化工原理流化床干燥实验.docx
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化工原理流化床干燥实验
北京化工大学
学生实验报告
院（部）：
化学工程学院
姓名：
学号：
专业：
化工班级：
同组人员：
课程名称：
化工原理实验
实验名称：
干燥实验
实验日期：
2014-5-15批阅日期：
成绩：
教师签名：
流化床干燥实验
摘要：
本实验通过测定不同空气流量下的床侧压降及干湿物料的质量，从而确定流化床床层压降与气速的关系曲线及流化床的干燥特性曲线。
通过实验，了解流化床的使用方法及其工作原理。
关键词：
干燥，干燥速率曲线，流化床床层压降
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的测定方法，测定干燥速率曲线，并确定临界含水量及恒速阶段的传质细述及降速阶段的比例系数。
二、基本原理
干燥操作是采用某种方式将热量传给湿物料，使湿物料中水分蒸发分离的操作。
干燥操作同时伴有传热和传质，而且涉及到湿分以气态或液态的形式自物料内部向表面传质的机理。
由于物料含水性质和物料形状上的差异，水分传递速率的大小差别很大。
干燥实验的目的是用来测定干燥曲线和干燥速率曲线。
为简化实验的影响因素，干燥实验是在恒定的干燥条件下进行的，即实验为间歇操作，采用大量空气干燥少量的物料，且空气进出干燥器时的状态如温度、湿度、气速以及空气与物料之间的流动方式均恒定不变。
1、流化曲线
在实验中，可以通过测量不同空气流量下的床层压降，得到的流化床床层压降与气速的关系曲线。
图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，即为干燥速率曲线。
图2：
物料含水量、物料温度与时间的关系
图3：
干燥速率曲线图
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、装置和流程
本装置主要包括三部分：
沸腾干燥设备、调节仪表和控制系统。
下面分别加以说明：
本装置的所有设备，除床身筒体一部分采用高温硬质玻璃外，其余均采用不锈钢制造，因此耐用、美观，图1为本装置的流程图。
床身筒体部分由不锈钢段（内径100mm，高100mm）和高温硬质玻璃段（内径100mm，高400mm）组成，顶部有气固分离段（内径150mm，高250mm）。
不锈钢段筒体上设有物料取样器、放净口、温度计接口等，分别用于取样、放净和测温。
床身顶部气固分离段设有加料口、测压口，分别用于物料加料和测压。
空气加热装置由加热器和控制器组成，加热器为不锈钢盘管式加热器，加热管外壁设有1mm铠装热电偶，它与人工智能仪表、固态继电器等，实现空气介质的温度控制。
同时，计算机可实现对仪表的控制。
空气加热装置底部设有空气介质的干球温度和湿球温度接口，以测定空气的干、湿球温度。
本装置的旋风分离器，可除去干燥物料的粉尘。
沸腾干燥实验装置如下图所示：
图4：
沸腾干燥实验装置和流程
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）准备工作：
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（以小麦为例，约2kg），取1.5kg左右放入热水（或沸水）中泡数分钟，取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用；
4往湿球温度计水筒中补水，但液面不得超过警示值；
5将电子天平开启，并处于待用状态；
6将快速水分测定仪开启，并处于待用状态；
7准备一定量的被干燥物料（以小麦为例，约2kg），取1.5kg左右放入热水（或沸水）中泡数分钟，取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用；
8往湿球温度计水筒中补水，但液面不得超过警示值。
（2）床身预热阶段：
启动风机及加热器，设定进入干燥器的空气温度（在60～80℃范围内）数分钟，并打开进料口，将待干燥物料徐徐倒入，关闭进料口后，确定风速在某一流量下操作。
（3）测定干燥速率曲线：
1取样：
用取样管（推入或拉出）取样，每隔5～10分钟一次，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，关闭加热器和风机的电源；
2记录数据，在每次取样的同时，要记录床层温度、空气干、湿球温度和流量、床层压降等。
（4）测定流化曲线：
将气量控制阀开至最大，待数分钟后，调节控制阀开度（关小），每次改变开度（改变风速），记录相应的床层压降和空气流量，直至阀门关闭，约8～10组数据。
（5）注意事项
1.加料时，要停风机，加料速度不能太快；
2.取样时，取样管推拉要快，管槽口要用布覆盖，以免物料喷出；
3.湿球温度计补水筒液面不得超过警示值；
4.电子天平和快速水分测定仪要按使用说明操作。
五、数据处理
1、干燥速率曲线测定
序号
时间
T/min
湿重
G湿/kg
干重
G干/kg
盘重
G盘/kg
床身温度
t/℃
含水量
X
平均含水量
干燥速率
u/（kg/m2min）
1
0
15.97
13.05
5.42
31.2
0.383
0.376
0.004726
2
2
22.75
18.91
8.49
35.5
0.369
0.364
0.00313
3
4
16.95
14.63
8.17
37.7
0.359
0.343
0.01093
4
6
16.5
14.01
6.38
39.5
0.326
0.320
0.004466
5
8
21.34
18.27
8.46
40.6
0.313
0.308
0.003323
6
10
21.78
18.42
7.33
42.1
0.303
0.299
0.002972
7
12
21.74
18.77
8.67
43.3
0.294
0.292
0.001121
8
14
21.62
18.87
9.41
44.2
0.291
0.289
0.000971
9
17
23.38
20.72
11.43
45.2
0.286
0.286
0.000194
10
20
22.95
19.81
8.81
46
0.285
-
-
以第一组为例
含水量
平均含水量
干燥速率
2、流化曲线测定
序号
孔板压降
p孔板/kpa
流量
Q/（m3/s）
流速
u/（m/s）
压降
P/kpa
1
4.1
56.13
1.986
0.2
2
3.36
50.41
1.784
0.18
3
2.66
44.44
1.572
0.18
4
2.05
38.61
1.366
0.17
5
1.5
32.61
1.154
0.17
6
1.03
26.62
0.942
0.17
7
0.64
20.59
0.729
0.14
8
0.36
15.09
0.534
0.09
9
0.15
9.41
0.333
0.05
10
0.03
3.94
0.140
0.01
以第一组为例
六、作图分析及结果讨论
1、干燥特性曲线
由图5可以看出，随着干燥的进行，物料含水量不断下降，而床层温度不断上升，且床层温度几乎没有稳定不变的阶段。
这说明湿小麦中的非结合水含量很少，热量不仅用于水分的汽化，还使物料温度升高。
本组作图偏差过大,但依然可以看出当物料含水量降到一定水平，随着含水量的减少，物料干燥速率会继续减少，切近似成线性关系。
2、流化曲线
从图中可以看出，随着气速的增大，压降先线性增大，后基本保持不变。
这是由于在较低气速时，操作过程处于固定床阶段，气体只能从床层空隙中通过，压降与流速成正比。
当气速增大到一定程度时（u=0.875m/s），进入流化阶段，床层压降基本保持不变。
七、误差分析
1、系统误差
①干燥实验：
由于沸腾床内物料含水量不可能完全均匀相等，因而用索取样品含水量代替物料整体含水量进行计算会造成一定误差；烘干时间不足，造成称量干重变大，使得所测含水量普遍偏小。
②流化实验：
空气经过床层时，由于床层阻力不均，造成压降不断波动，数据难以读取，尤其是在流化状态，数据波动较大，因而读取的数据十分不准确，但已足以表达压降随流速变化的趋势。
2、人为误差
由于系统数字震动幅度较大，一组记录数据太多，在手动记录数据时，时间上造成的数据误差不能忽略，如果改成计算机自动记录可以避免这一现象。
八、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减小，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）。
上机仿真实验
一、实验原理
1、干燥实验
将湿物料置于一定的干燥条件下，测定被干燥物料的重量和温度随时间的变化关系，可得到物料含水量与时间的关系曲线。
物料含水量与时间关系线的斜率就是干燥速率。
将干燥速率对物料含水量做图，即为干燥速率曲线。
干燥过程分为物料含水量曲线如下图：
预热阶段、恒速干燥阶段、降速干燥阶段三个过程。
计算干燥速率的公式为：
[kg水/m2*s]
式中：
A--------干燥表面积 m2;
dt--------相应的干燥时间 s;
dW------汽化的水分量 kg；
干燥速率只能通过实验测定，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水分性质的影响。
2.流化实验
在实验中，可以通过测量不同空气流量下的床层压降，得到流化床床层压降与气速的关系曲线。
当气速较小时，操作过程处于固定床阶段，压降与流速成正比，斜率约为1（在双对数坐标系中）。
气速逐渐增大，进入流化阶段，床层压降基本保持不变，等于单位面积的床层净重。
当气速继续增大到带出速度后，进入气流输送阶段。
二、计算公式
1.干燥实验
（1）实验测得气速单位是kPa，转换成m3/h的公式为：
△P-------------平均气速 [KPa];
Q---------------转换后的气速 [m3/h];
（2）物料的含水率计算公式：
Xi----------------i时刻的物料含水率 [kg水/kg绝干物料]；
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]；
（3）干燥速率的计算公式：
[kg水/m2*s]
式中：
A--------干燥表面积 m2;
dt--------相应的干燥时间 s;
dW-------汽化的水分量 kg；
（4）恒速阶段的传质系数Kh的计算公式：
Kh-------------------传质系数；
Hw------------------空气湿球温度下的饱和湿度；
H--------------------当前状态下的空气湿度；
α--------------------传热系数；
rw------------------汽化潜热；
t--------------------干球温度；
tw---------------湿球温度；
2.流化实验：
（1）流化床阶段的床层压降计算公式：
△P----------------床层压降 [KPa]；
G------------------床层净重 [kg]；
S------------------床体截面积 [m2]；
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.电子天平等仪器的使用要按照使用说明操作。
4.实验时间以主界面上的时间显示为准。
此软件为仿真软件，因此人为缩短了实验时间。
5.做实验的时候最好先做干燥实验，然后再做流化实验，这样可以有效利用绿豆原料。
6.使用自动记录功能的时候，自动取样，不用另外进行取样。
二、实验操作
（1）干燥实验
入主界面后先进行流化床干燥实验。
1.打开风机，开始实验。
2.先把空气流量调节阀的开度打开到不小于42的开度，使系统能进入到流化床阶段。
如下图：
3.打开仪表箱上加热器的按钮，如果选择手动加热，把加热电压调节至150V（建议值），如果选择自动加热，调节壁温（加热器的）到80度（建议值）。
点击自动记录按钮，记录实验数据；也可手动记录数据。
注：
手动加热与自动加热的关系：
手动加热是通过控制加热器的电压，来达到所要求的壁温；自动加热是直接设定壁温，然后自动调节加热电压。
手动加热与自动加热不能同时打开。
干燥数据记录窗体如下图
4.如果手动记录实验数据，每次记录数据的同时，点击取样按钮，进行取样。
以后每间隔10分钟左右记录一组数据，取至少10组以上数据，实验进行到后期，取样间隔时间可减少到6、7分钟一次。
主窗体上有时间显示。
取样和记录实验数据在同一分钟内进行即可。
5.本实验设计的干燥时间大概为90至100分钟，因此，实验进行到100分钟后即可停止。
进入到样品分析装置。
点击主界面的按钮。
在样品选取栏里存有每次取得的样品，可逐个选取样品，进行称量，每次称量完毕后，在电子称的显示屏幕上可读取样品质量，每次取样为10g，均烘干后称量，称量所得质量为样品的净重，10g减去样品的净重为样品所含水分的重量，用样品含的水分的质量除10g，得到样品的含水率。
可手动记录所得样品的含水率，也可点击本窗口的自动记录按钮，进行自动记录，自动记录先自动计算出样品的含水率，然后在记录到相应的数据表格里。
6.样品分析完后点击主界面的数据处理按钮，进入到数据处理界面，选择干燥实验数据选项卡。
拉横向滚动条到最后，见到干燥速率栏，点击“计算干燥速率”按钮计算出干燥速率。
7.原始数据采集完毕，绘制坐标图。
8.进入到“临界含水量和传质系数”选项卡，从干燥速率曲线上读取临界含水率的值，点击“计算传质系数”按钮，计算出传质系数。
（2）流化实验
1.关闭仪表窗体上的加热器开关（手动和自动开关全部关闭），开始进行流化床实验。
2.将空气流量调节阀关闭，然后慢慢开大，适当改变阀门开度，记录下相应阀门开度下的气速和床层压降到流化实验数据选项卡，可手动记录，也可自动记录。
由于空气流速增加到1KPa的时候进入到流化床阶段，此后床层压降即为定值，所以，在流速增加到1KPa之前，至少取5到6组数据，以便更好的拟合曲线。
整个实验取至少10组数据。
三、数据处理
1、干燥实验
编号
时间
壁温
进口干球温度
进口湿球温度
加热后干球温度
床层温度
1
0
79.9
37.52
25.51
56.03
32.08
2
10
79.7
46.45
31.58
69.22
59.11
3
20
80.2
46.89
31.88
70.07
59.55
4
30
80.2
46.83
31.84
69.72
59.54
5
40
80.2
46.94
31.92
69.68
59.55
6
50
80.2
46.82
31.84
69.93
59.53
7
60
80.2
46.66
31.73
70.03
59.55
8
70
80.2
46.76
31.8
70.07
59.54
9
80
80.2
46.86
31.87
70.05
59.55
10
86
80.2
47.02
31.98
69.59
59.56
11
92
80.2
46.87
31.87
70.06
59.56
12
97
80.2
46.72
31.77
70.06
59.54
编号
压力
（kpa）
压差
（kpa）
气速
（kpa）
含水量
（%）
干燥速率
（kg/ms）
1
0.8
0.8
1.05
25.32
3.56E-05
2
0.8
0.77
1.02
23.18
3.86E-05
3
0.8
0.77
1.01
20.87
3.87E-05
4
0.7
0.75
1
18.54
3.87E-05
5
0.7
0.74
0.98
16.22
3.87E-05
6
0.7
0.68
0.93
13.9
4.04E-05
7
0.7
0.7
0.95
11.48
3.63E-05
8
0.7
0.71
0.96
9.3
3.70E-05
9
0.7
0.74
0.98
7.08
3.27E-05
10
0.7
0.73
0.98
5.9
7.99E-06
11
0.7
0.73
0.97
5.61
1.46E-06
12
0.7
0.75
0.99
5.57
随着干燥的进行，物料含水量不断下降，在92min后，物料含水量保持在6%，说明平衡含水量为6%。
随着干燥过程的进行（含水量减小的方向），干燥速率先增大（物料预热阶段），后基本保持不变（恒速干燥阶段），最后持续下降（降速干燥阶段）。
就本干燥过程而言，恒速干燥阶段很短而降速干燥阶段较长，也说明了小麦物料中非结合水分含量较少，干燥过程主要是对
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