています。ウェットの固体は、トレイ コンパートメントに配置される浅いトレイに読み込まれます。人工呼吸器とヒーターは、注意深く制御温度と流量でトレイ上熱いガスの流れを強制します。トレイ内の液体が蒸発して固体から削除されます。トレイの乾燥は、バッチ処理の追加と乾燥機から固形物の除去が同時に発生することはできません離散的なステップを意味です。他の乾燥法以上の利点は、シンプルさと、操作の柔軟性を固定コストが比較的低いあります。人件費が高いと、高エネルギー使用量は、後者幾分相殺されるフィルタ リングとソリッド成形が、そのデメリットがあります。今では乾燥機械の運用方法のいくつかの基本を見てきた、分離が発生する方法を見てみましょう。

固体から液体の分離は、2 つの手順で構成されます。最初のステップでは、ガスは対流、蒸発する液体を引き起こす液体に熱を転送します。ガスと液体と「対流熱伝達係数」と呼ばれる経験的に決定される比例定数の温度差に依存する熱伝達の率したがって、蒸発速度2 番目の手順では、新しく気化した液体が凝結を防ぐために対流物質伝達インターフェイスから転送されます。この処理の速度は、インターフェイスとガスの流れのバルク蒸気濃度の違いによって異なります。経験的な比例定数ここ対流物質伝達係数はあります。係数を推定することができますが、彼らは乾燥されている固体とドライヤーのトレイのジオメトリに固有です。さらに、係数は、固体表面の飽和限りのみ有効。後、表面の水分が大幅に低く、固体内の液体の内部の動きが支配的な物質移動メカニズム乾燥速度が低下します。原理がわかれば、乾燥サンプルを見てみましょう。

このデモでは、様々 な温度および気流速度で砂水スラリーの乾燥を示しています。まず、安全上の問題のため乾燥機を確認し、乾湿計、他の測定機器の使用の準備ができていることを確認します。水 150 グラムと砂の 500 グラムを混ぜてスラリーを準備します。トレイにスラリーを注ぎ、均等に広がっていることを確認します。ユニットをオンし乾燥室でトレイを配置し、重量を記録します。送風機、乾燥機に入れます。試験温度と風速を設定します。各試行が最後 45 分 5 分間隔で測定。入口空気温度測定、砂の温度、および出口空気温度にデジタル温度計を使用します。乾球と湿球の温度を測定するため、乾湿計を使用します。最後に、コンセントの風量と重量バランスからを記録します。合計 4 つのユニークな実行設定のセットごとにプロセスを繰り返します。実行が完了したら、湿り空気のグラフまたは同様のツールを使用して、絶対湿度を見つけます。

各試行の蒸発速度は、スラリー重量を時間の関数としてプロットによって決定されました。導電性の熱伝導率で、こうして蒸発速度と正の相関温度上昇.気流速度を増加の対流熱伝達と物質伝達率に関連付けられて、蒸発速度が高まります。空気温度と蒸発速度とだけでなく、空気の流れと蒸発率と正の相関があります。しかし、熱と物質移動係数の実験的相関は予想より弱かった。砂空気インターフェイスまたはトレイの重量上の風速の影響で湿度が可能性があります。

トレイ乾燥は一般的に両方の専門化学生産およびより大きいスケールの製造、労働の費用があまりにも偉大ではない、工業用アプリケーションで適用されます。トレイ乾燥機は、食品加工業界で包装する前に最後の製造ステップとして通常使用されます。食品の品質を制御しながら蒸発の率を高める、乾燥機は温水トレイや高周波加熱などの間接乾燥機構を装備することがあります。加熱条件は、固体材料から分解、歪むか、または割れを防ぐために乾燥サイクル中に変更できます。トレイ乾燥機は、さまざまな量のいくつか異なる食が温度と湿度の条件で乾燥される必要施設で特に便利です。別の乾燥機設計マルチ トレイ トラックを使用します。製薬業界でトラックは時間と労力を削減し、製品の均一性を高める使用されます。このデザインは、recirculators を使用し、気流を制御、デッド ゾーンを避けるため、一貫性のある温度と湿度を維持バッフルします。感熱化学薬品、不活性雰囲気が生成されます。トレイ乾燥流体ベッドまたは回転転落メソッドよりも物理的に穏やかなので、粉末、生薬などの粘着性の結晶材料の乾燥に適しています。

静置式乾燥機のゼウスの概要を見てきただけ。今、トレイ乾燥、導電性トレイ乾燥実験、およびいくつかのアプリケーションのためのプロセスの原理を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。

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