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 kg水m-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 Pa，P=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 kg水m-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

第二篇：化工原理实验报告~流化床干燥实验

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 kg水m-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 Pa，P=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 kg水m-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。