Методика проведения эксперимента
1. Приготовить навески по десять грамм в виде стружки и целого кубика из красной свеклы.
2. Разместить в стаканы.
3. 
| Конечный рафинат |
| Е3 |
| Рис.4.8. Схема многоступенчатой экстракции |
| Конечный экстракт |
| Исходный раствор |
| Растворитель |
Промаркировать их следующим образом: ГС – стружка залитая горячей водой и не перемешивается; ГС¥– стружка залитая горячей водой и постоянно перемешивается; ГК – куб залитый горячей водой; ГК¥– куб залитый горячей водой с постоянным перемешиванием; ХК – куб залитый холодной водой ; ХК¥– куб залитый холодной водой с постоянным перемешиванием; ХС – стружка залитая холодной водой; ХС¥– стружка залитая холодной водой и постоянным перемешиванием; КК – куб залитый водой комнатной температуры; КК¥– куб залитый водой комнатной температуры и постоянным перемешиванием; КС – стружка залитая водой комнатной температуры; КС¥– стружка залитая водой комнатной температуры с постоянным перемешиванием.
4. Подготовить воду. По 600 мл горячей (+70оС), холодной (+1 оС), комнатной температуры воды.
5. Залить воду по 150 мл в соответствии с маркировками в стаканы с горячей, холодной и комнатной температурами. Через каждые 2 минуты проводить балльную оценку измененного цвета (за 0 принять цвет воды, а за 1 – цвет свеклы).
6. В соответствии с маркировкой ¥ постоянно перемешивать палочкой полученный состав в стакане.
7. Заполнить табл.4.1.
8. Построить график изменения цвета по каждому сосуду.
9. Написать выводы по результатам экстрагирования: отвечая на контрольные вопросы.
10. Выбрать схему экстрактора из методического пособия и подробно описать его принцип действия.
Контрольные вопросы:
1. Как называется изучаемый процесс (с подробным описанием увиденного)?
2. Что является движущей силой процесса?
3. Какие основные параметры влияют на скорость процесса(указать по мере значимости для процесса)?
Таблица 4.1
| Маркировка стака-на | М, г Масса навес-ки | V, мл, Объем жидкос-ти | to=0, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы | to=2, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы | to=4, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы | to=6, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы | to=8, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы | to=10, мин, t, оС темпера-тура воды, баллы | Цвета жидкости, описание и баллы |
| ХК | |||||||||
| ХК¥ | |||||||||
| ГК¥ | |||||||||
| ГК | |||||||||
| КК¥ | |||||||||
| КК | |||||||||
| ГС¥ | |||||||||
| ГС | |||||||||
| ХС¥ | |||||||||
| ХС | |||||||||
| КС¥ | |||||||||
| КС |
Результаты эксперимента
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ
Целью работы: повышение уровня знаний о сушке и способах экспериментального построения кривых сушки.
Задачи работы:
1. Закрепить представление о сушке;
2. экспериментально построить кривые сушки при различных способах ее организации: конвективной, сушке в поле СВЧ-излучения, сушке в поле инфракрасного излучения.
Теоретические основы
Сушка – это процесс разделения однородных или неоднородных систем, заключающийся в удалении влаги с использованием тепловых и диффузионных явлений [3]. При сушке влага материала передается сушильному агенту и вместе с ним удаляется из рабочей зоны сушилки.
При феноменологическом описании процесса сушки в качестве обобщенной действующей силы принимают разность концентраций влаги ΔС в фактическом С и равновесном Ср состояниях системы
ΔС=С – Ср.
Фактическая ее концентрация С изменяется в процессе сушки, а равновесная Ср является константой и определяется как состоянием продукта, так и влажностью окружающей среды. При помощи воздуха с определенной влажностью невозможно удалить из материала всю влагу.
При конвективной сушке влага перемещается от центра материала к поверхности, с которой она удаляется сушильным агентом. Это – диффузионный процесс; его движущей силой является разность концентраций влаги на единице длины окружающей среды ( 
). Поэтому феноменологическое выражение для влагопереноса mw можно записать в виде:
, кг/с,
где F – омываемая поверхность материала, м2;
D1 – постоянная, называемая также феноменологическим коэффициентом или коэффициентом диффузии.
Влага, находящаяся в порах материала, и осмотически связанная влага мигрируют к поверхности в жидком виде, а адсорбционно связанная – в виде пара.
Процесс сушки включает нагревание сушильного агента и приведение его в соприкосновение с высушиваемым материалом в сушильной камере. Это вызывает отъем влаги сушильным агентом от материала, который включает три этапа:
1) влагоотдача с поверхности материала сушильному агенту, сопровождающаяся осушением поверхностных слоев материала и переходом пара в окружающую среду;
2) перемещение пара в окружающей среде;
3) диффузия влаги из глубины тела к поверхности.
Первый из этих процессов побуждает два других как следствие. Испарение влаги возможно как внутри тела, так и на его поверхности. В обоих случаях дальнейшее движение испаренной влаги происходит от поверхности.
На поверхности материала образуется воздушно-паровой слой, который находится в равновесии с влагой материала; он является насыщенным при температуре материала. Движущая сила диффузии влаги с поверхности материала в окружающую среду – разность парциальных давлений (ΔP) водяного пара в пограничном слое (Pн) и в окружающей среде (Pв):
= Рн–Рв.
Парциальное давление пара в пограничном слое материала называют давлением насыщенного пара.
Феноменологическая зависимость массового расхода диффундирующего пара (m) от этих параметров имеет вид:
m= 
1×(Рн–Рв)× 
, кг·Па/с,
где В1= сonst,
или в величинах относительных давлений:
m= × 
× , кг·Па/с,
где В= сonst,
Рбар – барометрическое давление окружающей среды, Па.
Последнее выражение называется законом Дальтона для испарения с влажной поверхности. Постоянная В в нем равна 0,007 кг/(с·м2) при скорости обдувающего воздуха до 0,58 м/с и 0,011 при скорости обдува 1,57 м/с.
Расход влаги должен быть равен потоку влаги, подведенному изнутри к поверхности. Изменение этого потока влаги или связанных с ним величин во времени называют кривыми сушки. На рис. 5.1а изображена кривая сушки, а на рис. 5.1б – производная по времени от нее, или кривая скорости сушки.
В начале сушки материал подогревается, и скорость массового потока удаляемой влаги возрастает от нуля до некоторой постоянной величины. В этот период удаляется влага, механически связанная с материалом (поверхностная и капиллярная). Процесс продолжается до т. К1 на кривой скорости сушки. В этот период температура материала, покрытого влагой, равна температуре мокрого термометра. Во втором периоде скорость сушки уменьшается. В этот период удаляется влага, более прочно связанная с материалом, в частности осмотическая, адсорбированная химически связанная. Зависимости изображенной на рис. 5.1б, соответствуют кривые: 1 – для грубопористых материалов; 2 – для тканей, кожи, макаронного теста; 3 – для пористых керамических материалов; 4 – для сухарей; 5 – для глины.
а б
Рис. 5.1. Кривые сушки (а) и скорости сушки (б)
Wкр– критическая влажность, Wр – равновесная влажность
1 – для грубопористого материала; 2 – для ткани, коже; 3 – для
пористой керамики; 4 – для сухарей; 5 – для глины
На кривой скорости сушки можно видеть одну или две критические точки K1 и K2. Обе они соответствуют изменению механизмов удаления влаги: до точки К1 удаляется поверхностная влага и влага пор, после точки К2 – адсорбционно или осмотически связанная влага.
В первый период сушки (до критической точки К1) движущей силой процесса является разность давления насыщенного пара или давления в пограничном слое материала и парциального давления пара в окружающей среде (Рн–Рв). Скорость сушки в этот период определяется приведенной выше феноменологической зависимостью Дальтона. В этот период скорость диффузии не влияет на скорость сушки.
Во второй период сушки давление паров вблизи поверхности материала ниже равновесного, и определяющее влияние на скорость сушки оказывает диффузия влаги в нем. Движущей силой процесса в этот период можно считать разность фактического и равновесного влагосодержаний высушиваемого материала (W–Wр). Тогда феноменологическая зависимость для скорости процесса примет вид:
; К= сonst.
Начальное влагосодержание для этого периода сушки соответствует критическомуWк1, а конечное (Wк2) определяется относительной влажностью сушильного агента. Проинтегрировав это уравнение в указанных пределах, получим:
ln 
,
где τ2 – продолжительность второго периода сушки.
Формула определяет экспоненциальную зависимость влажности от времени τ.
Коэффициент «k» определяется обработкой экспериментальных данных. Обычно он представляется следующей аппроксимирующей зависимостью для сложного последовательно протекающего процесса внешнего и внутреннего влагопереноса:
,
где R– определяющий геометрический размер высушиваемого тела (для пластины – половина толщины, для шара – радиус), м;
β– коэффициент внешнего влагообмена, м/ч;
α – коэффициент потенциалопроводности внутреннего массопереноса, м2/ч.
Наиболее интересные явления при сушке связаны с явлением термодиффузии. Термодиффузия заключается в перетекании влаги в глубину высушиваемого материала за счет разности температур его поверхностных и глубинных слоев. При повышении температуры сушильного агента термодиффузия усиливается.
Удаление влаги, мигрировавшей в глубину высушиваемого изделия, затруднено. Вследствие этого попытки ускорить сушку повышением подогрева объекта сушки зачастую приводят к миграции влаги в глубину, высушиванию и подгоранию поверхностных слоев изделий. При последующем охлаждении поверхностные слои изделия вновь увлажняются вследствие обратной миграции влаги диффузией.
Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки:
1 – СВЧ-печь; 2 – ИК-нагреватель; 3 – источник СВЧ-излучения;
4 – экспериментальный материал; 5 – термопара и регистратор
температуры; 6 – измеритель массы; 7 – датчик влажности;
8 – термоанемометр; 9 – вентилятор
Описание экспериментальной установки. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 5.2.
Высушиваемый материал 4 подвешивается на весах в СВЧ-печи 6, в которой он может подвергаться раздельному или комбинированному воздействию СВЧ-излучения от источника электромагнитных волн 3, инфракрасному излучению от нагревателя-гриля 2; конвективному тепловому воздействию теплого воздуха, поток которого создается вентилятором 9 и подогревается нагревателем гриля 2. При этом он сушится, что регистрируется с помощью весов 6, а также по уменьшению влажности отходящего воздуха с помощью датчика влажности 7. Скорость потока отходящего воздуха регистрируется с помощью термоанемометра 8.
Система измерений.В установке используются следующие измерительные средства:
– термоанемометр для измерения скорости воздушного потока;
– термопара для измерения температуры воздушного потока;
– весы для взвешивания высушиваемого продукта;
– датчик влажности воздуха на выходе из установки.
Все датчики заведены в компьютерную систему измерений; их показания обрабатываются в среде LabVIEW и регистрируются на графиках в этой же языковой среде.