一、 实验题目:流化床干燥实验
二、 实验时间:2012.05.23
三、 姓名:沈延顺
四、 同组人:覃成鹏、臧婉婷、王俊烨
五、 实验报告摘要:
本实验利用流化床干燥器间歇干燥泡水小麦进行干燥曲线,干燥速率曲线测定。使用电子托盘天平测量干湿状态下物料重量,使用电烤箱干燥物料1小时,视为自由水含量为零的绝干物料。
六、 实验目的及任务
1.了解流化床干燥器的基本流程及操作方式。
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。
七、实验基本原理
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(下图)。
当气速较小时,操作过程处于固定床阶段(AB段),床层基本不动,压降与流速成正比,斜率约为1。当气速逐渐增加(进入BC段),床层开始膨胀,压降与气速关系不再成比例。当气速逐渐增大,进入流化阶段(CD段),固体颗粒随气体流动而悬浮运动,随气速增加床层高度逐渐增加,但床层压降基本保持不变。当气速增大到某一值(D点),床层压降减小,颗粒逐渐被气体带走,此时便进入气流输送阶段。D点处流速即为带出速度。在流化状态下降低气速,压降与气速关系将沿图中DC线返回至C点。若气速继续降低,曲线沿CA’变化。C点处流速被称为起始流化速度。
2、干燥特性曲线
将湿物料置于一定干燥条件下,测定被干燥物料的质量和温度随时间变化的关系,可见物料含水量(X)与时间(t)的关系曲线及物料温度(θ)与时间(t)的关系曲线(如下图左)。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,及干燥速率曲线(如下图右)。
干燥过程分为以下三个阶段:
(1)物料预热阶段(AB段):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温度,传入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),由于物料内部水分扩散慢于物料表面蒸发,不足以维持物料表面湿润,而形成干区,干燥速率开始降低,物料速度逐渐上升,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。
八、实验装置
流化床干燥实验装置如下图:
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。
本装置主要包括三部分:流化床干燥设备、调节仪表和控制系统。
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、温度计等,分别用于取样、放净和测温。床身顶部气固分离段设有加料、测压,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。
本装置空气流量采用孔板流量计计量,其流量Vs可以通过
本实验装置的旋风分离器,可以除去干燥物料的粉尘。
本实验引入了计算机在线数据采集和控制技术,加快了数据的记录和处理速度。
九、操作要点
1、 流化床实验
①加入固体物料至玻璃段底部。
②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)实验开始前
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(以绿豆为例),取0.5kg左右放入热水(60~70℃)中泡20~30min,取出,并用干毛巾吸干表面水分,待用。
④湿球温度计水筒中补水,但液面不得超过预警值。
(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(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,打开进料口,将待干燥物料徐徐倒入,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)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
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。
③电子天平和快速水分测定仪要按说明操作。
十、实验原始数据
表一:
表二:
十一、实验数据处理
1、干燥实验:
(1)、处理过程:
(2)、图形处理结果:
流化床干燥曲线:
干燥速率曲线:
2、流化实验:
(1)、实验处理过程:
(2)、图形处理结果:
十二、实验结果分析:
1. 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。
由于鼓风机可以通入的最高气速有限,不能达到带出速度,无法达到压降随气速下降的气力输送段曲线。
2.观察干燥曲线可以看出前半段因为小麦表面富水过剩,导致颗粒在床底聚集粘黏在一起,表现出压降很大,可以推断出颗粒间空隙较少,而孔板压降变化不大,说明气体流量变化不大,说明颗粒间局部气速很大,导致干燥速率高于后半段。
后半段干燥速率曲线呈直线状,可知处于恒速干燥阶段。
3.观察干燥速率曲线,与理论曲线比较,可以发现处于恒速干燥阶段。没有到降速干燥阶段。最后时刻含水率仍然不是很低,干燥不是十分彻底。
十三、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。
第二篇:干燥实验报告
北 京 化 工 大 学
实 验 报 告
课程名称: 干燥实验 实验日期: 20##-5
班 级: 化工0906 姓 名: 郭智博
同 组 人:常成维 尉博然 黄金祖 学 号:200911175
干燥实验
一、摘要
本实验在了解沸腾流化床干燥器的基本流程及操作方法的基础上,通过沸腾流化床干燥器的实验装置测定干燥速率曲线,物料含水量、床层温度与时间的关系曲线,流化床压降与气速曲线。
干燥实验中通过计算含水率、平均含水率、干燥速率来测定干燥速率曲线和含水量、床层温度与时间的关系曲线;流化床实验中通过计算标准状况下空气体积、使用状态下空气体积、空气流速来测定流化床压降与气速曲线。
二、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(如图)。
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(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)。
在生产操作过程中,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(见下图)。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(见下下图)。干燥过程可分以下三个阶段。
(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街含水量(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润湿,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;
Xi,Xi+1——△τ时间间隔内开始和终了是的含水量,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。
四、操作步骤
1、将450g小麦用水浸泡2-3小时后取出,沥干表面水分。
2、检查湿球温度及水罐液位,使其处于液位计高度1/2处。
3、从加料口将450g小麦加入流化床中。
4、启动风机、空气加热器,空气流量调至合适值,空气温度达到设定值。
5、保持流量、温度不变,间隔2-3分钟取样,每次取10克,将湿物料及托盘测重。
6、装入干燥盒、烘箱,调节烘箱温度125℃,烘烤一小时,称干物料及托盘重量
7、干燥实验过后,关闭加热器,用剩余物料测定流化曲线,从小到大改变空气流量10次,记录数据。
8、出料口排出物料,收集,关闭风机,清理现场。
五、实验设备图
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、数据处理
1、干燥速率曲线测定
以第二组数据为例,计算过程如下:
含水量:kg水/kg绝干物料
平均含水量: kg水/kg绝干物料
干燥速率: u水/gm-2s-1
2、流化曲线测定
以第三组数据为例,计算过程如下:
七、实验结果及作图分析
双曲线坐标下△p——u图
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,压降与流速成正比。当气速逐渐增加,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,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,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。
2、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,所对应的饱和蒸汽压也较高,而湿度相同,即水汽分压相同,这样就使得在较高的温度下,空气的相对湿度较小。故传质推动力较大,有利于干燥操作的进行。同时,同一湿度的空气,温度较高者单位质量所携带的热量多,可使干燥过程所需的空气用量减少,同时废气带走的热量相应减少,热效率也会提高。
3、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。
答:由加热器入口处测得的干、湿球温度可在空气的焓湿图上找到初始的状态点,并确定焓值,因为绝热增湿过程是等焓过程,可由等焓线求得干燥器内空气的平均湿度。
4、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。
方法1
方法2
认为实验所测干湿球温度为干燥器出口湿空气的状态。
方法1说明:由于认为该干燥属于等焓增湿过程,则空气的湿球温度不变,为31.5℃,且焓也不变。
则以进口空气计算为例:
tw = 41.2℃时,饱和蒸汽压Ps=7.868kpa
rw = 2420.37 kJ/kg
则Hw = 0.622 Ps/(P-Ps) = 0.622 ×4.624 /(101.325-4.624)
= 0.030 kg水汽/kg干气
H = Hw -(t-tw) · 1.09/ rw
= 0.030 -(70-31.5) ·1.09/ 2420.37 = 0.013 kg水汽/kg干气
由H = 0.622 P水汽/(P- P水汽)得:
P水汽 = H P /(H+0.622)= 2.07 kpa
70℃时饱和蒸汽压Ps = 31.157kpa
φ= P水汽/Ps1 =2.07 /31.157 = 6.64%
I 1=(1.01+1.88H)t+2500H
= (1.01+1.88×0.013)70+2500×0.013 = 104.91kJ/kg干气
方法2说明:
①确定出口湿空气的状态参数:在焓湿图上,找到t=tW的线与φ=100%的线的交点A,过A的等焓线与t=t的线交于点B,B即为湿空气的状态点,进而可以查得p水汽,H,φ,I。
②确定进口湿空气的状态参数:因为是绝热增湿过程,I与tW不变,故沿等焓线上升到t=70℃时,即为进口湿空气的状态点,同理可查的p水汽,H,φ。