北 京 化 工 大 学

实   验   报   告

                                                                                          

课程名称：    化工原理实验                       实验日期： 

班    级：                                       姓    名： 

同 组 人：                                       装置型号： 沸腾干燥实验装置

 

流化床干燥实验

一、   摘要

本实验通过对湿的小麦的干燥过程，要求掌握干燥的基本流程及流化床流化曲线的定，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的变化关系，并确定临界含水量X0及恒速阶段的传值系数kH及降速阶段的比例系数KX。

二、关键词： 流化床干燥、物料干燥速率、物料含水量、流化床床层压降、临界含水量

三、实验目的及任务

1、熟悉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及恒速阶段的传值系数kH及降速阶段的比例系数KX

四、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。（如图一）

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。

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点当气速继续降低，曲线无法按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，干燥过程可分为以下三阶段。

（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湿球的温度,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小, 

     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，物料温度开始上升。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气化的水分量，用微分式表示

          

        式中 u----干燥速率,kg水/（m^2s）

             A----干燥表面积，m^2

             dτ---相应的干燥时间，s

             Dw----气化的水分量，kg.

   图3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。

五、实验流程

图一、沸腾干燥实验装置和流程

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

六、实验操作

1.  干燥实验

（1）实验开始前

①  将电子天平开启，使处于待用状态

②  将烘箱开启备用

③  准备好被干燥物料（麦子）

（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，控制表面加热器温度，或空气温度稳定，打开进料口，将待干燥物徐徐倒入，关闭进料口.

(3)测定干燥速率曲线

 ①取样，用取样管推入拉出取样，每隔3min一次，取出样品放入小器皿中，编上编号并记录取样时间，称量取出样品重量，然后放入烘箱烘烤40min，再次称量样品重量，如此取样8-10次，并记录。做完后，关闭加热器和风机电源。

 ②数据记录，每次取样同时，要记录床层温度，空气干球﹑湿球温度，流量和床层压降等。

2.  流化床实验

加入固体物料至玻璃段底部，调节空气流量，测定不同流量下的床层压降。

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

    每次取出样品，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℃，1h后取出，在电子天平上称取其重量，此质量即可视为绝干物料质量。

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。

七﹑数据记录与处理

1、 原始数据记录

2、  示例计算

2．1干燥实验

含水量=（物料湿重—物料干重）/物料干重=(5.37-4.08)/4.08=0.316176

干燥速率=含水量变化×3600/0.75/取样时间=0.07192868×3600/0.75/235=1.46918161

2．2流化曲线实验数据

气速=26.8×孔板压降^0.5×4/3600/0.1/0.1/3.14=26.8×0.2^0.5×4/3600/0.1/0.1/3.14=0.424109142

3、  绘图

3.1流化床的压降与气速曲线

3.2干燥速率曲线

3.3物料含水量、物料温度与时间的关系

图形分析

①       有图流化床的压降与气速曲线可知床层温度随时间增加而降低，且温度变化率逐渐变慢；含水率随时间增加而降低，且含水量变化率逐渐变慢。

②       由图3.2为干燥速率对物料含水量的曲线。本次试验结果只有降速干燥阶段，预热与恒速阶段未显示出来，如图可以看出，物料含水率越小，干燥速率越慢，直至平衡含水量。

③       本次试验不存在预热与恒速阶段，原因可能与所选取的干燥物料本身性质有关。

八、结果分析及思考题讨论

1、误差分析

（1）.从顶部侧边进料口加入湿小麦时，没把取样器并旋转清空里面多余物料拨干净，造成实验误差。

（2）调节空气阀门不准确，造成孔板压降值不精确，使实验有误差。

（3）取样时忘记清空取样器内残余小麦，造成取样误差。

（4）在记录床层压降、孔板压降时读取数据不够准确，造成实验误差。

(5)小麦要吹起时记录的孔板压降不够准确。

2、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：分为三个阶段：固定床阶段；流化床阶段；气流输送阶段，与理论图曲线基本相符。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（在双对数坐标中）。当气速逐渐增加（进入BC段），床层开始膨胀，空隙率开始增大，压降与气速的关系将不再成比例。

 当气速不断增大，进入流化床阶段（CD段），固体颗粒随气体流动而悬浮运动，随着气速的增加，床层高度不断增加，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。当气速继续降低，曲线无法按CBA继续变化，而是沿CA'变化。C点处的流速被起为起始流化速度（umf）

（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？

答：：流化床正常操作时的阻力波动较小，若发现床层阻力比正常值低，则说明发生了沟流现象；若发现压降直线上升，然后又突然下降，则表明发生了腾涌现象。避免腾涌：增加床层直径或减小浓相区高度。避免沟流：减小颗粒粒度、避免密度大、易于粘结的颗粒，控制床径不要过大。

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：因为干燥速率NA受温度影响严重，温度升高时，干燥速率就会增大，因此会节省时间，同时，温度较高时，相应的焓值会较高，带入的热量较多，所以温度高有利于干燥操作的进行。

第二篇：流化床干燥实验报告

北 京 化 工 大 学

实   验   报   告

                                                                                          

课程名称：    流化床干燥实验                     实验日期： 2010.05.12

班    级：                              姓    名：

同 组 人：

流化床干燥实验

一、摘要

本实验利用流化床干燥器对物料干燥速率曲线进行测定。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。以此来测定干燥速率。利用物料的干湿重量变化计算物料的各种含水量。

关键词： 干燥速率  含水量  干重  湿重

二、实验目的

1、了解流化床干燥器的基本流程和操作方法。

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k_H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（见下图）。

当气速较小时，操作过程处于固定床阶段（AB段），床层基本静止不动，气体只能从床层空隙流过，压降与流速成正比，斜率约为1（在双对数坐标中）。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，便进入气体输送阶段。D点处得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，而沿CA’变化。C点处得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，测定被干燥物料的质量和温度随时间变化的关系，可得湿物料含水量（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（见图4-16）。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（见图4-17）。干燥过程可分为三个阶段。

（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界含水量（X_O），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

                            （4-33）

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4-17中的横坐标X为对应于某干燥速率下的物料平均含水量。

                         （4-34）

式中 —某一干燥速率下湿物料的平均含水量；

    —Δτ时间间隔内开始和终了时的含水量，kg水/kg绝干物料。

                         （4-35）

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、实验装置和流程

沸腾干燥实验装置流程如下图所示：

图4-18  沸腾干燥实验装置和流程

1—风机；2—湿球温度水筒；3—湿球温度计；4—空气加热器；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。床身筒体部分由不锈钢段（内径φ100mm，高100mm）和高温硬质玻璃段（内径φ100mm，高400mm）组成，顶部有气固分离段（内径φ150mm，高250mm）。不锈钢筒体上没有物料取样器、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。

本装置空气流量采用孔板流量计计算，气流量Vs可通过式（4-24）求取。

本装置的旋风分离器，可除去干燥物料的粉尘。

五、实验操作

1、启动风机、加热器，最大风量预热5分钟后全部关停；

2、拔出取样器并旋转清空里面多余物料；

3、进料口加入湿小麦601.14g，干基含水量 kg/kg干麦

4、再次启动风机、加热器，固定风量（如有变化请注意手动调整），记录孔板压降3.5kPa，干球温度50.9℃，湿球温度24.7℃，时间点为0；

5、空气温度达到70℃，小麦处于流化状态，开始取样。记录时间点，称重，装盒，放入烘箱，1h后记录；

6、间隔2~5分钟去一次样品，45分钟取15个点左右，记录数据，注意清空取样器残余小麦；

7、实验完成后可得到X~τ曲线，在曲线上取至少10个（ΔX/1.5Δτ）值，作u~τ曲线；

8、小麦在含水量40%以上可能存在非结合水，才有可能出现恒速段，取点注意时间分配；

9、关加热器、风机，加入300g干小麦，做流化试验；

10、只开风机，找到临界流化点风量，记录；

11、床层固定状态做5个点，流化态做4个点，记录；

12、实际生产中，设备通常是不透明的，床层压降反映了流体的运动状况，是重要的操作参数。

六、实验数据处理

1、干燥速率曲线测定

空气温度：70℃    孔板压降：3.5 kPa    干球温度：50.9℃    湿球温度：27.4℃

以第四组数据为例计算：

含水量：

平均含水率：

干燥速率：

2、流化曲线测定

以第三组数据为例计算：

空气流速：

七、实验结果作图及分析：

流化床床层压降与气速的关系曲线：

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。

物料含水量，物料温度与时间的关系：

干燥速率曲线：

由于本组作图偏差过大，所以借由他人作图进行分析，如下：

此图应从右往左进行分析。

从图中右边3个点可知，在干燥前期，干燥速率基本维持定值（即恒速很俗阶段），因为此时物料表面被非结合水覆盖。由于结合水占大部分，所以小麦的恒速阶段很短。干燥一段时间后，干燥速率总体上在不断下降（即进入降速阶段），这是由于小麦表面的非结合水被不断除去，实际汽化表面减少，内部水分扩散较慢造成的。

降速阶段干燥速率出现较大波动，分析原因，可能有：

 1、流化床本身的性能不稳定。

2、烘干时，未能准确把握时间，以致有些样品并未完全烘干，引起实验结果的较大偏差。

3、用差分代替微分求取的干燥速率与实际状况有一定的偏离。

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，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。

5，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说明：

使用公式计算：

进口：由表1表头数据可知：10min时，进预热器前：干球温度t：50.9℃，湿球温度tw：27.4℃。查表得，此时r_w=2429.0kJ/kg。ps=3.6863kPa，H=0.622×P水汽/(P-P水汽)，所以Hw=0.622×3.6863/(101.325-3.6863)=0.02348kg水/kg干气。由得H=0.01293 kg水/kg干气。预热器是等湿加热，故在预热器之后H不变。H=0.622×p_水汽/(p-p_水汽)，总压p=101.325kPa，计算得p_水汽=2.063kPa。t=70℃，p_s=31.164kPa，φ=p_水汽/ p_s=0.0662。由试差得t_w=…….℃。焓I=(1.01+1.88H)t+2500H=104.7kJ/kg。

出口：绝热增湿过程，即等焓过程，故I=104.7kJ/kg。进干燥器之前物料X₁=0.4448，10min时X₂=0.1972（内插得），所以w₁=X₁/(1+X₁)=0.3078，w2=0.1647。G₁=601.14g,物料失去的水量W=G₁（w₁-w₂）/(1-w₂)=103.0g=0.103kg。△p_孔=3.5kPa，10min时流过的空气总量V=26.8△p_孔^0.5/3600*10*60=8.356kg。干空气总量V_干*H1=V -V_干，V_干=8.249kg。得H2=W/ V_干+H1=0.02542。类似进口处方法可计算其他参数。

方法2说明：

使用I-H图计算： 由湿度及温度可确定进口处空气状态点，可由图中读取焓值、相对湿度、水汽分压。从该点沿等焓线至相对湿度等于1的点，该点温度即为湿球温度。在该等焓线上找到湿度为H2的点，即为出口处气体状态点。从图中可读取其他参数。

参考资料：

1、杨祖荣主编．化工原理实验．北京：化学工业出版社，2003

2、杨祖荣，刘丽英，刘伟．化工原理．北京：化学工业出版社，2002

3、陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋编．化工原理．北京：化学工业出版社，1999