Overview
Source : Michael G. Benton et Kerry M. Dooley, département de génie chimique, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiane
Séchoirs sont utilisés dans de nombreux procédés industriels. La fonction d’un séchoir est d’utiliser des processus de transfert de chaleur à la matière sèche. Il existe une variété de types de séchoir. Adiabatique des sécheuses convection et des contacts directs avec les gaz pour sécher les matières solides, alors que non adiabatique sèche utilise des méthodes autres que le contact des gaz chauffés à sec1, y compris la conduction et rayonnement radiofréquence séchage1. Séchoirs peuvent être utilisés pour les traitements par lots sinon ils en usage continu1.
Dans cette expérience, les effets de la vitesse de l’air et la température sur le taux d’assèchement du sable seront déterminés à l’aide d’un séchoir à plateaux. Trois réglages de puissance différente (1000 W, 1500 W et 2500 W) pour deux débits d’air différentes seront testés, offrant un total de six ensembles de données. D’après les résultats, la chaleur et les coefficients de transfert de masse peuvent être calculées.
Principles
Séchoirs à plateau sont un type de lot, sèche qui contiennent aussi des séchoirs à lit fluidisé, lyophilisateurs et séchoirs sous vide. Plateau des sécheuses convection thermique à l’écoulement d’air chauffé plus solides pour les faire sécher. Ils sont utilisés par diverses industries, y compris pour la production de produits pharmaceutiques et autres produits chimiques1. Séchoirs continus sont en revanche communs aux industries de produit de grand volume, tels que l’industrie alimentaire1.
Pour commencer le processus dans un séchoir à plateaux typique, le plateau est rempli uniformément humide solide, tel que le sable et chargé dans l’appareil. Ventilateur réglable de la sécheuse et le chauffe-eau permettent continu des variations de débit du ventilateur par le canal de séchage et les variations de devoir par incréments de 500 watts de chaleur. Comme la sécheuse fonctionne, l’eau s’évapore du sable dans les airs. Le taux de séchage est ensuite calculé en pesant le mélange solide/eau initiale et en soustrayant le poids du solide sec final et à divers intervalles.
Transfert de chaleur est entraînée par la différence de température entre le sable et l’air ambiant. Droit de chauffage d’un Newton simplifié (équation 1) peut être utilisé pour modéliser le transfert de chaleur entre l’air chaud et l’interface de sable-air pour obtenir un coefficient de transfert thermique expérimental. Autres termes de devoir de chaleur sont négligeables par rapport à l’expression dans l’équation 1,
Équation 1
où q est la chaleur transférée, ṁ est l’eau évaporée dans un montant alloué de temps ou le taux d’évaporation, ∆Hvap est l’enthalpie de vaporisation, hy est le coefficient de transfert thermique, Tair est la température de l’air et Ts est la température à la surface du sable.
Afin d’obtenir un coefficient de transfert de masse expérimentale, le transfert de l’eau dans le sable à l’air sera modélisé dans le transfert de masse traversant une frontière véritable phase. L’équation de vitesse séchage (équation 2) est de ce modèle.
Équation 2
où ky est le coefficient de transfert de masse, C est la concentration de l’eau, et A est la surface de la frontière. Les concentrations d’eau dans le sable (C,s) et air (C∞) seront obtenues en utilisant un bilan massique et graphiques psychrométriques, respectivement. Elles servent à résoudre pour le taux de séchage.
Valeurs théoriques peuvent être comparées aux données expérimentales en calculant les coefficients de transfert de masse et de chaleur. La chaleur théorique (équation 3) et les coefficients de transfert de masse (équation 4) sont obtenus à partir des propriétés des substances en cause de corrélations.
Équation 3
Équation 4
où Re est le nombre de Reynolds, Pr est le nombre de Prandtl, Sc est le nombre de Schmidt, DAB est la diffusivité de l’eau dans l’air, et L est la longueur.
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Procedure
L’expérience se composera de quatre pistes, chacun essai une combinaison différente de l’un des deux paramètres de ventilateur et de la chaleur.
1. fonctionnement de la sécheuse bac
- Préparer le coulis en mélangeant 500 g de sable et à 150 mL d’eau et chargez dans le bac expérimental pour l’unité. Étendre le mélange uniformément dans la barre d’État.
- Avec l’appareil hors tension, placez le plateau dans la chambre de séchage.
- Allumez l’unité principale, puis allumez le ventilateur et le radiateur.
- Régler la vitesse de l’air et la température de chaque série. Les trois vitesses doit être comprise entre 0,8 pi/s à 2,0 ft/s (une haute, moyenne et élevée) avec une température constante autour de 195 ºF. Les trois températures doivent varier de 130-200 ºF avec une vitesse de l’air constante de 1,8 pi/s.
- Prenez des mesures toutes les 5 min sur l’ensemble du tirage, qui devrait durer 45 min. Les données recueillies devraient inclure la température d’admission de l’air, température de sable, sable poids, température d’air de sortie, prise d’air, température du thermomètre sec et humide température du thermomètre. Utiliser les thermomètres numériques pour les relevés de température, paramètres de flux d’air pour le flux d’air, une balance numérique pour poids de sable et un psychromètre fronde pour la température de bulbe humide et sèche.
- Répétez l’opération pour chaque ensemble de paramètres, pour un total de quatre courses uniques.
Plateau de séchage est un processus de transfert de masse couramment utilisé dans l’industrie pour séparer les solides des liquides et de chaleur par convection. Dans bac de séchage, un flux de gaz chaud est passé sous une humidité solid pour vaporiser le liquide. Le processus ne nécessite aucune agitation et permet un contrôle sur la température et d’autres propriétés. La flexibilité du plateau de séchage lui permet d’être utilisé dans la production chimique, pharmaceutique et alimentaire avant l’emballage. Bien qu’apparemment simple, le processus nécessite généralement une expérimentation approfondie afin d’optimiser les conditions de séchage sans endommager la matière solide. Cette vidéo illustre comment une plateau des œuvres séchoir, démontrer une procédure typique pour des essais de séchage et discuter de certaines applications.
Pour commencer, nous allons étudier le fonctionnement d’un séchoir à plateaux. La conception plus simple utilise un cadre métallique rectangulaire composé d’une entrée d’air, ventilateurs, chauffages, un compartiment de lecteur et une prise de courant. Le solide mouillé est chargé dans un bac peu profond, qui est placé dans le compartiment de lecteur. Les ventilateurs et appareils de chauffage forcer un flux de gaz chaud sur le plateau à une température contrôlée avec soin et le débit. Le liquide contenu dans la barre d’État s’évapore et est supprimé du solide. Plateau de séchage est un procédé discontinu, ce qui signifie que l’ajout et la suppression des solides provenant de la sécheuse sont des étapes discrètes qui ne peuvent se produire simultanément. Ses avantages par rapport aux autres méthodes de séchage incluent simplicité et souplesse de fonctionnement et relativement faibles coûts fixes. Ses inconvénients incluent les coûts de main-d'œuvre élevés et consommation d’énergie élevée, bien que ce dernier peut être un peu décalé en filtrant et pré formant le solide. Maintenant que nous avons vu quelques éléments des machines de séchage fonctionne, nous allons étudier comment la séparation se produit.
La séparation du liquide du solide comprend deux étapes. Dans un premier temps, le gaz transfère la chaleur à convection, causant le liquide s’évaporer le liquide. Le taux de transfert de chaleur et donc le taux d’évaporation dépendent de la différence de température entre le gaz et le liquide et une constante de proportionnalité empiriquement déterminée appelée le « coefficient de transfert de chaleur par convection ». Dans la deuxième étape, le liquide vaporisé nouvellement est transféré de l’interface par le biais de transfert de masse convectif pour empêcher la recondensation. Le taux de ce processus dépend de la différence de concentration de vapeur entre l’interface et la majeure partie du flux gazeux. L’ici constante empirique de proportionnalité est le coefficient de transfert de masse convectif. Même si on peuvent estimer les coefficients, elles sont uniques pour le solide est séché et la géométrie de la séchoir à plateaux. En outre, les coefficients ne sont valables que tant que la surface solide est saturée. Après que l’humidité de la surface a été abaissée de manière significative, le taux de séchage diminue comme le mouvement interne de liquide dans le solide devient le mécanisme de transfert de masse dominante. Maintenant que vous connaissez les principes, nous allons voir l’échantillon procédure de séchage.
Cette démonstration illustre le séchage d’une boue de sable-eau à diverses températures et vitesses de l’air. Tout d’abord, vérifiez la sécheuse pour les dangers et que le psychromètre et autres appareils de mesure sont prêts à l’emploi. Préparer le coulis en mélangeant 500 grammes de sable avec 150 grammes d’eau. Versez la pâte dans le plateau et s’assurer qu'elle est répartie uniformément. Allumer l’appareil et placez le plateau dans la chambre de séchage et noter le poids. Ensuite, allumez le ventilateur et la sécheuse. Régler la vitesse de l’air et la température de l’essai. Chaque essai aura dernières 45 minutes avec les mesures prises à intervalles de cinq minutes. Utilisez un thermomètre numérique de mesure température de l’air d’admission, la température de sable et température d’air de sortie. Le psychromètre permet de mesurer la température du thermomètre sec et mouillé. Enfin, enregistrer le débit de sortie et le poids de l’équilibre. Répétez l’opération pour chaque ensemble de paramètres, pour un total de quatre courses uniques. Lorsque la série est terminée, utilisez psychrométriques graphiques ou des outils similaires pour trouver l’humidité absolue.
Le taux d’évaporation pour chaque essai a été déterminé en reportant le poids de la boue en fonction du temps. Augmentation de la température en corrélation positive avec le taux de transfert de chaleur conduction et donc le taux d’évaporation. Augmenter la vitesse de l’air est associée à des taux plus élevés de transfert de chaleur par convection et le transfert de masse et augmente également le taux d’évaporation. Il y a une corrélation linéaire entre les taux de température et de l’évaporation d’air, ainsi qu’entre les taux de flux et de l’évaporation d’air. Cependant, la corrélation expérimentale entre la chaleur et les coefficients de transfert de masse est plus faible que prévu. C’est peut-être à cause de l’humidité relative à l’interface air-sable ou l’effet de la vitesse de l’air sur le poids de la barre d’État.
Plateau de séchage est couramment appliqué dans des applications industrielles, aussi bien dans la production de produits chimiques de spécialité et à plus grande échelle fabrication, où les frais de main de œuvre ne sont pas trop grands. Séchoirs à plateau sont utilisés dans l’industrie de la transformation des aliments, généralement la dernière étape de la fabrication avant l’emballage. Pour augmenter les taux d’évaporation tout en contrôlant la qualité des aliments, la sécheuse peut équipée de séchage des mécanismes indirects, tels que plateaux chauffants et chauffage de radiofréquence. Les conditions de chauffage peuvent être modifiées pendant le cycle de séchage pour empêcher les matières solides de décomposition, déformation ou de fissuration. Séchoirs à plateau sont particulièrement utiles dans les installations où plusieurs aliments différents, préparés dans des quantités variables, doivent être séchés à des conditions particulières de température et d’humidité. Une conception alternative sèche utilise camions plateau multi. Dans l’industrie pharmaceutique, les camions sont utilisés pour réduire le temps et le travail et augmenter l’uniformité du produit. Cette conception utilise des conduits et chicanes pour contrôler le flux d’air, éviter les zones mortes et maintenir l’humidité et température constante. Pour les produits chimiques sensibles, atmosphères inertes sont générés. Plateau de séchage étant physiquement plus doux que le lit fluidisé ou rotatif tumble méthodes, il est approprié pour le séchage de matériaux cristallins collants comme les poudres et drogues brutes.
Vous avez juste regardé introduction de JoVE pour le séchoir à plateaux. Vous devez maintenant comprendre les principes de la barre d’État, un processus pour mener des expériences de séchage de plateau et certaines applications de séchage. Merci de regarder.
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Results
Partir des données recueillies, on trouvera les informations suivantes. Utilisez les tableaux psychrométriques pour déterminer l’humidité absolue, ce qui donne la concentration de l’eau présente dans l’air. Les coefficients de transfert de chaleur peuvent être calculées à l’aide des températures mesurées et l’équation 1. Et enfin, la variation de la masse du sable humide peut être utilisée pour calculer la concentration de l’eau dans le sable.
La teneur en humidité du sable diminue linéairement avec le temps. Comme prévu, le taux d’évaporation s’est avéré pour augmenter avec la plus grande obligation de taux et de la chaleur de flux. Selon leurs équations, la chaleur et les coefficients de transfert de masse sont directement proportionnelles à la vitesse d’évaporation à l’interface air-sable. Les valeurs théoriques de la chaleur et des coefficients de transfert de masse se sont révélés pour avoir une forte corrélation positive avec un R2 de 99 %. Les valeurs expérimentales ne montrés une corrélation faible après le test.
Les relations entre taux de flux et de l’évaporation d’air et la température et l’évaporation taux deux augmentée de façon linéaire (Figure 1, Figure 2). Débit d’air accru (Figure 1) et augmentation de la température (Figure 2) ont tous deux augmenté le taux d’évaporation. Ces graphiques montrent que lorsque l’augmentation de température ou de débit air et de l’autre variable est maintenu constant, le taux d’évaporation augmentera à un rythme équivalent et suivre une tendance linéaire positive. Le test de variation de débit air était une mesure de transfert de chaleur par convection, tandis que l’essai de variation de température est une mesure du transfert de chaleur conduction. La somme des deux tests montre que les deux transfert de chaleur par convection et conduction suivent une relation linéaire avec le taux d’évaporation.
Figure 1 : Représentation de la relation entre taux de vitesse et de l’évaporation air, qui augmente de façon linéaire.
Figure 2 : Représentation de la relation entre le taux de la température et de l’évaporation, ce qui augmente de façon linéaire.
Il existe de nombreuses sources d’erreur dans les mesures avec les plus grandes sources d’erreur étant l’humidité relative et la température de l’interface air-sable. En outre, air flux taux effet sur le poids de la barre d’État a été jugé sans importance mais c’est une source d’erreur. Certains de cette erreur peuvent avoir également réduit la corrélation entre la chaleur et les coefficients de transfert de masse. Ces coefficients ont été calculés théoriquement et avérés être corrélés. Toutefois, les données expérimentales ne montrent pas une tendance significative, bien qu’il soit théoriquement similaire.
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Applications and Summary
Un séchoir à plateaux a été utilisé pour mesurer le taux d’assèchement du sable en ce qui concerne le transfert de chaleur par convection et conduction. Utilisation de la sécheuse à trois niveaux de puissance différents et deux débits différents, six ensembles de données expérimentales ont été trouvés. Des mesures ont été prises par pesant le mélange sable/eau à intervalles de cinq minutes.
Cette expérience fait usage du droit de chauffage de Newton, séchage modélisation des taux et de chaleur et de transfert de masse de modélisation. Les coefficients de transfert de masse et de chaleur ont été déterminées à l’aide d’un modèle de couche limite. Théoriquement, la chaleur et les coefficients de transfert de masse montrent une très forte corrélation linéaire positive. Même si les résultats expérimentaux ont montré une tendance positive aussi bien, les données étaient trop imprécises pour afficher aucune corrélation significative entre les deux.
Plateau de séchage peut être utilisé dans une variété de domaines. Un tel champ est des produits pharmaceutiques. Dans l’industrie pharmaceutique, séchoirs à plateau servent à sécher beaucoup de différents matériaux de base, y compris collante, granulaire et de matériaux cristallins2. De nombreux plastiques utilisés dans l’industrie pharmaceutique peuvent être séchés en séchoirs de bac2. En outre, les précipités, pâtes et autres masses humides peuvent être séchés avec un séchoir, ainsi que de médicaments bruts, produits chimiques, poudres et granules de tablette à plateaux. Même certains équipements est séché dans le sèche-linge2. Séchoirs à plateau offrent de nombreux avantages à cette industrie, car ils sont utilisés pour les lots, qui peuvent varier en taille et être manipulés sans pertes2. Les sécheurs sont également facilement ajustés pour accompagner d’autres matériaux dans une manière efficace2. Dans certains cas, séchoirs de plateau dans le vide sont utilisés pour sécher les produits sensibles comme les vitamines2chaleur.
Séchoirs à plateau sont également utilisés en agro-alimentaire3. Nourriture peut étaler finement et uniformément sur les plateaux pour le séchage3. Selon le type d’aliment, on peut procéder par chauffage avec de l’air se déplaçant à travers les plateaux, conduction de plateaux chauffants ou des étagères, ou forme de rayonnement autres chauffé surfaces3. Air peut être utilisé avec l’avantage additionnel d’éliminer les vapeurs humides, même si cela peut être un problème pour certains aliments3.
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References
- "Solids Drying: Basics and Applications - Chemical Engineering." Chemical Engineering Solids Drying Basics and Applications Comments. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
- "Pharmainfo.net." Tray dryer by Saraswathi.B. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
- "Unit Operations in Food Processing - R. L. Earle." Unit Operations in Food Processing - R. L. Earle. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
