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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