流化床干燥实验

一、 实验目的

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： dW u? Ad?

式中u——干燥速率，kg水/（m2.s）；

2 A——干燥表面积，m；

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。 X?Xi?1 X?i 2

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。 Xi?Gsi?Gci Gci

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

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）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。 （2）加水

在加水口加入适量水，使物料润湿。 （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）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。

五、数据处理（示例）

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

Vs26.2?p0.54

u??S?d2代入相关数据可得，u=1.7981 m/s

六、实验结论及误差分析

第二篇：流化床固体干燥仪实验指导书

化学工程实验仪器系列产品

CEA—M05型

流化床固体干燥仪实验指导书

一、实验目的

固体是利用热能使固体物料与湿分分离的操作。在工业中，固体干燥有多种方法，其中以对流干燥方法，应用最为广泛。对流干燥是利用热空气或其他高温气体介质掠过物料表面，介质向物料传递热能并同时物料向介质中扩散湿分，达到去湿之目的。对流干燥过程中，不仅同时在气固两相发生传热和传质过程，其过程机理颇为复杂。并且，对流干燥设备的型式又多种多样。因此，目前对干燥过程的研究仍以实验研究为主。

干燥过程的基础实验研究是测定固体湿物料的干燥曲线，临界湿含量和干燥速度曲线等基础数据。

本实验采用流化床干燥器，以热空气为干燥介质，以水为湿分，测定固体颗粒物料（硅胶球形颗粒）的干燥曲线和干燥速度曲线，以及临界点和临界湿含量。通过实验掌握对流干燥的实验研究方法，了解流化床干燥器的主要结构与流程，以及流态化干燥过程的各种性状，并进而加深对干燥过程原理的理解。

二、实验原理

1. 干燥曲线

在流化床干燥器中，颗粒状湿物料悬浮在大量的热空气流中进行干燥。在干燥过程中，湿物料中的水分随着干燥时间增长而不断减少。在恒定空气条件（即空气的温度、湿度和流动速度保持不变）下，实验测定物料含水量随时间的变化关系。将其标绘成曲线，即为湿物料的干燥曲线。湿物料含水量可以湿物料的质量为基准（称之为湿基），或以绝干物料的质量为基准（称之为干基）来表示：

当湿物料中绝干物料的质量为，水的质量为时，则

以湿基表示的物料含水量为

kg（水）/kg（湿物料）　　　　　　　　　　（1）

以干基表示的湿物料含水量为

　　　kg（水）/kg（绝干物料）　　　　　　　　（2）

湿含量的两种表示方法存在如下关系：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

在恒定的空气条件下测得干燥曲线如图1所示。显然，空气干燥条件的不同，干燥曲线的位置也将随之不同。

图1　干燥曲线　　　　　　　　　　　　　图2　干燥速度曲线

2. 干燥速度曲线

物料的干燥速度即水分气化的速度。

若以固体物料与干燥介质的接触面积为基准，则干燥速度可表示为

　kg·m·s　　　　　　　　　　　　　（5）

若以绝干物料的质量为基准，则干燥速度可表示为

　s或kg（水）·kg（绝干物料）·s　　　　　（6）

式中：    —绝干物料的质量，kg；

              —气固相接触面积，m²；

              —物料的含水量，kg（水）·kg（绝干物料）；

              —气固两相接触时间，也即干燥时间，s。

由此可见，干燥曲线上各点的斜率即为干燥速度。若将各点的干燥速度对固体的含水量标绘成曲线，即为干燥速度曲线，如图2所示。干燥速度曲线也可采用干燥速度对自由含水量进行标绘。在实验曲线的测绘中，干燥速度值也可近似地按下列差分式进行计算：

　s　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）

3. 临界点和监界含水量

从干燥曲线和干燥速度曲线可知，在恒定干燥条件下，干燥过程可分为如下三个阶段：

（1）物料预热阶段当湿物料与热空气接触时，热空气向湿物料传递热量，湿物料温度逐渐升高，一直达到热空气的湿球温度。这一阶段称为预热阶段，如图1和图2中的AB段。

（2）恒速干燥阶段由于湿物料表面存在液态的非结合水，热空气传给湿物料的热量，使表面水分在空气湿球温度下不断气化，并由固相向气相扩散。在此阶段，湿物料的含水量以恒定的速度不断减少。因此，这一阶段称为恒速干燥阶段，如图1和图2中的BC段。

（3）降速干燥阶段当湿物料表面非结合水已不复存在时，固体内部水分由固体内部向表面扩散后气化，或者气化表面逐渐内移，因此水分的气化速度受内扩散速度控制，干燥速度逐渐下降，一直达到平衡含水量而终止。因此这个阶段称为降速干燥阶段，如图1和图2中的CDE段。

在一般情况下，第1阶段相对于后两阶段所需时间要短得多，因此一般可略而不计，或归入BC段一并考虑。根据固体物料特性和干燥介质的条件，第2阶段与第3阶段的相对比较，所需干燥时间长短不一，甚至有的可能不存在其中某一阶段。

第2阶段与第3阶段干燥速度曲线的交点称为干燥过程的临界点，该交点上的含水量称为临界水量。

干燥速度曲线中临界点的位置，也即临界含水量的大小，受众多因素的影响。它受固体物料的特性，物料的形态和大小，物料的堆积方式，物料与干燥介质的接触状态以及干燥介质的条件（湿度、湿度和风速）等等因素的复杂影响。例如，同样的颗粒状固体物料在相同的干燥介质条件下，在流化床干燥器中干燥较在固定床中干燥的界界含水量要低。因此，在实验室中模拟工业干燥器，则定干燥过程临界点和临界含水量，干燥曲线和干燥速度曲线，具有十分重要意义。

三、实验装置

流化干燥实验装置由流化床干燥器、空气预热器、风机和空气流量与温度的测量与控制仪表等几个部分组成。该实验仪的装置流程如图3所示。

图3　流化床干燥器干燥曲线测定的实验装置流程

1. 风机；2. 放空阀门；3. 调节阀；4. 消声器；5. 孔板流量计；6. 空气预热器；7. 流化床干燥器；8. 排气口；9. 采样器；10. 卸料口；11. U形压差计；12. 温度控制与测量仪。

空气由风机经孔板流量计和空气预热器进入流化床干燥器。热空气由干燥器底部鼓入，经分布板分布后，进入床层将固体流化并进行干燥。湿空气由器顶排出，经扩大段沉降和过滤器过滤后放空。

空气的流量由调节阀和旁路放空阀联合调节，并由孔板流量计计量。热风温度由温度控制仪自动控制，并数字显示床层温度。

固体物料采用间歇操作方式，由干燥器顶部加入，试验毕在流化状态下由下部卸料口流出。分析用试样由采样器定时采集。

流化床干燥器的床层压降由U形压差计测取。

四、实验方法

实验前的准备工作：

（1）将硅胶颗粒用纯水浸透，沥去多余水分，密闭静置1－2小时后待用。将称量瓶洗净、烘干，并称重后，放入保干器中待用。

（2）启动风机然后打开干燥器的入口调节阀，。按预定的风量缓慢调节风量（风机上的旋钮、放空阀和入口调节阀三者联合调节）。本实验的风量一般控制在30m³·h左右为宜。

（3）每次采集的试样放入称量瓶后，迅速将盖盖紧。用天平称取各瓶重量后，放入烘箱在150－170℃下烘2－4小时。烘干后将称量瓶放入保干器中，冷却后再去称重。

（4）实验完毕，先关闭电热器，直至床层温度冷却至接近室温时，打开卸料口收集固体颗粒于容器中待用。然后，依次打开放空阀，关闭入口调节阀，关闭风机，最后切断电源。

若欲测定不同空气流量或温度下的干燥曲线，则可重复上述实验步骤进行实验。

实验注意事项：

（1）实验开始时，一定要先通风，后开电热器；实验毕，一定要先关掉电热器，待空气温度降至接近室温后，才可停止通风，以防烧毁电热器。

（2）空气流量的调节，先由放空阀粗调，再由调节阀细调，切莫在放空阀和调节阀全闭下启动风机。

（3）使用采样器时，转动和推拉切莫用力过猛，并要注意正确掌握拉动的位置和扭转的方向和时机。

（4）试样的采集、称重和烘干都要精心操作，避免造成大的实验误差，或因操作失误而导致实验。

五、实验结果

1. 测量并记录实验基本参数。(参数以实验数据处理软件内为准)

（1）流化床干燥器

       床层内径：                                mm

       静床层高度：                         mm

（2）固体物料

       固体物料种类：

       颗粒平均直径：                       mm

       湿分种类：

       起始湿含量：                          kg（水）/kg（绝干料）

（3）干燥介质

       干燥介质种类：

       干球温度：                               ℃

       湿球温度：                             ℃

       湿　　度：                             kg（水）/kg（绝干料）

（4）孔板流量计

       孔内径：                                 mm

       管内径：                                  mm

       孔流系统：                 

2. 记录测得的实验数据。

（1）实验条件

       操作压力：                                MPa

       空气流量计读数：                   mmH₂O

       空气流量量：                         m³·s

       空气的空塔速度：                    m·s

       空气的入塔温度：                    ℃

       流化床的流化高度：               mm

       流化床的膨胀比：      

4. 将在一定干燥条件下测得的实验数据，标绘出干燥曲线（W－t曲线）和床层温度变化曲线（T_b－t曲线）。

5. 由干燥曲线标绘干燥速度曲线。

6. 根据实验结果确定临界点和临界湿含量。