Problematika fluidního sušení ionexu

Transkript

1 Problematika fluidního sušení ionexu Ing. Michal Pěnička Školitel: Doc. Ing. Pavel Hoffman CSc. Abstrakt Tento příspěvek pojednává o problematice fluidního sušení ionexu. Ukazuje průběh fluidního sušení a vývoj typů fluidní vrstvy v průběhu sušení a jejích úskalí. Dalším tématem této práce je změna průměru částice ionexu v průběhu sušení a závislost průměru částice na relativní vlhkosti částice. Průměr částice je konstantní do relativní vlhkosti 45% a poté průměr částice lineárně klesá až do vlhkosti 1% odkud zůstává opět konstantní. Lepivost částic mizí okolo relativní vlhkosti 4%, kde mizí volná povrchová voda. Klíčová slova ionex, fluidní sušení, sušící křivka, smršťování částic 1. Úvod Firma Productconsult s.r.o. řeší problém sušení ionexu, který je používán k výrobě speciálních membrán. 6kg koupeného ionexu od výrobce je nasypáno do zařízení, kde je promýván demineralizovanou vodou. Po procesu promytí má ionex relativní vlhkost 65% a je silně lepivý. Pro další využití má mít ionex vlhkost 1,5% a tak je v promývacím zařízení profukován horkým vzduchem o teplotě 12 C o rychlosti 3 3,5m/s. Po jedné hodině ionex přestává lepit a dostává se do vznosu či začíná ulétávat z promývacího zařízení. Úletu částic brání síťovina. Po více jak další hodině sušení je ionex dosušen na požadovanou vlhkost a jde do dalšího procesu na zpracování. Konečná hmotnost vsádky usušeného ionexu je okolo 27kg. 2. Materiál a metoda 2.1. Ionex Ionex je polymerová pryskyřice se schopností vyměňovat ionty mezi iontovou fází a roztoky elektrolytů. Rozdělují se na katexy (měniče kationtů) a anexy (měniče aniontů). V experimentech byl použit ionex s obchodním názvem Marathon A, který je monodisperzní a monosférický s rozmezím průměru částice 575±5 µm. Maximální operační teplota je C jinak dochází k degradaci materiálu. Pro určení druhu fluidní vrstvy při sušení byl použit diagram, který je na Obr. 1 [2]. Lze vidět, že při sušící rychlosti, která mezi rychlostí fluidace u mf a rychlostí úletu částice u t, se vytvoří bublající fluidní vrstva. Průběh sušení je zobrazen na h-x diagramu Obr. 2 [1, 3], kde lze vidět ohřev sušícího vzduchu z bodu na bod 1 a z bodu 1 do bodu 2 sušení částic čili snížení teploty a zvýšení vlhkosti odcházejícího sušícího vzduchu.

2 u* 1 1,1 Bublající fluidní AKTUÁLNÍ BOD TEPLOTA C t = C 2 ϕ = %,1,1,1 1 1 d p * Obr. 1 - Diagram fluidního sušení d p * u * MĚRNÁ VLHKOST g H 2 O / kg s.v Obr. 2 - Průběh sušení v h-x diagramu Pro určení hodnot bezrozměrné veličin a to velikost částice a pracovní rychlost, byly použity rovnice (1) a (2): d =D... u =u... Po dosazení středních hodnot vlastností vzorku ionexu Marathon A a vlastnosti sušícího vzduchu pro teplotu 8 C a rychlost 2ms -1 do rovnic (1) a (2) dostaneme rovnice (3) a (4) to za předpokladu, že tyto hodnoty jsou v průběhu sušícího procesu neměnné: d =D... u =u... (1) (2) =575 1,,,, =16 (3) =2,,,, =5 (4) Bezrozměrná rychlost na mezi úletu a na mezi fluidace je určena podle: u = +,, u =u... (5) (6) kde u mf je určeno z: pro Reynoldsovo číslo platí: u =, u =, (7) Re, =33,7 +,48.Ar, 33,7 (8)

3 kde Ar je Archimédovo kritérium a to 2.2. Experimentální zařízení Ar= (9) Schéma experimentálního zařízení je na Obr. 3. Tlakový vzduch o známé teplotě a vlhkosti je veden z centrálního vzduchového rozvodu. Průtok vzduchu je řízen regulačním tlakovým ventilem a měřen rotačním průtokoměrem. Za průtokoměrem je vzduch zahříván topením s odporovými dráty, kde výkon jednotky je řízen ručně pomocí transformátoru. Teplota ohřátého vzduchu je měřena před fluidní komorou dotykovým teploměrem. Na vstupu do fluidní komory je umístěn U-manometr pro měření tlakové ztráty na fluidním loži. Fluidní komora je skleněný válec o rozměrech 9 57 mm (d h). Snímač pro odečet vlhkosti a teploty sušícího vzduchu za komorou je umístěn 3mm nad dnem komory. Vlhkoměr + Teploměr Rotametr Topení Fluidní komora U-manometr Vzduchový rozvod Teploměr Obr. 3 - Schéma experimentálního zařízení 2.3. Postup měření Byla provedena série měření při různých průtocích studeného sušícího vzduchu a to 5, 6 a 7 l/h. Teplota před komorou a vlhkost s teplotou za komorou byla odečítána automaticky každou minutu za pomocí počítače. Každých 1 minut byl odebírán vzorek sušeného materiálu a současně s odebíráním vzorku byla odečtena tlaková diference na U- manometru. Z odebraného vzorku byla zjištěna relativní vlhkost materiálu v příslušném čase a pomocí mikroskopu zjištěn průměr částic při známé vlhkosti. Pro simulaci vibro-fluidní sušárny byl kompaktní materiál rozbíjen občasným zamícháním hlavně v prvních fázích sušení.

4 3. Výsledky 3.1. Vývoj fluidní vrstvy během sušení Na Obr. 4 je průběh teplot při sušení ionexu Marathon A při průtoku 7 l/h studeného vzduchu. Počáteční vlhkost ionexu je 58,6% a po 18 minutách sušení byla dosažena vlhkost 1,28%. 12 A B C D E F Teplota [ C] Čas [min] Teplota před komorou Teplota za komorou Teplota nad fluidní vrstvou Teplota na loži Obr. 4 - Průběh teplot během experimentu Během sušícího procesu byly snímány teploty před komorou a 3 cm nad dnem fluidního lože (viz Obr. 3). Kontrola teplot sušícího vzduchu ukázala, že pokles teploty činí 2% od teploměru před komorou ke dnu fluidního lože a 4% od teploměru k vlhkoměru umístěnému ve fluidní komoře. Za kolísavý stav teploty může zapínání a vypínání kompresoru na vzduchovém rozvodu a nedokonalá regulace tlakového ventilu. A B C D E F Vlhkost [%] Vlhkost za komorou Čas [min] Vlhkost materiálu Vlhkost vstupujícího vzduchu Obr. 5 - Průběh vlhkostí během experimentu Obr. 5 ukazuje průběh vlhkostí sušícího vzduchu a sušeného materiálu během experimentu. Vlhkost sušícího vzduchu na vstupu do fluidní komory je dopočítána z vlastností studeného vzduchu ze vzduchového rozvodu za předpokladu, že tyto vlastnosti jsou po celou dobu experimentu neměnné. Tlakový odpor způsobil pokles průtoku vzduchu a tím i pokles rychlosti sušení v oblasti B. V oblasti C se tlakový odpor sníží a tím se zvýší rychlost sušícího vzduchu tudíž je rychlejší pokles vlhkosti materiálu.

5 ,6 A B C D E F Průměr částice Dp[mm],55,5,45, Čas [min] Obr. 6- Změna průměru částice během experimentu Změnu průměru částice během měření ukazuje graf na Obr. 6 a vývoj tlakové diference na fluidním loži je na Obr. 7. Kolísání tlakové ztráty v úseku B je způsobeno výše zmíněným ručním promícháváním vsádky. Tlaková ztráta na loži p [Pa] A B C D E F Čas [min] Obr. 7 - Změna tlakové ztráty během experimentu Na grafech na Obr. 4 až Obr. 7 jsou vidět oblasti A až F. Oblast A je počáteční a zde se ustalují měřené veličiny jako teplota v celé soustavě a sušený materiál se začíná ohřívat na teplotu mokrého teploměru. V oblasti B je sušený materiál ohřátý a začíná se odvádět povrchová vlhkost ze sušeného materiálu jak je vidět na klesající vlhkosti sušeného materiálu a konstantní vlhkosti odváděného sušícího vzduchu Obr. 5. V této části je sušený materiál velice kompaktní kvůli volné povrchové vodě. Tato voda vyplňuje póry a pomocí povrchového napětí udržuje sušený materiál v jednom celku. V oblasti B se vytváří pístová fluidace, která je nežádoucí. Při porušení pístové fluidace vzniká kanálová fluidní vrstva a její vliv je vidět na tlakové diferenci na fluidním loži Obr. 7. V oblasti C je vrstva povrchové vody tenká a přitažlivé síly menší, takže proud sušícího vzduchu je dokáže roztrhnout a začíná vznikat tryskající fluidní vrstva. Voda obsažená v materiálu začíná difundovat na povrch do povrchové vrstvy a průměr sušených částic se zmenšuje jak je vidět na Obr. 6. Vytvářející se tryskající vrstva má za následek pokles tlakové ztráty na fluidním loži Obr. 7

6 V oblasti D vrstva povrchové vody se stává velice tenkou a tím přestává být materiál kompaktní a vznikne bublající fluidní vrstva. Této jev lze pozorovat na Obr. 7 kde tlaková ztráta zůstává konstantní. Pokračující zmenšování průměru sušené částice Obr. 6 dokazuje, že vlhkost stále v dostatečném množství difunduje z materiálu na povrch a proto je vlhkost odváděného sušícího vzduchu stále konstantní Obr. 5. Přibližně konstantní tlaková ztráta Obr. 7 dokazuje, že v oblasti E je vyvinutá bublající fluidní vrstva. Průměr sušené částice zůstává konstantní Obr. 6. Jelikož vlhkost nedifunduje materiálem v dostatečném množství, má to za následek klesají obsah vlhkosti ve vyfukovaném sušícím vzduchu Obr. 5 a nárůst teploty Obr. 4, který se přibližuje teplotě sušícího vzduchu na vstupu. Při dosažení vlhkosti materiálu 1,5% bylo vypnuto topení a tím vzniká oblast F. V této oblasti vzduch z rozvodu vychladí celou soustavu. Na Obr. 4 lze vidět pozvolný pokles teploty ve fluidní komoře a ten je způsob tepelnou kapacitou ohřátého sušeného ionexu. Obr. 8- Mikroskopická fotka ionexu - vlevo 65% rel. vlhkost a vpravo % rel. vlhkost 3.2. Smrštivost Na Obr. 8 lze vidět mikroskopickou zvětšeninu ionexu po pracím procesu, kde relativní vlhkost je 58 65%. V tomto počátečním stavu, lze vidět částice ionexu v maximální velikosti s volnou vodou na povrchu a mezi póry. Lze také pozorovat, jak povrchové napětí vody drží částice ve skupinách a tvoří tak kompaktní celek. Na druhé fotografii lze vidět částice ionexu po vysušení, kde relativní vlhkost je %. Dp[mm],6,5 Dp[mm],7,6,5,4 : :2 :4 1: 1:2 1:4 2: 2:2 τ [h:mm] Obr. 9 - Závislost průměru částice ionexu na době sušení,4,3 % 1% 2% 3% 4% 5% 6% ϕ[%] Obr. 1 - Závislost průměru částice ionexu na relativní vlhkosti

7 Závislost změny průměru částice ionexu v průběhu sušícího procesu ukazuje Obr. 9, kde lze vidět, že průměr částice je prvních 5 minut konstantní a pak se začíná zmenšovat a po dvou hodinách sušení zůstává znovu konstantní v závislosti na relativní vlhkosti částic ionexu. Změnu průměru částice ionexu během sušení ukazuje graf na Obr. 1, kde lze pozorovat z počátku konstantní průběh, kde se odpařuje volná povrchová voda. Od vlhkosti 45 5% se začíná průměr částice zmenšovat vliv úbytku vody obsažené v částici až do vlhkosti 1%. Od této vlhkosti je opět konstantní průměr a částice ztrácí vlhkost difúzí vody z materiálu. 4. Závěr Během fluidního sušení ionexu se ukázalo postupné vytváření fluidní vrstvy. Na počátku sušení jsou částice velice lepivé a tvoří kompaktní celek, který zabraňuje vytvoření fluidní vrstvy a tím rovnoměrnému sušení částic. Pravidelným narušováním tohoto celku byla simulována vibro-fluidní sušárna. Po snížení vlhkosti částic pod 45% se vytvořila tryskající vrstva přecházející do bublající fluidní vrstvy. Materiálu byla snížena vlhkost z 58% na 1,3% během 18min sušení při průtoku 7l/h studeného sušícího vzduchu. Konstantní průměr částice je do relativní vlhkosti 45%, kde se při sušení odpařuje volná povrchová voda. Od 45% do 1% průměr částice lineárně klesá a poté zůstává opět konstantní. S povrchovou vodou souvisí lepivost částic a ta mizí okolo relativní vlhkosti 4%. Pro zlepšení sušícího procesu by bylo vhodnější předsušit částice jinou metodou a až po ztrátě lepivosti dosušit fluidní metodou na požadovanou vlhkost.

8 Seznam použitých symbolů D p Průměr částice [m] d p * Bezrozměrný průměr částice [-] ρ Hustota [kg. m -3 ] µ Dynamická viskozita [Pa. s] g Gravitační zrychlení [m 2. s -1 ] u Rychlost sušícího vzduchu [m. s -1 ] u * Bezrozměrná rychlost sušícího vzduchu [-] u t Úletová rychlost sušícího vzduchu [m s -1 ] u t * Bezrozměrná úletová rychlost sušícího vzduchu [-] u mf Rychlost sušícího vzduchu na mezi fluidace [m s -1 ] u mf * Bezrozměrná rychlost sušícího vzduchu na mezi fluidace [m s -1 ] Re Reynoldsovo kritérium [-] Ar Archimédovo kritérium [-] Seznam použité literatury 1. kol., Jelínek Luděk a. Desalinační a separační metody v úpravě vody. 1st ed. Praha : VŠCHT Praha, Kunii, Daizo a Levenspiel, Octave. Fluidization Engineering. Stoneham : utterworth- Heinemann, Arun S. Mujumdar. Handbook of industrial drying. NewYork:Dekker, 1995.