流化床干燥实验报告.docx
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流化床干燥实验报告
北京化工大学
学生实验报告
实验名称：
流化床干燥实验
一、目的及任务
①了解流化床干燥器的基本流程及操作方法。
②掌握流化床流化曲线的测定方法，测定流化床床层压降与气速的关系曲线。
③测定物料含水量及床层温度随时间变化的关系曲线。
④掌握物料干燥速率曲线测定方法，测定干燥速率曲线，并确定临界含水量X0及恒速阶段的传质系数kH及降速阶段的比例系数Kx。
二、基本原理
1、流化曲线
当气速较小时，操作过程处于固定床阶段（AB段），床层基本静止不动，气体只能从床层空隙中流过，压降与流速成正比，斜率约为1（在双对数坐标系中）。
当气速逐渐增加（进入BC段），床层压降将减小，颗粒逐渐被气体带走，此时，便进入了气流输送阶段。
D点处流速即被称为带出速度（u0）。
在流化状态下降低气速，压降与气速关系线将沿图中的DC线返回至C点。
若气速继续降低，曲线将无法按CBA继续变化，而是沿CA’变化。
C点处流速被称为起始流化速度（umf）。
在生产操作中，气速应介于起始流化速度与带出速度之间，此时床层压降保持恒定，这是流化床的重要特点。
据此，可以通过测定床层压降来判断床层流化的优劣。
2、干燥特性曲线
将湿物料置于一定的干燥条件下，测定被干燥物料的质量和温度随时间变化的关系，可得到物料含水量（X）与时间（τ）的关系曲线及物料温度（θ）与时间（τ）的关系曲线。
物料含水量与时间关系曲线的斜率即为干燥速率（u）。
将干燥速率对物料含水量作图。
干燥过程可分为以下三个阶段。
（1）物料预热阶段（AB段）
在开始干燥时，有一较短的预热阶段，空气中部分热量用来加热物料，物料含水量随时间变化不大。
（2）恒速干燥阶段（BC段）
由于物料表面存在自由水分，物料表面温度等于空气的湿球温度，传入的热量只用来蒸发物料表面表面的水分，物料含水量随时间成比例减少，干燥速率恒定且最大。
（3）降速干燥阶段（CDE段）
物料含水量减少到某一临界含水量（X0），由于物料内部水分的扩散慢于物料表面的蒸发，不足以维持物料表面保持湿润，而形成干区，干燥速率开始降低，物料温度逐渐上升。
物料含水量越小，干燥速率越慢，直至达到平衡含水量（X*）而终止。
干燥速率为单位时间在单位面积上汽化的水分量，用微分式表示为：
式中u——干燥速率，kg水/（m2.s）；
A——干燥表面积，m2；
dτ——相应的干燥时间，s；
dW——汽化的水分量，kg。
图中的横坐标X为对应于某干燥速率下的物料平均含水量。
式中X——某一干燥速率下湿物料的平均含水量；
Xi、Xi+1——Δτ时间间隔内开始和终了时的含水量，kg水/kg绝干物料。
式中Gsi——第i时刻取出的湿物料的质量，kg；
Gci——第i时刻取出的物料的绝干质量，kg。
干燥速率曲线只能通过实验测定，因为干燥速率不仅取决于空气的性质和操作条件，而且还受物料性质结构及含水量的影响。
本实验装置为间歇操作的沸腾床干燥器，可测定达到一定干燥要求所需的时间，为工业上连续操作的流化床干燥器提供相应的设计参数。
三、装置及流程
1风机；2、湿球温度水筒；3、湿球温度计；4、干球温度计；5、空气加湿器；
6、空气流速调节阀；7、放净口；8、取样口；9、不锈钢筒体；10、玻璃筒体
11、气固分离器；12、加料口；13、旋风分离器；14、孔板流量计（d0=20mm）
四、操作要点
1、流化床实验
①加入固体物料至玻璃段底部。
②调节空气流量，测定不同空气流量下床层压降。
2、干燥实验
（1）实验开始前
①将电子天平开启，并处于待用状态。
②将快速水分测定仪开启，并处于待用状态。
③准备一定量的被干燥物料（以绿豆为例），取0.5kg左右放入热水（60~70℃）中泡20~30min，取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用。
④湿球温度计水筒中补水，但液面不得超过预警值。
（2）床身预热阶段
启动风机及加热器，将空气控制在某一流量下（孔板流量计压差为一定值，3kpa左右），控制加热器表面温度（80~100℃）或空气温度（50~70℃）稳定，打开进料口，将待干燥物料徐徐倒入，关闭进料口。
（3）测定干燥速率曲线
①取样，用取样管取样，每隔2~3min一次，取出的样品放入小器皿中，并记上编号和取样时间，待分析用。
共做8~10组数据，做完后，关闭加热器和风机电源。
②记录数据，在每次取样的同时，要记录床层温度、空气干球、湿球温度、流量和床层压降等。
3、结果分析
（1）快速水分测定仪分析法
将每次取出的样品在电子天平上称量9~10g，利用快速水分测定仪进行分析。
（2）烘箱分析法
将每次取出的样品在电子天平上称量9~10g，放入烘箱内烘干，烘箱温度设定为120度，1h后取出，在电子天平上称取其质量，此质量即可视为样品的绝干物料质量。
4、注意事项
①取样时，取样管推拉要快，管槽口要用布覆盖，以免物料喷出。
②湿球温度计补水筒液面不得超过警示值。
③电子天平和快速水分测定仪要按说明操作。
五、数据处理
表1.干燥实验相关数据记录表
序号
空球质量
/g
湿空质量
/g
干空质量
/g
湿球温度
/℃
干球温度
/℃
床身温度
/℃
加热温控
/℃
床层压降
/kPa
孔板压降
/kPa
1
11.98
27.83
21.74
—
—
—
—
—
—
2
10.75
20.88
17.68
33.9
43.5
41.9
65.8
0.96
3.60
3
13.33
28.80
25.48
34.8
44.2
40.5
67.4
0.95
3.61
4
12.75
28.25
25.04
35.2
44.3
46.2
68.0
0.74
3.65
5
11.07
21.41
18.91
35.8
44.7
49.2
68.3
0.77
3.66
6
13.22
24.27
21.81
36.7
45.5
50.9
69.0
0.66
3.70
7
12.09
22.64
20.46
37.3
46.1
52.7
69.7
0.63
3.71
8
12.69
25.54
23.62
37.8
47.0
54.6
70.5
0.57
3.72
9
12.22
23.31
21.60
38.2
47.2
56.4
70.8
0.54
3.77
以第一组数据计算
含水率X=（G湿-G干）/G干=（27.83-21.74）/（21.74-11.98）=0.6240
平均含水率=（X1+X2）/2=（0.6240+0.4618）/2=0.5429
干燥速率u=（X1-X2）/（1.5*△τ）=（0.6240-0.4618）/（1.5*4）
=0.027g•m-2•min-1
相关计算结果如下表
表2.干燥实验相关计算结果表
含水量X
平均含水量
干燥速率u
0.6240
0.4618
0.5429
0.027
0.2733
0.3675
0.031
0.2612
0.2672
0.002
0.3189
0.2900
-0.010
0.2864
0.3026
0.005
0.2605
0.2734
0.004
0.1757
0.2181
0.014
0.1823
0.1790
-0.001
表3.流化实验相关计算结果表
序号
床层压降
/kPa
孔板压降
/kPa
空气压力
/kPa
体积流量Vs/m3·h-1
空气流速u
1
0.54
3.77
2.9
53.64
1.8983
2
0.51
3.41
2.6
50.81
1.7981
3
0.43
3.04
2.3
47.76
1.6900
4
0.49
2.65
2.0
44.35
1.5692
5
0.44
2.26
1.7
40.69
1.4400
6
0.46
1.94
1.5
37.47
1.3260
7
0.43
1.66
1.2
34.45
1.2190
8
0.43
1.35
1.0
30.81
1.0902
9
0.42
1.06
0.8
27.04
0.9567
10
0.38
0.81
0.6
23.38
0.8274
以第一组数据为例
代入相关数据可得，u=1.7981m/s
六、实验结论及误差分析
实验结果分析
1.流化曲线和理论符合的很好，当气速较小时，操作过程处于固定床阶段，床层基本静止不动，气体只能从床层空隙中流过，压降与流速成正比。
当气速逐渐增加，床层开始膨胀，孔隙率增大，压降与气速的关系将不再成正比。
当气速继续增大，进入流化阶段，固体颗粒随气体流动而悬浮运动，随着气速的增加，床层高度逐渐增加，但床层压降基本上保持不变，如曲线的后半段，成一条水平直线。
2．观察干燥速率曲线，与理论曲线比较，可以发现没有了恒速干燥阶段，分析可能原因是，湿小麦在取样前还没达到流化阶段，却一直被热空气给吹着，小麦表面的非结合水在取样前已经被热空气蒸发没了。
七、思考题
1、本实验所得的流化床压降与气速曲线有何特征？
答：
当气速较小时，操作过程处于固定床阶段，床层基本静止不动，气体只能从床层空隙中流过，压降与流速成正比。
当气速继续增大，进入流化阶段，固体颗粒随气体流动而悬浮运动，随着气速的增加，床层高度逐渐增加，但床层压降基本上保持不变，如曲线的后半段，成一条水平直线
2、流化床操作中，存在腾涌和沟流两种不正常现象，如何利用床层压降对其进行判断？
怎样避免他们的发生？
答：
腾涌时，床层压降不平稳，压力表不断摆动；沟流是床层压降稳定，只是数值比正常情况下低。
沟流是由于流体分布板设计或安装上存在问题，应从设计上避免出现沟流，腾涌是由于流化床内径较小而床高于床比径比较大时，气体在上升过程中易聚集继而增大，当气体占据整个床体截面时发生腾涌，故在设计流化床时高径比不宜过大。
3、为什么同一湿度的空气，温度较高有利于干燥操作的进行？
答：
因为温度较高时，水的饱和蒸汽压大，而空气的绝度湿度没有变化，即水的分压没有发生变化，由
所以空气的相对湿度增加，从而有利于干燥的进行。
4、本装置在加热器入口处安装有干、湿球温度计，假设干燥过程为绝热增湿过程，如何求得干燥器内空气的平均湿度H？
答：
有入口干、湿球温度可以求得进口空气湿度H1由于干燥器内物料存在非结合水，且气液接触充分，故出口空气可以看成饱和空气，绝热增湿过程为恒焓过程，再由恒焓条件与出口空气φ=100%即可求得出口空气湿度H2，从而求得干燥器内空气平均湿度H=0.5*（H1+H2）
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