实验报告

                 

    题目：测定3um石英砂临界流化速度

            

组别：第3组

            

日期：2016年1月26日

                                                                                                                                                                                     

 

 

 

 

            

                                                                                                                                                                                     

                                                                                                                                                                                     

                                                                                                                                                                                     

            

 

                流化床临界速度的测量实验报告

一、实验目的

1）观察流态化的实验现象，学习通过颗粒床层流动特性的测量方法；

2）了解测量临界流化速度的方法和仪器的使用；

3）测定临界流化速度，并作出流化曲线图；

二、实验原理

流态化是一种使用固体颗粒通过与流体接触而转变成类似于流体状态的操作。近年来，这种技术发展很快，许多工业部门在处理粉粒状物料的输送、混合、涂层、换热、干燥、吸附、煅烧和气---固反应过程等过程中，都广泛地应用了流态化技术。

     固体流态化过程的基本概念

如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的

阶段，如下图所示：

                             

         固定床                 流化床                气力输送

                         流化过程的几个阶段

1）固定床阶段

如果流体通过颗粒床层的表观速度（即空床速度）U较低，使颗粒空隙中流

体的真实速度U₁ ,则小于颗粒的沉降速度U_t 则颗粒基本上保持静止不动，颗粒称为固定床。

2）流化床阶段

当流体的表观速度U加大到某一数值时，真实速度U₁比颗粒的沉降速度U_t

大了，此时床层内较小的颗粒将松动或“浮起”，颗粒层高度也有明显增大。但随着床层的膨胀，床内空隙率ε也增大，而U₁=U/ε，所以，真实速度U₁随后又下降，直至降到沉降速度U_t为止。也就是说，在一定的表观速度下，颗粒床层膨胀到一定程度后将不再膨胀，此时颗粒悬浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床。因为流化床的空隙率随流体表观速度增大而变化，因此，能够维持流化床状态的表观速度可以有一个较宽的范围。实际流化床操作的流体速度原则上要大于起始流化速度，又要小于带出速度，而这两个临界速度一般均有实验得出。

3） 颗粒输送阶段

如果继续提高流体的表观速度U，使真实速度U₁大于颗粒的沉降速度U_t，则颗粒将被气流带走，此时床层上界面消失，这种状态称为气力输送。

2、固体流态化的分类

    流化床按其性状的不同，可以分为两类，即散式流态化和聚式流态化。

    散式流态化一般发生在液—固系统，此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动程度是平缓的加大的，床层的上界面较为清晰。

聚式流态化一般发生在气—固系统，这也是目前工业上应用较多的流化床形式，从开始流态化开始，床层的波动逐渐加剧，但其膨胀程度却不大。因为气体与固体的密度差别较大，气体要将固体颗粒推起来比较困难，所以只有小部分气体在颗粒间通过，大部分气体则汇成气泡穿过床层，而气泡穿过床层时造成床层波动，它们在上升过程中逐渐长大和相互合并，到达床层顶部则破裂而将该处的颗粒溅散，使得床层上界面起伏不定。床层内的颗粒则很少分散开来各自运动，而多是聚结成团地运动，成团地被气泡推起或挤开。

聚式流态化

聚式流态化床中有以下两种不正常现象：

腾涌现象  如果床层高度与直径的比值过大，气速过高时，就容易产生气泡的相互聚合，而成为大气泡，在气泡直径长大到与床径相等时，就将床层分为几段，床内物料以活塞推进的方式向上运动，在达到上部后气泡破裂，部分颗粒又重新回落，这既是腾涌，又称为节涌。腾涌严重地降低床层的稳定性，使气—固之间的接触状况恶化，并使床层受到冲击，发生振动，损坏内部构件，加剧颗粒的磨损与带出。

沟流现象  在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分别不良，可在床内局部地方形成沟流。此时，大量气体经过局部地区的通道上升，而床层的其余部分仍处于固定床阶段而未被流化（死床）。显然，当发生沟流现象时，气体不能与全部颗粒良好接触，将使工艺过程严重恶化。

3、流化床压降与流速的关系

流化速度定义：

                   

流化数：   n=U/Umf

流化形成的条件和流态化的基本特征：

    （1）流态化是一种由于流体向上流过固体颗粒堆积的床层，使得颗粒具有一般流体性质的现象。

（2）当流体速度较低时，床层处于固定床状态，此时，流体与床层压降的关系可用Ergun公式（Ergun，1949）表示。Ergun公式是流态化原理中十分重要的一个公式：

                       

          △P－床层压降

          H－床高

          ε－床层空隙率

          μ－流体动力粘度

          u－表观流速

          dv－颗粒等体积当量直径

         ρf－流体密度

当流体流速达到临界流化速度后，△P与流速的关系不再遵从Ergun公式。

   

均匀粒度沙粒床层的压降与气速的关系：

宽筛分粒度床层的压降与气速的关系：

当床料处于临界流化状态时：

                       

上式与Ergun公式联立，并考虑颗粒球形度φs后可得：

      

Wen C. Y.和Yu Y. H.试验发现：

                         

代入前式得到:

          

即：

             式中，C1＝33.7，C2＝0.0408

当颗粒较细，Remf较小时，Ergun公式中的粘性力项占主导，惯性力项可忽略，即：

时               

            

当颗粒较粗，Remf较大时，Ergun公式中的惯性力项占主导，粘性力项可忽略，即：

时

          

采用Grace公式（C1=27.2;C2=0.0408）计算得到的Remf与压力条件下的测试结果比较吻合： 

Grace公式：   

三、实验方法

实验过程中，由于测压是测的布风板以下和装置出口的压力，所以测的压力多了布风板的压力，得到的总压为：?P=?P_布风板+?P_物料

因此，实验前先测定布风板总压?P_布风板，再测定有物料时候的总压?P_物料。这样就计算出实际要测定的总压。

四、实验装置和仪器

                     

                         实验装置

   主要仪器：冷态流化床实验装置，空气压缩机，U形压差管，烧杯，电子秤。           

五、实验步骤

1、首先用烧杯称取500g石英砂，筛分直径为0.03um，作为实验备用；

2、检查实验设备的连接是否完好的；

3、开始测空床布风板的压差，启动风机，调整流量到0，稳定之后再调到250，稳定后记录，然后按照压差差值为250逐渐上调，依次记录数据，直到调到2500，然后再以250的差值往下调，调到250，记录数据。实验重复测定三次。停止风机运行。

4、测定完布风板压力后，开始装入物料。启动风机，调整流量到0，稳定之后再调到250，稳定后记录，然后按照压差差值为250逐渐上调，依次记录数据，并观察流化态的生成过程，预测临界点，在临界点出作微调，然后再以250的差值调，直到调到2500，然后再以250的差值往下调，同样在临界点作微调，然后再以250的差值调到250，记录数据。并记录下实验过程中出现流化态时的图片，实验重复测定三次。

5，测定完物料压力后，停止运行，取出物料，整理数据。

六、实验数据

1、空床压差

2、物料压差

3、物料高度差

七、实验数据整理

1，原始数据：流量计单位m³/h，最大量程2.5m³/h，温度20°（室温），流化床直径60*5mm（60是外径，内径50），U形管里面介质是水，石英砂质量为500g,筛分直径为300um。

2,由于实验的上行数据存在迟滞效应，所以所以结果采用下行数据，其中实际需要测量的压差为：?P=?P_布风板+?P_物料，所以临界流化压差为?P_物料=?P-?P_布风板，实验数据整理如下：

3数据处理得到的折线图：

4实验图片

 

八、数据分析与结果

根据                

由所以所得数据，可知在流量为950m3/h的时候，为临界流化状态开始的临界点，这个时候的压差均值在1830pa。

由公式               u_mf=Q/F=950/0.05*3.14²*3600=0.54   m²/s

再由Grace公式计算：

              

其中Ar为阿基米德数：Ar=Lgρ_l(ρ-ρ_l)/μ²
     得到 u_mf=0.4592

   误差为=（0.54-0.4592）/0.54=14.96%

九、实验总结

  通过实验，结果数据分析与处理，可以看到，实验得到的结果，与用Grace经验公式计算的误差不是很大，出现误差的原因是不可避免的，因为所有条件可能不一样，实验装置本身的误差也会导致误差的出现。总之，通过实验，对实验过程有了了解，对传热传质的过程有了实际的了解。在这次实验当中，首先感谢吴烨老师的指导，其次就是各组员的合作，让实验顺利进行。

第二篇：流化床干燥实验报告

北京化工大学

学生实验报告

    

      

实验名称：流化床干燥实验

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k_H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（u_mf）。

    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：                                     

                               

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；

X_i、X_i+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G_si——第i时刻取出的湿物料的质量，kg；

G_ci——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

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。

五、数据处理

表1.干燥实验相关数据记录表

以第一组数据计算

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

表2.干燥实验相关计算结果表

表3.流化实验相关计算结果表

以第一组数据为例

代入相关数据可得，u=1.7981 m/s

六、实验结论及误差分析

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。

2．观察干燥速率曲线，与理论曲线比较，可以发现没有了恒速干燥阶段，分析可能原因是，湿小麦在取样前还没达到流化阶段，却一直被热空气给吹着，小麦表面的非结合水在取样前已经被热空气蒸发没了。

七、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增加，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）