1、北京化工大學學生實驗報告 院（部）： 化學工程學院 姓 名： 學 號： 專 業(yè)： 化工 班 級： 同組人員： 課程名稱： 化工原理實驗 實驗名稱： 干燥 實驗 實驗日期： 2014-5-15 批閱日期： 成 績： 教師簽名： 流化床干燥實驗摘要：本實驗通過測定不同空氣流量下的床側壓降及干濕物料的質量，從而確定流化床床層壓降與氣速的關系曲線及流化床的干燥特性曲線。通過實驗，了解流化床的使用方法及其工作原理。關鍵詞：干燥，干燥速率曲線，流化床床層壓降一、目的及任務1.了解流化床干燥器的基本流程及操作方法。2.掌握流化床流化曲線的測定方法，測定流化床床層壓降與氣速的關系曲線。3.測定物料含水量及床層

2、溫度隨時間變化的關系曲線。4.掌握物料干燥速率曲線的測定方法，測定干燥速率曲線，并確定臨界含水量及恒速階段的傳質細述及降速階段的比例系數(shù)。二、基本原理干燥操作是采用某種方式將熱量傳給濕物料，使?jié)裎锪现兴终舭l(fā)分離的操作。干燥操作同時伴有傳熱和傳質，而且涉及到濕分以氣態(tài)或液態(tài)的形式自物料內部向表面?zhèn)髻|的機理。由于物料含水性質和物料形狀上的差異，水分傳遞速率的大小差別很大。干燥實驗的目的是用來測定干燥曲線和干燥速率曲線。為簡化實驗的影響因素，干燥實驗是在恒定的干燥條件下進行的，即實驗為間歇操作，采用大量空氣干燥少量的物料，且空氣進出干燥器時的狀態(tài)如溫度、濕度、氣速以及空氣與物料之間的流動方式均恒定

3、不變。1、流化曲線 在實驗中，可以通過測量不同空氣流量下的床層壓降，得到的流化床床層壓降與氣速的關系曲線。圖1：流化曲線當氣速較小時，操作過程處于固定床階段（AB段），床層基本靜止不動，氣體只能從床層空隙中流過，壓降與流速成正比，斜率約為1（在雙對數(shù)坐標系中）。當氣速逐漸增加（進入BC段），床層壓降將減小，顆粒逐漸被氣體帶走，此時，便進入了氣流輸送階段。D點處流速即被稱為帶出速度（u0）。 在流化狀態(tài)下降低氣速，壓降與氣速關系線將沿圖中的DC線返回至C點。若氣速繼續(xù)降低，曲線將無法按CBA繼續(xù)變化，而是沿CA變化。C點處流速被稱為起始流化速度（umf）。 在生產操作中，氣速應介于起始流化速度與

4、帶出速度之間，此時床層壓降保持恒定，這是流化床的重要特點。據(jù)此，可以通過測定床層壓降來判斷床層流化的優(yōu)劣。2、 干燥特性曲線將濕物料置于一定的干燥條件下，測定被干燥物料的質量和溫度隨時間變化的關系，可得到物料含水量（X）與時間（）的關系曲線及物料溫度（）與時間（）的關系曲線。物料含水量與時間關系曲線的斜率即為干燥速率（u）。將干燥速率對物料含水量作圖，即為干燥速率曲線。 圖2：物料含水量、物料溫度與時間的關系圖3：干燥速率曲線圖干燥過程可分為以下三個階段：（1） 物料預熱階段（AB段） 在開始干燥時，有一較短的預熱階段，空氣中部分熱量用來加熱物料，物料含水量隨時間變化不大。（2） 恒速干燥階段

5、（BC段）由于物料表面存在自由水分，物料表面溫度等于空氣的濕球溫度，傳入的熱量只用來蒸發(fā)物料表面表面的水分，物料含水量隨時間成比例減少，干燥速率恒定且最大。（3） 降速干燥階段（CDE段） 物料含水量減少到某一臨界含水量（X0），由于物料內部水分的擴散慢于物料表面的蒸發(fā)，不足以維持物料表面保持濕潤，而形成干區(qū)，干燥速率開始降低，物料溫度逐漸上升。物料含水量越小，干燥速率越慢，直至達到平衡含水量（X*）而終止。 干燥速率為單位時間在單位面積上汽化的水分量，用微分式表示為： 式中u干燥速率，kg水/（m2.s）；A干燥表面積，m2；d相應的干燥時間，s；dW汽化的水分量，kg。圖中的橫坐標X為對應

6、于某干燥速率下的物料平均含水量。 式中X某一干燥速率下濕物料的平均含水量；Xi、Xi+1時間間隔內開始和終了時的含水量，kg水/kg絕干物料。 式中Gsi第i時刻取出的濕物料的質量，kg；Gci第i時刻取出的物料的絕干質量，kg。干燥速率曲線只能通過實驗測定，因為干燥速率不僅取決于空氣的性質和操作條件，而且還受物料性質結構及含水量的影響。本實驗裝置為間歇操作的沸騰床干燥器，可測定達到一定干燥要求所需的時間，為工業(yè)上連續(xù)操作的流化床干燥器提供相應的設計參數(shù)。三、裝置和流程本裝置主要包括三部分：沸騰干燥設備、調節(jié)儀表和控制系統(tǒng)。下面分別加以說明：本裝置的所有設備，除床身筒體一部分采用高溫硬質玻璃外

7、，其余均采用不銹鋼制造，因此耐用、美觀，圖1為本裝置的流程圖。床身筒體部分由不銹鋼段（內徑100mm，高100mm）和高溫硬質玻璃段（內徑100mm，高400mm）組成，頂部有氣固分離段（內徑150mm，高250mm）。不銹鋼段筒體上設有物料取樣器、放凈口、溫度計接口等，分別用于取樣、放凈和測溫。床身頂部氣固分離段設有加料口、測壓口，分別用于物料加料和測壓?？諝饧訜嵫b置由加熱器和控制器組成，加熱器為不銹鋼盤管式加熱器，加熱管外壁設有1mm鎧裝熱電偶，它與人工智能儀表、固態(tài)繼電器等，實現(xiàn)空氣介質的溫度控制。同時，計算機可實現(xiàn)對儀表的控制。空氣加熱裝置底部設有空氣介質的干球溫度和濕球溫度接口，以測

8、定空氣的干、濕球溫度。本裝置的旋風分離器，可除去干燥物料的粉塵。沸騰干燥實驗裝置如下圖所示：圖4：沸騰干燥實驗裝置和流程1 風機；2、濕球溫度水筒；3、濕球溫度計；4、干球溫度計；5、空氣加濕器；6、空氣流速調節(jié)閥；7、放凈口；8、取樣口；9、不銹鋼筒體；10、玻璃筒體11、氣固分離器；12、加料口；13、旋風分離器；14、孔板流量計（d0=20mm）四、操作要點（1） 準備工作： 將電子天平開啟，并處于待用狀態(tài)； 將快速水分測定儀開啟，并處于待用狀態(tài)； 準備一定量的被干燥物料（以小麥為例，約2kg），取1.5kg左右放入熱水（或沸水）中泡數(shù)分鐘，取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用； 往濕球溫

9、度計水筒中補水，但液面不得超過警示值； 將電子天平開啟，并處于待用狀態(tài)； 將快速水分測定儀開啟，并處于待用狀態(tài)； 準備一定量的被干燥物料（以小麥為例，約2kg），取1.5kg左右放入熱水（或沸水）中泡數(shù)分鐘，取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用； 往濕球溫度計水筒中補水，但液面不得超過警示值。（2） 床身預熱階段：啟動風機及加熱器，設定進入干燥器的空氣溫度（在6080范圍內）數(shù)分鐘，并打開進料口，將待干燥物料徐徐倒入，關閉進料口后，確定風速在某一流量下操作。（3） 測定干燥速率曲線： 取樣：用取樣管（推入或拉出）取樣，每隔510分鐘一次，取出的樣品放入小器皿中，并記上編號和取樣時間，待分析用。共

10、做810組數(shù)據(jù)，做完后，關閉加熱器和風機的電源； 記錄數(shù)據(jù)，在每次取樣的同時，要記錄床層溫度、空氣干、濕球溫度和流量、床層壓降等。（4） 測定流化曲線：將氣量控制閥開至最大，待數(shù)分鐘后，調節(jié)控制閥開度（關?。?，每次改變開度（改變風速），記錄相應的床層壓降和空氣流量，直至閥門關閉，約810組數(shù)據(jù)。（5） 注意事項1.加料時，要停風機，加料速度不能太快；2.取樣時，取樣管推拉要快，管槽口要用布覆蓋，以免物料噴出；3.濕球溫度計補水筒液面不得超過警示值；4.電子天平和快速水分測定儀要按使用說明操作。五、數(shù)據(jù)處理1、干燥速率曲線測定序號時間T/min濕重G濕/kg干重G干/kg盤重G盤/kg床身溫度t

11、/含水量X平均含水量干燥速率u/(kg/m2min)1015.9713.055.4231.20.3830.3760.2222.7518.918.4935.50.3690.3640.003133416.9514.638.1737.70.3590.3430.010934616.514.016.3839.50.3260.3200.5821.3418.278.4640.60.3130.3080.61021.7818.427.3342.10.3030.2990.71221.7418.778.6743.30.2940.2920.81421.6218.879.4144.20.2910.2890.91723.

12、3820.7211.4345.20.2860.2860.102022.9519.818.81460.285-以第一組為例含水量平均含水量干燥速率2、流化曲線測定序號孔板壓降p孔板/kpa流量Q/(m3/s)流速u/(m/s)壓降P/kpa14.156.131.9860.223.3650.411.7840.1832.6644.441.5720.1842.0538.611.3660.1751.532.611.1540.1761.0326.620.9420.1770.6420.590.7290.1480.3615.090.5340.0990.159.410.3330.05100.033.940.14

13、00.01以第一組為例六、作圖分析及結果討論1、干燥特性曲線由圖5可以看出，隨著干燥的進行，物料含水量不斷下降，而床層溫度不斷上升，且床層溫度幾乎沒有穩(wěn)定不變的階段。這說明濕小麥中的非結合水含量很少，熱量不僅用于水分的汽化，還使物料溫度升高。本組作圖偏差過大,但依然可以看出當物料含水量降到一定水平，隨著含水量的減少，物料干燥速率會繼續(xù)減少，切近似成線性關系。2、流化曲線從圖中可以看出，隨著氣速的增大，壓降先線性增大，后基本保持不變。這是由于在較低氣速時，操作過程處于固定床階段，氣體只能從床層空隙中通過，壓降與流速成正比。當氣速增大到一定程度時（u=0.875m/s），進入流化階段，床層壓降基本

14、保持不變。七、誤差分析1、系統(tǒng)誤差干燥實驗：由于沸騰床內物料含水量不可能完全均勻相等，因而用索取樣品含水量代替物料整體含水量進行計算會造成一定誤差；烘干時間不足，造成稱量干重變大，使得所測含水量普遍偏小。 流化實驗：空氣經過床層時，由于床層阻力不均，造成壓降不斷波動，數(shù)據(jù)難以讀取，尤其是在流化狀態(tài)，數(shù)據(jù)波動較大，因而讀取的數(shù)據(jù)十分不準確，但已足以表達壓降隨流速變化的趨勢。2、人為誤差由于系統(tǒng)數(shù)字震動幅度較大，一組記錄數(shù)據(jù)太多，在手動記錄數(shù)據(jù)時，時間上造成的數(shù)據(jù)誤差不能忽略，如果改成計算機自動記錄可以避免這一現(xiàn)象。八、 思考題1、 本實驗所得的流化床壓降與氣速曲線有何特征？答：當氣速較小時，操作

15、過程處于固定床階段，床層基本靜止不動，氣體只能從床層空隙中流過，壓降與流速成正比。當氣速繼續(xù)增大，進入流化階段，固體顆粒隨氣體流動而懸浮運動，隨著氣速的增加，床層高度逐漸增加，但床層壓降基本上保持不變，如曲線的后半段，成一條水平直線。2、 流化床操作中，存在騰涌和溝流兩種不正?，F(xiàn)象，如何利用床層壓降對其行判斷？怎樣避免他們的發(fā)生？答：騰涌時，床層壓降不平穩(wěn)，壓力表不斷擺動；溝流是床層壓降穩(wěn)定，只是數(shù)值比正常情況下低。溝流是由于流體分布板設計或安裝上存在問題，應從設計上避免出現(xiàn)溝流，騰涌是由于流化床內徑較小而床高于床比徑比較大時，氣體在上升過程中易聚集繼而增大，當氣體占據(jù)整個床體截面時發(fā)生騰涌，

16、故在設計流化床時高徑比不宜過大。3、 為什么同一濕度的空氣，溫度較高有利于干燥操作的進行？答：因為溫度較高時，水的飽和蒸汽壓大，而空氣的絕度濕度沒有變化，即水的分壓沒有發(fā)生變化，由，所以空氣的相對濕度減小，從而有利于干燥的進行。4、 本裝置在加熱器入口處安裝有干、濕球溫度計，假設干燥過程為絕熱增濕程，如何求得干燥器內空氣的平均濕度H？答：有入口干、濕球溫度可以求得進口空氣濕度H1由于干燥器內物料存在非結合水，且氣液接觸充分，故出口空氣可以看成飽和空氣，絕熱增濕過程為恒焓過程，再由恒焓條件與出口空氣=100%即可求得出口空氣濕度H2，從而求得干燥器內空氣平均濕度H=0.5*（H1+H2）。上機仿

17、真實驗一、實驗原理1、干燥實驗將濕物料置于一定的干燥條件下，測定被干燥物料的重量和溫度隨時間的變化關系，可得到物料含水量與時間的關系曲線。物料含水量與時間關系線的斜率就是干燥速率。將干燥速率對物料含水量做圖，即為干燥速率曲線。干燥過程分為物料含水量曲線如下圖：預熱階段、恒速干燥階段、降速干燥階段三個過程。計算干燥速率的公式為： kg水/m2*s 式中： A-干燥表面積 m2; dt-相應的干燥時間 s; dW-汽化的水分量 kg； 干燥速率只能通過實驗測定，因為干燥速率不僅取決于空氣的性質和操作條件，而且還受物料性質結構及水分性質的影響。2.流化實驗在實驗中，可以通過測量不同空氣流量下的床層壓

18、降，得到流化床床層壓降與氣速的關系曲線。當氣速較小時，操作過程處于固定床階段，壓降與流速成正比，斜率約為1（在雙對數(shù)坐標系中）。氣速逐漸增大，進入流化階段，床層壓降基本保持不變，等于單位面積的床層凈重。當氣速繼續(xù)增大到帶出速度后，進入氣流輸送階段。二、計算公式1.干燥實驗 (1)實驗測得氣速單位是kPa，轉換成m3/h的公式為： P-平均氣速 KPa; Q-轉換后的氣速 m3/h; (2)物料的含水率計算公式： Xi-i時刻的物料含水率 kg水/kg絕干物料； GSi-第i時刻取出的濕物料的質量 kg； GCi-第i時刻取出的物料的絕干質量 kg； (3)干燥速率的計算公式： kg水/m2*s

19、 式中：A-干燥表面積 m2; dt-相應的干燥時間 s; dW-汽化的水分量 kg；(4) 恒速階段的傳質系數(shù)Kh的計算公式： Kh-傳質系數(shù)； Hw-空氣濕球溫度下的飽和濕度； H-當前狀態(tài)下的空氣濕度； -傳熱系數(shù)； rw-汽化潛熱； t-干球溫度； tw-濕球溫度；2.流化實驗： (1)流化床階段的床層壓降計算公式： P-床層壓降 KPa； G-床層凈重 kg； S-床體截面積 m2；注意事項： 1.取樣時，取樣管推拉要快，管槽口要用布覆蓋，以免物料噴出； 2.濕球溫度計補水筒液面不得超過警示值； 3.電子天平等儀器的使用要按照使用說明操作。4.實驗時間以主界面上的時間顯示為準。此軟件

20、為仿真軟件，因此人為縮短了實驗時間。5.做實驗的時候最好先做干燥實驗，然后再做流化實驗，這樣可以有效利用綠豆原料。6.使用自動記錄功能的時候，自動取樣，不用另外進行取樣。二、實驗操作（1）干燥實驗入主界面后先進行流化床干燥實驗。1.打開風機，開始實驗。2.先把空氣流量調節(jié)閥的開度打開到不小于42的開度，使系統(tǒng)能進入到流化床階段。如下圖：3.打開儀表箱上加熱器的按鈕，如果選擇手動加熱，把加熱電壓調節(jié)至150V（建議值），如果選擇自動加熱，調節(jié)壁溫(加熱器的)到80度（建議值）。點擊自動記錄按鈕，記錄實驗數(shù)據(jù)；也可手動記錄數(shù)據(jù)。注：手動加熱與自動加熱的關系：手動加熱是通過控制加熱器的電壓，來達到所

21、要求的壁溫；自動加熱是直接設定壁溫，然后自動調節(jié)加熱電壓。手動加熱與自動加熱不能同時打開。干燥數(shù)據(jù)記錄窗體如下圖4.如果手動記錄實驗數(shù)據(jù)，每次記錄數(shù)據(jù)的同時，點擊取樣按鈕，進行取樣。以后每間隔10分鐘左右記錄一組數(shù)據(jù)，取至少10組以上數(shù)據(jù)，實驗進行到后期，取樣間隔時間可減少到6、7分鐘一次。主窗體上有時間顯示。取樣和記錄實驗數(shù)據(jù)在同一分鐘內進行即可。5.本實驗設計的干燥時間大概為90至100分鐘，因此，實驗進行到100分鐘后即可停止。進入到樣品分析裝置。點擊主界面的按鈕。在樣品選取欄里存有每次取得的樣品，可逐個選取樣品，進行稱量，每次稱量完畢后，在電子稱的顯示屏幕上可讀取樣品質量，每次取樣為1

22、0g，均烘干后稱量，稱量所得質量為樣品的凈重，10g減去樣品的凈重為樣品所含水分的重量，用樣品含的水分的質量除10g，得到樣品的含水率?？墒謩佑涗浰脴悠返暮?，也可點擊本窗口的自動記錄按鈕，進行自動記錄，自動記錄先自動計算出樣品的含水率，然后在記錄到相應的數(shù)據(jù)表格里。6.樣品分析完后點擊主界面的數(shù)據(jù)處理按鈕，進入到數(shù)據(jù)處理界面，選擇干燥實驗數(shù)據(jù)選項卡。拉橫向滾動條到最后，見到干燥速率欄，點擊“計算干燥速率”按鈕計算出干燥速率。7.原始數(shù)據(jù)采集完畢，繪制坐標圖。8.進入到“臨界含水量和傳質系數(shù)”選項卡，從干燥速率曲線上讀取臨界含水率的值，點擊“計算傳質系數(shù)”按鈕，計算出傳質系數(shù)。（2）流化實

23、驗1.關閉儀表窗體上的加熱器開關（手動和自動開關全部關閉），開始進行流化床實驗。2.將空氣流量調節(jié)閥關閉，然后慢慢開大，適當改變閥門開度，記錄下相應閥門開度下的氣速和床層壓降到流化實驗數(shù)據(jù)選項卡，可手動記錄，也可自動記錄。由于空氣流速增加到1KPa的時候進入到流化床階段，此后床層壓降即為定值，所以，在流速增加到1KPa之前，至少取5到6組數(shù)據(jù)，以便更好的擬合曲線。整個實驗取至少10組數(shù)據(jù)。三、數(shù)據(jù)處理1、干燥實驗編號時間壁溫進口干球溫度進口濕球溫度加熱后干球溫度床層溫度1079.937.5225.5156.0332.0821079.746.4531.5869.2259.1132080.246.8931.8870.0759.5543080.246.8331.8469.7259.5454080.246.9431.9269.6859.5565080.246.8231.8469.9359.5376080.246.6631.7370.0359.5587080.246.7631.870.0759.5498080.246.8631.8770.0559.55108680.247.0231.9869.5959.56119280.246.87