北 京 化 工 大 学
实 验 报 告
流化床干燥实验
一、 摘要
本实验通过对湿的小麦的干燥过程,要求掌握干燥的基本流程及流化床流化曲线的定,流化床床层压降与气速的关系曲线,物料含水量及床层温度随时间的变化关系,并确定临界含水量X0及恒速阶段的传值系数kH及降速阶段的比例系数KX。
二、关键词: 流化床干燥、物料干燥速率、物料含水量、流化床床层压降、临界含水量
三、实验目的及任务
1、熟悉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X0及恒速阶段的传值系数kH及降速阶段的比例系数KX
四、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。(如图一)
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(在对数坐标系中)。当气速逐渐增加(进入BC段),床层开始膨胀,空隙率增大,压降与气速的关系将不再成比例。
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,随着气速的增加,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,便进入了气流输送阶段,D点处的流速即被称为带出速度。
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点当气速继续降低,曲线无法按CBA继续变化,而是沿CA'变化。C点处的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,干燥过程可分为以下三阶段。
(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湿球的温度,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小,
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,物料温度开始上升。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气化的水分量,用微分式表示
式中 u----干燥速率,kg水/(m^2s)
A----干燥表面积,m^2
dτ---相应的干燥时间,s
Dw----气化的水分量,kg.
图3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 -----某一干燥速率下湿物料的平均含水量;。
-----△τ时间间隔内开始和终了时的含水量,kg水/kg绝干物料
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。
五、实验流程
图一、沸腾干燥实验装置和流程
1.风机 2.湿球温度水桶 3.湿球温度计 4.干球温度计 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
六、实验操作
1. 干燥实验
(1)实验开始前
① 将电子天平开启,使处于待用状态
② 将烘箱开启备用
③ 准备好被干燥物料(麦子)
(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,控制表面加热器温度,或空气温度稳定,打开进料口,将待干燥物徐徐倒入,关闭进料口.
(3)测定干燥速率曲线
①取样,用取样管推入拉出取样,每隔3min一次,取出样品放入小器皿中,编上编号并记录取样时间,称量取出样品重量,然后放入烘箱烘烤40min,再次称量样品重量,如此取样8-10次,并记录。做完后,关闭加热器和风机电源。
②数据记录,每次取样同时,要记录床层温度,空气干球﹑湿球温度,流量和床层压降等。
2. 流化床实验
加入固体物料至玻璃段底部,调节空气流量,测定不同流量下的床层压降。
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
每次取出样品,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℃,1h后取出,在电子天平上称取其重量,此质量即可视为绝干物料质量。
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。
七﹑数据记录与处理
1、 原始数据记录
2、 示例计算
2.1干燥实验
含水量=(物料湿重—物料干重)/物料干重=(5.37-4.08)/4.08=0.316176
干燥速率=含水量变化×3600/0.75/取样时间=0.07192868×3600/0.75/235=1.46918161
2.2流化曲线实验数据
气速=26.8×孔板压降^0.5×4/3600/0.1/0.1/3.14=26.8×0.2^0.5×4/3600/0.1/0.1/3.14=0.424109142
3、 绘图
3.1流化床的压降与气速曲线
3.2干燥速率曲线
3.3物料含水量、物料温度与时间的关系
图形分析
① 有图流化床的压降与气速曲线可知床层温度随时间增加而降低,且温度变化率逐渐变慢;含水率随时间增加而降低,且含水量变化率逐渐变慢。
② 由图3.2为干燥速率对物料含水量的曲线。本次试验结果只有降速干燥阶段,预热与恒速阶段未显示出来,如图可以看出,物料含水率越小,干燥速率越慢,直至平衡含水量。
③ 本次试验不存在预热与恒速阶段,原因可能与所选取的干燥物料本身性质有关。
八、结果分析及思考题讨论
1、误差分析
(1).从顶部侧边进料口加入湿小麦时,没把取样器并旋转清空里面多余物料拨干净,造成实验误差。
(2)调节空气阀门不准确,造成孔板压降值不精确,使实验有误差。
(3)取样时忘记清空取样器内残余小麦,造成取样误差。
(4)在记录床层压降、孔板压降时读取数据不够准确,造成实验误差。
(5)小麦要吹起时记录的孔板压降不够准确。
2、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:分为三个阶段:固定床阶段;流化床阶段;气流输送阶段,与理论图曲线基本相符。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(在双对数坐标中)。当气速逐渐增加(进入BC段),床层开始膨胀,空隙率开始增大,压降与气速的关系将不再成比例。
当气速不断增大,进入流化床阶段(CD段),固体颗粒随气体流动而悬浮运动,随着气速的增加,床层高度不断增加,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,便进入了气流输送阶段。D点处的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。当气速继续降低,曲线无法按CBA继续变化,而是沿CA'变化。C点处的流速被起为起始流化速度(umf)
(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?怎样避免它们的发生?
答::流化床正常操作时的阻力波动较小,若发现床层阻力比正常值低,则说明发生了沟流现象;若发现压降直线上升,然后又突然下降,则表明发生了腾涌现象。避免腾涌:增加床层直径或减小浓相区高度。避免沟流:减小颗粒粒度、避免密度大、易于粘结的颗粒,控制床径不要过大。
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:因为干燥速率NA受温度影响严重,温度升高时,干燥速率就会增大,因此会节省时间,同时,温度较高时,相应的焓值会较高,带入的热量较多,所以温度高有利于干燥操作的进行。
第二篇:化工原理——干燥题
化工原理
第十章 干燥
【考纲要求】
1.了解去湿的方法和干燥的分类;
2.掌握湿空气的性质和干球温度、湿球温度、绝热饱和温度的概念和有关计算,理解湿空气的H-I图的应用;
3.掌握干燥器的物料衡算公式及有关计算,了解热量衡算公式;
4.了解干燥速度和干燥时间;
5.理解干燥器的结构和特点;
6.掌握干燥操作条件的确定和流化床干燥器的基本操作。
【基本知识点】
一、概述
1.去湿的方法
(1)
(2)
(3)
干燥:
干燥的目的:
2.干燥的种类:
(1) 按照热能传给湿物料的方式,干燥可分为
(2) 按照操作的总压力的大小,干燥可分为
(3) 按照操作的方式,干燥可分为
3.干燥的特点及干燥条件
干燥特点:
干燥过程进行的条件是:
二、湿空气的性质和湿度图
(一)、湿空气的性质
湿空气:周围大气中干空气和水蒸气的混合物,称为“湿空气”
1.湿空气的压力
(1)定义:
(2)符号:
(3)表达式:
(4)说明:
2.湿度
(1)定义:
(2)符号:
(3)表达式:
(4)说明:
3.相对湿度
(1)定义:
(2)符号:
(3)表达式:
(4)说明:
4.湿空气的比体积
(1)定义:
(2)符号:
(3)表达式:
(4)说明:
5.湿空气的比热容
(1)定义:
(2)符号:
(3)表达式:
(4)说明:
6.湿空气的焓
(1)定义:
(2)符号:
(3)表达式:
(4)说明:
7.露点
(1)定义:
(2)符号:
(3)表达式:
(4)说明:
总结、说明:湿度和相对湿度的关系与区别:
8.干球温度、湿球温度和绝热饱和温度
(二)、湿空气的湿度图
1、湿度图的坐标及做法
2、湿度图的组成
(1)、等湿度线
(2)、等焓线
(3)、等相对湿度线
(4)、等干球温度线
(5)、蒸汽分压线
3、湿度图的应用
湿空气的两个相对独立的参数为:
三、干燥器的物料衡算
物料衡算要解决的问题是:
(1)、
(2)、
1、物料含水量的表示方法
2、水分蒸发量
水分蒸发量的三种不同形式的表达式分别为:
(1)
(2)
(3)
3.空气消耗量
空气消耗量的计算公式为:
说明:
(1)、
(2)、
(3)、
四、干燥速率和干燥时间
1、物料中所含的水分
(1)
吸附水分
毛细管水分
溶胀水分
(2)
平衡水分
自由水分
(3)
结合水分
非结合水分
这几种水分之间的关系如何?用图示的形式表示:
2、干燥速率及其影响因素
(1)干燥速率
A.定义:
B.符号:
C.表达式:
(2)干燥速率曲线
由干燥速率曲线可知:
A.
B.
C.
D.
E
(3)影响干燥速率的因素
影响因素有:
A.
B.
C.
D.
E.
F.
3.干燥时间
在恒定干燥条件下,物料从最初含水量X1,干燥到最终含水量X2所需要的时间为:
其中,等速干燥阶段的干燥时间为:
降速干燥的干燥时间为:
五、干燥器
1、工业生产对干燥器的一般要求是:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
2.干燥器的分类
3.干燥器的结构和特点
4.流化床干燥器的基本操作
【经典习题】
1.已知湿空气的总压pt=101.3kPa,相对湿度=0.6,干球温度t=30℃。试求:
①湿度H;②露点td;③绝热饱和温度;④将上述状况的空气在预热器中加热至100℃所需的热量。已知空气质量流量为100kg(以绝干空气计)/h;⑤送入预热器的湿空气体积流量,m3/h。
2.已知湿空气的总压为101.3kPa相对湿度为50%,干球温度为20℃。试用I-H图求解:
(a)水气分压p;
(b)湿度H;
(c)焓I;
(d)露点td;
(e)湿球温度tW;
(f)如将含500kg/h干空气的湿空气预热至117℃,求所需热量Q。
3.今有一干燥器,湿物料处理量为800kg/h。要求物料干燥后含水量由30%减至4%(均为湿基)。干燥介质为空气,初温15℃,相对湿度为50%,经预热器加热至120℃进入干燥器,出干燥器时降温至45℃,相对湿度为80%。
试求:(a)水分蒸发量W;
(b)空气消耗量L、单位空气消耗量;
(c)如鼓风机装在进口处,求鼓风机之风量V。
4.有一间歇操作干燥器,有一批物料的干燥速率曲线如图7-15所示。若将该物料由含水量w1=27%干燥到w2=5%(均为湿基),湿物料的质量为200kg,干燥表面积为0.025m2/kg干物料,装卸时间τ′=1h,试确定每批物料的干燥周期。
5.湿空气在总压101.3KPa、温度60℃下,湿度为0.03kg水汽/kg干气。试计算:
(1)、该湿空气的相对湿度及容纳水分的最大能力;
(2)、若总压不变,而将空气冷却至40℃,则相对湿度及容纳水分的最大能力有何变化?
(3)、若总压不变,而空气冷却至20℃,计算每千克干空气所析出水分量;
(4)、若温度仍为60℃,而将系统总压提高到150KPa,则相对湿度及容纳水分的最大能力又有何变化?
(5)、若温度仍为60℃,而将系统总压提高到600KPa,计算每千克干空气所析出的水分量。
【真题拾贝】
1.有一干燥器用空气作为介质干燥盐类结晶,每小时处理湿物料2000kg,干燥操作使物料的湿基含水量由40%减至5%,在这一过程中水分的蒸发量为( )
A.0.205kg/s B.0.205kg/h C.0.324kg/s D.0.324kg/h
2.下列关于流化床干燥器操作错误的是( )
A.开炉前首先检查送风机和引风机
B.投料前应先开大蒸汽阀门进行烤炉
C.根据进料量调节风量和热风温度
D.经常检查风机的轴承温度,机身有无振动以及风道有无漏风
3.下列关于干燥的说法正确的是( )
A.热空气作为对流干燥介质既是载热体又是载湿体
B.辐射干燥产品干燥均匀而洁净,电能消耗也少
C.目前工业上应用最普遍的传导干燥
D.常压干燥适用于干燥易氧化的物料
4.干球温度和湿球温度的差别越大,说明( )
A.湿空气的吸湿能力越弱 B.湿空气的吸湿能力越强
C.湿空气的绝对湿度越大 D.湿空气的相对湿度越大
5.选择干燥器主要根据物料的性质,下列选择错误的是( )
A.选用转筒式干燥器干燥散粒状物料
B.选用厢式干燥器干燥颗粒易破碎的物料
C.选用流化床干燥器干燥块状物料
D选用喷雾干燥器干燥牛奶、蛋粉、医药品等热敏性物料
6.对于不饱和湿空气,干球温度t,湿球温度tw和露点td,这三者的关系是( )
A.t<tw<td B.t>tw>td C.td<t<tw D.td>t>tw
7.绝热增湿过程进行到空气被水汽所饱和,则空气的温度不再下降。此温度等于循环水的温度,称为该空气的( )
A.湿球温度 B.干球温度 C.平衡温度 D.绝热饱和温度
8.适用于沸腾床干燥的物料状态是( )
A.浆状 B.膏状 C.粉粒状 D.片状
9.干燥操作时,鼓风机的送风量与空气的温度和湿度有关,选定鼓风机依据的季节是( )
A.春 B.夏 C.秋 D.冬
10、湿物料在指定的空气条件下被干燥的极限含水量称为( )。
A. 结合水; B. 平衡含水量; C. 临界含水量;D. 自由含水量
11、大量空气和少量水长期接触后水面的温度等于空气的( )。
A. 干球温度; B. 湿球温度; C. 绝热饱和温度;D. 露点温度
12、干燥操作的经济性主要取决于( )
A.能耗和干燥速率; B.能耗和热量的利用率;C. 干燥速率; D. 干燥介质。
13、空气的湿含量一定时,其温度愈高,则它的相对湿度( )。
A. 愈低、 B. 愈高; C. 不变
14、已知湿空气的总压为101.3kPa,相对湿度为70%,干球温度为20℃。试求:
(1)湿度H;(2)水蒸气分压p;(3)焓I;(4)如将空气预热到97℃进入干燥器,对于每小时100kg干空气,所需热量为多少?(5)每小时送入预热器的湿空气体积。
(水在20℃时的饱和蒸汽压2.32kPa)
15、某化工厂有一干燥器,湿物料处理量为1000kg/h。要求物料干燥后含水量由30%减至4%(均为湿基)。干燥介质为空气,初温15℃,湿度为0.005kg水/kg干气,经预热器加热至120℃进入干燥器,出干燥器时降温至45℃,湿度为0.052kg水/kg干气,风机装在预热器前。试求:
(1)水分蒸发量,kg/h;
(2)干气消耗量,kg干气/h;
风机的风量,m3/h
【习题巩固】
一.填空题
1.干燥进行的必要条件是物料表面所产生的水汽(或其它蒸汽)压力__________________。
2.干燥这一单元操作,既属于传热过程,又属______________。
3.相对湿度φ值可以反映湿空气吸收水汽能力的大小,当φ值大时,表示该湿空气的吸收水汽的能力_________;当φ=0时。表示该空气为___________。
4.在一定空气状态下干燥某物料,能用干燥方法除去的水分为__________;首先除去的水分为____________;不能用干燥方法除的水分为__________。
5.已知某物料含水量X=0.4kg水.kg-1绝干料,从该物料干燥速率曲线可知:临界含水量Xc=0.25kg水.kg-1绝干料,平衡含水量X*=0.05kg水.kg-1绝干料,则物料的非结合水分为__________,结合水分为__________,自由水分为___________,可除去的结合水分为________。
6.在等速干燥阶段,干燥速率____________,物料表面始终保持被润湿,物料表面的温度等于________________,而在干燥的降速阶段物料的温度_________________。
7.固体物料的干燥是属于______________过程,干燥过程得以进行的条件是物料表面所产生的水汽(或其它蒸汽)压力____________________________。
8.固体物料的干燥,一般分为_________________两个阶段。
9.对于不饱和空气,表示该空气的三个温度,即:干球温度t,湿球温度tw和露点td间的关系是______________。
10.由干燥速率曲线可知恒速干燥阶段所除去的水分是__________,降速干燥阶段除去的水分是_______________。
11.等速干燥阶段物料表面的温度等于__________________。
12.对高温下不太敏感的块状和散粒状的物料的干燥,通常可采用__________干燥器,当干燥液状或浆状的物料时,常采用______________干燥器。
13.恒速干燥与降速干燥阶段的分界点,称为______________;其对应的物料含水量称为_____________________。
14.物料的临界含水量的大小与______________________________________
_________________等因素有关。
15. 1kg绝干空气及_____________________所具有的焓,称为湿空气的焓。
16.在一定干燥条件下,物料厚度增加,物料的临界含水量会_________,而干燥所需的时间会____________。
二.选择题
1.干燥是( )过程。
A.传质; B.传热; C.传热和传质。
2.空气的湿含量一定时,其温度愈高,则它的相对温度( )。
A.愈低、 B.愈高; C.不变
3.当空气的t=tw=td时,说明空气的相对湿度φ( )。
A. =100%; B.>100%; C.<100%
4.湿空气经预热后,空气的焓增大,而( )。
A. H,φ都升高; B. H不变φ降低; C. H,φ都降低
5.作为干燥介质的热空气,一般应是( )的空气。
A.饱和; B.不饱和; C.过饱和
6.在一定空气状态下,用对流干燥方法干燥湿物料时,能除去的水分为( ),不能除去水分为( )。
A.结合水分; B.非结合水分;
C.平衡水分; D.自由水分。
7.恒速干燥阶段,物料的表面温度等于空气的( )。
A.干球温度; B.湿球温度; C.露点
8.影响恒速干燥速率的主要因素是( )。
A.物料的性质; B.物料的含水量; C.空气的状态
9.影响降速干燥阶段干燥速率的主要因素是( )。
A.空气的状态; B.空气的流速和流向;
C.物料性质与形状。
10.将不饱和的空气在总压和湿度不变的情况下进行冷却而达到饱和时的温度,称为湿空气的( )。
A.湿球温度; B.绝热饱和温度; C.露点
11.在干燥流程中,湿空气经预热器预热后,其温度( ),相对湿度( )。
A.升高; B.降低; C.不变
12.物料中非结合水分的特点之一是其产生的水蒸汽压( )同温度下纯水的饱和蒸汽压。
A.大于; B.小于; C.等于
13.实验结果表明:对于空气一水蒸汽系统,当空气流速较大时,其绝热饱和温度( )湿球温度。
A.大于; B.等于; C.小于; D.近似等于
14.对不饱和的湿空气,其露点( )湿球温度( )干球温度。
A.大于; B.等于; C.小于
15.在一定的干燥条件下,物料厚度增加,物料的临界含水量XC( ),而干燥所需的时间( )。
A.增加; B.减少; C.不变
16.若离开干燥器的空气温度(t)降低而湿度(H)提高,则干燥器的热效率会( ),而空气消耗量会( )。
A.减少; B.不变; C.增加