化工原理实验报告~流化床干燥实验

时间:2024.3.4

化工原理实验报告

实验名称:流化床干燥实验

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。

实验仪器:

          电子测量仪、烘箱、流化床实验设备一套

实验原理:

1、  流化曲线

            在试验中,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下

  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,压降与气流成正比,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点出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。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点处的流速被称为起始流化速度(umf)。

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。干燥过程可分以下三个阶段。

        图-1

        图-2

(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

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

                      

式中,u——干燥速率,kg水/(m2s)

    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2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,而其还受物料性质结构及含水量的影响。

实验流程图:


图1、流化床干燥实验装置流程示意图

1、空气加热器    2、放净口   3、不锈钢筒体    4、取样口

5、玻璃筒体   6、气固分离段   7、加料口   8、旋风分离器

9、孔板流量计d0=20mm    10、风 机   11、湿球温度水筒

          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,其余军用不锈钢制造。床身筒体部分由不锈钢段(直径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)。不锈钢筒体上设有物料取样器、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。

实验步骤:

1、  干燥实验

(1)、实验开始前的准备

a、将电子天平开启,并处于待用状态。

b、打开烘箱电源,并将盛绿豆的小器皿按1~9的序号编号,称量各自的重量,记录下来。

c、打开实验设备总电源,启动风机,使风机在50HZ下运转,同时打开手动控制按钮,调节加热器电源电压,使筒体内温度达到65℃左右。

d、关掉风机,将浸湿的绿豆导入到筒体内,在打开风机使其在50HZ下运转,开始干燥实验。

(2)、开始实验及数据采集

a、4分钟后通过取样管从筒体中取小器皿的绿豆,称量重量,并记下此时的床身温度、干球温度、湿球温度、空气压力、孔板压降、床层压降。将称量后的样品放入烘箱内烘干。接下来按同种方法每4分钟取一次数据。

b、数据取完以后,等样品烘干以后取出,称量重量,并记录下对应的重量。

2、流化床实验

a、风机在50HZ下运转,记录第一组数据,即空气压力、孔板压降、床层压降。接下来将风机每调低5HZ记录一组数据,注意等数据稳定以后再记录。

b、实验完毕,将筒体内的绿豆清理出来,关掉加热器和风机电源。打扫实验室并离开。

实验数据及处理:

1、  流化床压降与气速关系图

根据公式Vs=26.2△P0.54求出Vs, 由u=Vs/A求得u, A=3.14×0.052=7.85×10-3m2

由以上公式求得各u值如数据表所示。根据数值可在双对数坐标系中描出关系图如下:

Vs=26.2△P0.54    取第一组数据计算,Vs=26.2×3.720.54=53.26 m3/h

u=Vs/A,取第一组数据计算,u=53.26×4/(3.14×3600×0.1×0.1)=1.88  m/s

2、求干燥速率和物料含水量关系、平衡含水量、恒速干燥阶段的传质系数KH

(1)、干燥速率与含水量关系图的求取

       Gsi= m2- m1 =20.46-11.05=9.41 g

        Gci= m3- m1 =17.28-11.05=6.23 g

       Xi=(Gsi - Gci)/ Gci =(9.41-6.23)/6.23=0.51

       X=( Xi + Xi+1)/2=(0.51+0.23)=0.37

       u= Xi /(A* )=0.51÷1.23÷4÷60=0.115  kg水m-2s-1

干燥速率与含水量相关数据表:

所得关系图如下:

  

(2)、处理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变化的关系曲线的数据,所得各数据如下表:取第一组数据处理

         V1=26.2*△P0.54=26.2*3.660.54=52.79 m3/h

         Vs =52.79*101.3*(273.15+42.4)/[(2.80+90)*293.15]=62.03 m3/h

         u =4*62.03/(3600*3.14*0.01)=2.20 m/s

  

所得各关系图如下:

   

    

(3)、平衡含水量、恒速干燥阶段的传质系数KH。

由于实验中取样品时没有转动取样管使所取数据不准确,从而使所求速率出现太大的波动,无规律可循,所以无法有效显示出干燥速率与含水量的关系,也就无法读出临界含水量下的干燥速率。

利用另一组实验所得数据进行传质系数的求取,数据如下表:

利用干燥速率与平均含水量作图如下:

       由上图可以读出临界含水量Xc=0.310,对应干燥速率uo=3.65 kgm-2h-1

       看表知干燥速率uo =3.65 kg水m-2h-1时,干球温度33.3℃,湿球温度81.5℃,查化工原理下册P237知对应的空气湿度H=0.015 kg水汽/kg空气

        在t=81.5℃时,查化工原理上册P264水的饱和蒸汽压表可知,此时Ps=50301.635 PaP=90 kPa

        Hw=0.622=0.622=1.267 kg水汽/kg空气

        由公式uo =kH(Hw-H)求得传值系数kH,kH===2.915 kg空气m-2h-1

        降速阶段的比例系数Kx=uo/Xc=3.65/0.310=11.77 kgm-2h-1

      

实验结论及误差分析:

1、  系统误差,人为操作所造成的误差,读取数据时的随意性也可导致误差,在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等。取豆子时没有将取样筒不停转动,使所取豆子不是即时干燥的,这给实验数据带来很大的误差,甚至得到错误的实验数据,如求得速度为负值对应的数据和波动特别大的数据。

2、  实验结论。实验所得各关系图如上;求得临界含水量Xc=0.310,传值系数kH =6.104 kg空气m-2h-1,比例系数Kx=11.77 kg水m-2h-1

3、  思考题:

(1)、本实验所得的流化床压降与气速曲线有何特征?

随着流速的慢慢加大,流化床压降与之呈线性增大。当流速达到一定值时,流化床压降保持不变,速度继续增大到一定值,压降又开始随流速的增大而增大。

(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?

如果床内出现腾涌,压降有大幅度的起伏波动;如果床内发生的是沟流,存在局部未流化的死床,此时床层压降必小于床层重量与空床截面积的比值。避免产生腾涌与沟流的方法一般有一下几种:增加分布板阻力;采用内部构件;采用小直径、宽分布的颗粒;采用细颗粒、高气速流化床。

(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?

     流化床层干燥属于对流干燥,是一热、质反向传递过程。物料表面温度低于气流温度,气体传热给固体。气流中的水汽分压低于固体表面水的分压,水被汽化并进入气相,湿物料内部的水分以液态或水汽的形式扩散至表面。因此,对于同一湿度的空气,温度较高有利于干燥操作的进行。

(4)、本装置在加热器入口处装有干、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。

利用湿球温度计测得温度查表得到该温度下的饱和蒸汽压Ps,再由公式Hw=0.622求得湿度H。P为当地大气压。


第二篇:化工原理实验流化床干燥实验报告



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。                                      

2:物料含水量、物料温度与时间的关系

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

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. 干燥速率曲线测定数据

小麦比表面积:

表一:流化床干燥条件数据

计算过程示例(以第一组数据为例):

小麦含水量:

平均含水量:

汽化水分量:

干燥速率:

2. 流化床实验数据

沸腾床内径:0.1m

表二:流化床压降与流速实验数据

计算过程示例(以第一组数据为例):

六、作图分析及结果讨论

1.干燥特性曲线

由表一和表二数据,作出物料含水量、物料温度与时间的关系图像及干燥速率图像,如下所示:

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。

由图6可以看出,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,干燥过程主要是对结合水分的干燥。同时,从图中也可大致读出平衡含水量Xc=0.37kg水/kg绝干物料。

2.流化曲线

该流化曲线是在双对数坐标中作出的。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=0.83m/s),进入流化阶段,床层压降基本保持不变。

七、误差分析

1. 干燥实验

   A.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。

   B.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。

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。

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)

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