流化床干燥实验报告

-PAGE1-北京化工大学实验报告 课程名称：流化床干燥实验实验日期：2010.05.12班级：姓名：同组人：流化床干燥实验一、摘要本实验利用流化床干燥器对物料干燥速率曲线进行测定。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。以此来测定干燥速率。利用物料的干湿重量变化计算物料的各种含水量。关键词：干燥速率含水量干重湿重二、实验目的1、了解流化床干燥器的基本流程和操作方法。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X0及恒速阶段的传质系数kH及降速阶段的比例系数Kx。三、实验原理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，得到流化床床层压降与气速的关系曲线（见下图）。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流过，压降与流速成正比，斜率约为1（在双对数坐标中）。当气速逐渐增加（进入BC段），床层开始膨胀，空隙率增大，压降与气速的将不再成比例。当气速继续增大，进入流化阶段（CD段），固体颗粒随气体流动而悬浮运动，随气速的增加，床层高度逐渐增加，但床层压降基本保持不变，等于单位面积的床层净重。当气速增大至某一值后（D点），床层压降将减小，颗粒逐渐被气体带走，此时，便进入气体输送阶段。D点处得流速即被称为带出速度（u0）。在流化状态下降低气速，压降与气速的关系线将沿图中的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，而沿CA’变化。C点处得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，测定被干燥物料的质量和温度随时间变化的关系，可得湿物料含水量（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（见图4-16）。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（见图4-17）。干燥过程可分为三个阶段。（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（XO），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（4-33）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4-17中的横坐标X为对应于某干燥速率下的物料平均含水量。（4-34）式中—某一干燥速率下湿物料的平均含水量；—Δτ时间间隔内开始和终了时的含水量，kg水/kg绝干物料。（4-35）式中—第i时刻取出的湿物料的质量，kg；—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。四、实验装置和流程沸腾干燥实验装置流程如下图所示：图4-18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—空气加热器；5—空气加热器；6—空气流量调节阀；7—放净口；8—取样口；9—不锈钢筒体；10—玻璃筒体；11—气固分离段；12—加料口；13—旋风分离器；14—孔板流量计本装置的所有设备，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。床身筒体部分由不锈钢段（内径φ100mm，高100mm）和高温硬质玻璃段（内径φ100mm，高400mm）组成，顶部有气固分离段（内径φ150mm，高250mm）。不锈钢筒体上没有物料取样器、放净口和温度计接口等，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和测压口，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，其与人工智能仪表、固态继电器等，实现空气介质的温度控制。空气加热装置底部设有测量空气干球温度和湿球温度的接口，以测定空气的干、湿球温度。本装置空气流量采用孔板流量计计算，气流量Vs可通过式（4-24）求取。本装置的旋风分离器，可除去干燥物料的粉尘。五、实验操作1、启动风机、加热器，最大风量预热5分钟后全部关停；2、拔出取样器并旋转清空里面多余物料；3、进料口加入湿小麦601.14g，干基含水量kg/kg干麦4、再次启动风机、加热器，固定风量（如有变化请注意手动调整），记录孔板压降3.5kPa，干球温度50.9℃，湿球温度24.7℃5、空气温度达到70℃，小麦处于流化状态，开始取样。记录时间点，称重，装盒，放入烘箱，1h后记录；6、间隔2~5分钟去一次样品，45分钟取15个点左右，记录数据，注意清空取样器残余小麦；7、实验完成后可得到X~τ曲线，在曲线上取至少10个（ΔX/1.5Δτ）值，作u~τ曲线；8、小麦在含水量40%以上可能存在非结合水，才有可能出现恒速段，取点注意时间分配；9、关加热器、风机，加入300g10、只开风机，找到临界流化点风量，记录；11、床层固定状态做5个点，流化态做4个点，记录；12、实际生产中，设备通常是不透明的，床层压降反映了流体的运动状况，是重要的操作参数。六、实验数据处理1、干燥速率曲线测定空气温度：70℃孔板压降：3.5kPa干球温度：50.9℃湿球温度：27.4℃序号时间τ/min湿小麦质量G湿/kg干小麦质量G干/kg物料温度t物/℃含水量Xi平均含水率干燥速率u水/g.m-2.s-110.0010.337.150.444821.2014.8911.5969.90.28470.36470.088933.2014.4111.4770.00.25630.27050.009545.2015.3712.8070.00.20080.22860.018557.208.196.6970.10.22420.2125-0.007869.208.707.2170.10.20670.21540.0059712.2012.2810.5570.00.16400.18530.0095815.209.898.7070.00.13680.15040.0060919.2010.439.3370.00.11790.12730.00311022.208.487.6670.00.10700.11250.00241126.2010.759.9370.00.08260.09480.00411230.408.337.8070.00.06790.07530.00231334.4011.3310.8269.90.04710.05750.00351438.407.376.8070.00.08380.0655-0.00611543.408.928.5070.00.04940.06660.0046以第四组数据为例计算：含水量：平均含水率：干燥速率：2、流化曲线测定序号床层压降ΔP床/kPa孔板压降ΔP孔/kPa空气流速U气/m·s-110.310.280.501620.490.590.728130.650.880.889240.71.21.038350.691.451.141460.71.61.199070.691.91.306580.682.231.415590.672.531.5077100.6631.6417110.633.591.7959以第三组数据为例计算：空气流速：七、实验结果作图及分析：流化床床层压降与气速的关系曲线：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。物料含水量，物料温度与时间的关系：干燥速率曲线：由于本组作图偏差过大，所以借由他人作图进行分析，如下：此图应从右往左进行分析。从图中右边3个点可知，在干燥前期，干燥速率基本维持定值（即恒速很俗阶段），因为此时物料表面被非结合水覆盖。由于结合水占大部分，所以小麦的恒速阶段很短。干燥一段时间后，干燥速率总体上在不断下降（即进入降速阶段），这是由于小麦表面的非结合水被不断除去，实际汽化表面减少，内部水分扩散较慢造成的。降速阶段干燥速率出现较大波动，分析原因，可能有：1、流化床本身的性能不稳定。2、烘干时，未能准确把握时间，以致有些样品并未完全烘干，引起实验结果的较大偏差。3、用差分代替微分求取的干燥速率与实际状况有一定的偏离。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，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）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，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。5，干燥开始10分钟时，计算进、出干燥器的湿空气的性能参数（假设湿空气进出干燥器为绝热增湿过程），要求使用公式计算和I-H图两种方法。10min时V干气/kg•h-1t/℃tW/℃p水汽/kPaHφI/kJ•kg-1进口湿空气49.49470。。。2.0630.012930.0662104.7出口湿空气49.4940.02542104.7方法1说明：使用公式计算：进口：由表1表头数据可知：10min时，进预热器前：干球温度t：50.9℃，湿球温度tw：27.4℃。查表得，此时rw=2429.0kJ/kg。ps=3.6863kPa，H=0.622×P水汽/(P-P水汽)，所以Hw=0.622×3.6863/(101.325-3.6863)=0.02348kg水/kg干气。由得H=0.01293kg水/kg干气。预热器是等湿加热，故在预热器之后H不变。H=0.622×p水汽/(p-p水汽)，总压p=101.325kPa，计算得p水汽=2.063kPa。t=70℃，ps=31.164kPa，φ=p水汽/ps=0.0662。由试差得tw=…….℃。焓I=(1.01+1.88H)t+2500H=104.7kJ/kg。出口：绝热增湿过程，即等焓过程，故I=104.7kJ/kg。进干燥器之前物料X1=0.4448，10min时X2=0.1972（内插得），所以w1=X1/(1+X1)=0.3078，w2=0.1647。G1=601.14g,物料失去的水量W=G1（w1-w2）/(1-w2)=103.0g=0.103kg。△p孔=3.5kPa，10min时流过的空气总量V=26.8△p孔^0.5/3600*10*60=8.356