Методика проведения экспериментов

Высушиваемый материал 4 помещается на чашу весов 6 и подвергается высушиванию одним из пяти возможных способов. Кривая сушки (изменение массы материала по времени) регистрируется компьютером вместе с показаниями всех других датчиков. Сравнивая параметры кривых сушки при различных значениях регистрируемых параметров и при различных способах сушки, делаются выводы о влиянии этих факторов на исследуемый процесс.

Особое внимание в экспериментах обращается на демонстрацию процесса термодиффузии. Это реализуется сравнением результатов измерений параметров сушки в экспериментах, различающихся температурой в печи. При резком повышении температуры печи влажность отходящего воздуха должна уменьшиться до уровня, соответствующего более сухому изделию, а масса не должна измениться, что имеет место при отсутствии сушки.

Форма отчетности:

1. Название, цель, задачи работы.

2. Составить краткую характеристику процессу сушки, ответив на вопросы:

- Какие этапы сушки существуют?

- Как влага связана с материалом?

3. Заполнить табл. 5.1.

4. Описать процесс самостоятельно проведенной сушки хлеба, описать его особенности.

5. По результатам сушки изделий разной формы и разных способов сушки начертить график и сделать выводы о качестве высушенного изделия, сложности осуществления и скорости сушки.

Контрольные вопросы

1. Расскажите о физических основах процесса сушки.

2. Какие вам известны способы связи влаги с высушиваемым материалом?

3. Что такое термодиффузия и как она влияет на сушку?

4. Что является обобщенной движущей силой сушки?

5. Что является обобщенной движущей силой процесса диффузии влаги из глубины высушиваемого материала?

6. Почему на морозе хорошо сохнет мокрое белье?

7. Для чего воздух в сушилках подогревают?

8. Почему наружная поверхность влажного изделия может подгореть при сушке?

Таблица 5.1

Результаты проведенных опытов

№ опыта	Описание способа сушки	Форма, мате-риал, Пло-щадь поверх-ности	tнач, оС Начальная температура	Началь-ная масса Мнач, г	tнач, мин Время проведения опыта	Мкон, г Масса продукта после каждого промежут-ка времени	DМ, г Убыль массы	Конечная температура Описание внешнего вида и органолеп-тическая оценка вкусовых качеств высушенного продукта tкон, оС	Wкон, % Конеч-ная влаж-ность продукта
		Пласти-на из ржаного хлеба, м2
Куб из ржаного хлеба, м2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ

Цель работы: изучение процессов фильтрования.

Задачи работы:

1. Иллюстрировать условия перехода шламового фильтрования в закупорочное и обратно.

2. Изучить закономерности фильтрационных течений с несжимаемым и сжимаемым осадком.

3. Изучить саморазгружающуюся фильтрующую центрифугу.

4. Изучить особенности конструирования закупорочного фильтра для фильтрования воды.

Теоретические основы

Фильтрование – это процесс разделения неоднородных систем с твер­дой дисперсной фазой (суспензий и пылей), основанный на задержании твердых частиц по­ристыми перегородками.

Шламовое и закупорочное фильтрование – две основные группы, на которые разделяют процессы фильтрования. В процессах первой группы основное фильтрование проис­ходит на шламе, отложившемся поверх фильтрующего материала. Устья пор фильтрующего материала при этом перекрываются частицами дисперсной фазы, и их слой нарастает в процессе фильтрования. По мере его нарас­тания увеличивается также и сопротивление фильтра. Наличие в фильтруемой суспензии коагулирующих и пептизирующих веществ может во много раз увеличить сопротивление осадка. Шламовое фильтрование реализуется для маловязких жидкостей, содержащих большое количество взвешенных частиц. В этом случае слой шлама на поверхности фильтрующего материала быстро нарастает. В начале процесса, когда слой фильтрата невелик, наблюдается проскок частиц через фильтр.

Закупорочное фильтрование реализуется при малом размере частиц и их небольшом количестве. В связи с малым количеством частиц шлам на поверхности фильтрующего материала не образуется в течение длительного времени. В этом случае единственно эффективным является задерживание частиц внутри пор фильтрующего материала.

Часто реализуется комбинированное протекание и шламового и закупорочного фильтрования.

Максимальный размер частиц, которые проходят через фильтр не задерживаясь, называется порогом фильтрования.

Расчеты фильтрования.Производительность фильтрования определяется в зависимости от влияющих на нее факторов. Скорость фильтрования (Q) рассчитывается как объемный расход жидкостиV/τ через единицу поверхности (F) фильтра:

.

Перепад давлений на фильтре ΔР может рассчитываться по одной из трех приведенных далее формул в зависимости от условий течения:

где V – скорость течения жидкости, м/с;

L – длина трубопровода или фильтровальной перегородки, м;

d – диаметр трубопровода или пор фильтра, м;

ρ – плотность фильтруемой жидкости, кг/м³;

μ – динамическая вязкость фильтруемой среды, Па·с;

λ – коэффициент трения Дарси.

В этом выражении произведение (λL) представлено суммой соответствующих произведений для чистой фильтрующей перегородки и осадка на ней, для которого соответствующие величины обозначены индексом «ос». Это соответствует представлению суммарного сопротивления фильтра с осадком на нем в виде последовательно соединенных сопротивлений перегородки и осадка.

Если осадок сжимается под действием перепада давлений на нем, это учитывается зависимостью l_ос = l_ос,o·(ΔР)ⁿ, в которой n – показатель сжимаемости осадка. Если этот показатель не равен нулю, сопротивление осадка увеличивается с увеличением перепада давлений на фильтре со шламом и может достичь весьма больших размеров, вплоть до полного закупоривания фильтра.

Закупорочное фильтрование происходит либо до полного закупоривания фильтрующего элемента осадком, либо до уменьшения расхода фильтрата через него на заданную величину.

Представим, что фильтр состоит из капилляров начального диаметра d_o и длинойL, которые через интервал времени t уменьша­ются за счет отложения на их стенках осадка до диаметра d. Толщина слоя осадка равна . Если число капилляров равно z, и через фильтр прошел фильтрат объемом dW при концентрации твердых частиц С в нем, то имеет место баланс объема осадка в виде:

.

Знак минус в правой части означает, что уменьшение r приводит к увеличению объема отложившегося осадкаW.

Проинтегрируем это уравнение по времени рассматриваемого про­цесса, что соответствует интегрированию левой части от нуля до W₁, а правой – от r_o до r_1. Получим:

Скорость (V) движения жидкости в капиллярах связана с перепа­дом давления (ΔР), их размером (d) и вязкостью ( ) законом Пуазейля:

Из уравнения Пуазейля следует, что в момент начала фильтрования ( ) и в произвольный момент ( ) имеют место соотношения:

С учетом этих соотношений выражение дляW₁ примет вид:

.

Если фильтрование ведется до полной закупорки, то V₁=0, r₁=0. Тогда

Максимальное количество фильтрата , которое мо­жет быть пропущено через фильтр при закупорочном фильтровании, рав­но объему пор (W_п), деленному на объемное содержание осадка в жидкости (C):

где Q – объемный расход суспензии, м³/с;

τ_max– время работы фильтра, с;

C–концентрация твердой фазы в суспензии, кг/м³.

Для закупорочного фильтрования важен выбор фильтрующего материала. Он должен иметь такие поперечные размеры пор, которые согласуются с размерами задерживаемых частиц. Важен также правильный выбор объемов фильтрующего материала, занятых соответствующими порами.

Если в качестве фильтрующего материала взять мелкопористую пластину, размер пор которой меньше размеров всех задерживаемых частиц, фильтр с таким фильтрующим материалом будет работать эффективно, но недолго. Крупные частицы относительно быстро закупорят первый по ходу фильтрата слой пор, и расход через фильтр недопустимо снизится вплоть до полного закупоривания. Более глубоко расположенные слои фильтрующего материала останутся незаполненными фильтруемыми частицами. Этот пример говорит о том, что фильтрующий материал должен специально конструироваться для фильтрования конкретных суспензий.

Фильтрующий материал должен иметь поры, поперечные размеры которых уменьшаются по ходу фильтрата. При этом более мелкие частицы задерживаются более глубоко расположенными порами.

Описание экспериментальной установки. Экспериментальная установка (рис. 6.1)состоит из отдельных блоков, включающих:

– иллюстрации шламового и закупорочного фильтрования, блок 1;

– изучения сжимаемости осадка, блок 2;

– саморазгружающейся фильтрующей центрифуги; блок 3

– фильтров различной проницаемости для очистки воды, блок 4.

Блоки установки действуют независимо друг от друга.

Рис. 6.1. Принципиальная схема установки:

а– блок иллюстрации шламового и закупорочного фильтрования; 2 – блок изучения сжимаемости осадка; 3 – блок саморазгружающейся фильтрующей центрифуги; 4 – блок водяных фильтров; 5 – бак с водой; 6 – насос;7 – гидроаккумулятор; 8 – кювета с несжимаемым осадком; 9 – кювета со сжимаемым осадком; 10 – мерная емкость воды; 11 – весы

Иллюстрации шламового и закупорочного фильтрования (рис.6.1, блок а) состоит из двух стеклянных цилиндров с перфорированной перегородкой и заслонкой между ними. В нижнем стеклянном цилиндре находятся крупные шарики, имитирующие крупнопористую фильтрующую среду. В верхнем – более мелкие пластмассовые частицы.

При открывании заслонки на небольшую величину мелкие частицы малым потоком попадают на имитатор фильтрующей среды и фильтруются в нем закупорочным способом, т.е. проходят на большую глубину до тех пор, пока не используется вся емкость фильтрующего слоя. После этого мелкие частицы собираются на поверхности фильтрующего слоя. Повернув блок на 180^о при открытой заслонке, восстанавливают исходное состояние блока.

При открывании заслонки сразу на большую величину, имитируют поступление на фильтрующий слой высококонцентрированной суспензии. При этом малое количество мелких частиц проходит в фильтрующий слой, а основное их количество образует шлам и задерживается на поверхности фильтрующего слоя. Исходное состояние блока восстанавливается так же поворотом на 180^о.

Блок изучения сжимаемости осадка представляет собой автономную систему подачи воды для проливки экспериментальных кювет в виде прозрачных патрубков. Кюветы подключаются к системе питания водой поочередно. Измеряются их напорно-расходные характеристики. Расход жидкости измеряется весовым способом. Измеряя с помощью компьютера массу сосуда с водой, сливающейся в нее из измерительной кюветы, пересчитывают ее численным дифференцированием в расход.

Для иллюстрации сжимаемости осадка и влияния сжимаемости на расход воды в кювету между двух перфорированных перегородок засыпан слой резиновой крошки. При определении напорно-расходной характеристики этой кюветы видно, что расход воды уменьшается с увеличением перепада давлений. Это объясняется сжимаемостью осадка. В процессе эксперимента по шкале, нанесенной на кювету, визуально наблюдают сжатие осадка. После окончания эксперимента осадок выталкивается ко входу кюветы шомполом; при этом он восстанавливает свои свойства.

Для иллюстрации течения через несжимаемые среды проливается вторая кювета с несжимаемым осадком (песком).

Саморазгружающаяся фильтрующая центрифуга демонстрирует фильтрование через вращающееся коническое сито с выбросом осадка по его конической поверхности за счет центробежных сил.

Блок фильтров для очистки воды представляет собой три последовательно соединенные фильтра различной проницаемости. В лабораторной работе определяются зависимости степени очистки воды от диаметра пор фильтрующих элементов (картриджей), от емкости фильтров, от перепадов давления на фильтрах и от расхода воды. Делаются выводы о необходимости согласования пористости фильтров и размеров фильтруемых частиц из условия рационального заполнения объема фильтра частицами, т.е. из условия повышения его емкости.