实验名称：流体床干燥实验
一、 实验目的
① 了解流体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，测定流化床的床层压降与流速的关系曲线。
③ 测定物料的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
及恒速阶段的传质系数
及降速阶段的比例系数
。
二、 实验器材
流体床干燥实验装置
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（见图-1）
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（
）
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（
）。
在生产操作中，气速应介于起始流化速度与带来速度之间，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（
）的关系曲线及物料温度（
）与时间（）的关系曲线（见图-2）。物料含水量与时间的关系曲线的斜率即为干燥速率（
）。将干燥速率对物料含水量作图即为干燥速率曲线（见图-3）。干燥过程可分成以下阶段。
图-2物料含水量、物料温度与时间的关系 图-3 干燥速率曲线
（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，物料汗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（），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，直达到平衡含水量（
）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为
式中 ——干燥速率，kg水/（m2·s）；
A——干燥表面积，m2；
——相应的干燥时间，s；
——汽化水分量，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
、
——
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
时刻取出的湿物料的质量，kg；
——第时刻取出的物料的绝干质量，kg。
干燥速率曲线只能通过试验测定，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。本试验装置为间歇操作的沸腾床干燥器，可测定到达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
沸腾干燥实验装装置流程如图-4所示。
图-4 沸腾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
本装置主要包括三部分：流化床干燥设备、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、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。
五、实验内容及步骤
1. 流化床试验
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的床层压降。
2. 干燥试验
（1）试验开始前
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），去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，但液面不得超过警示值。
（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（孔板流量计的压差为一定值，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（推入或拉出）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、空气干球、湿球温度、流量和床层压降。
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
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120℃，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使用说明操作。
六、 实验数据及处理
1. 原始记录
表-1 干燥实验原始数据
表-2 流化曲线实验原始数据
表-3 物料质量的原始数据
2. 数据处理
① 先对表-3进行数据处理，以第一、二组数据为例，设空测即器皿的质量是
， 未干燥前的质量是
，干燥后的质量是
，
则第时刻取出的湿物料的质量是
则第时刻取出的湿物料的质量是
则水分的质量
无量的含水量
即得
同理可得
，
故得
时间间隔内的平均含水量为
同理将上面处理结果列表格如下：
表-4 干燥实验处理数据
② 对表-1、表-2进行数据处理由
，
为空气流量，
为孔板压降，
同理可得其他频率下的流速，列表如下：
表-5 流化曲线实验的处理数据
对流化床实验处理数据进行绘图，绘制出流化床的
图如下
图-5 流化床的图
对干燥实验处理数据进行绘图，绘制干燥速率与物料含水量关系图如下
图-6干燥速率与物料含水量关系图
七、 实验结论及误差分析
1. 实验结论
① 绘制出绘制出流化床的图；
② 绘制出干燥速率与物料含水量关系图；
③ 从图5、图6可以看出，从计时开始，干燥进入减速干燥阶段，此时绿豆外部已经没有水分热空气带入的热量大于水分蒸发带出的热量，绿豆的温度开始升高，由于绿豆内部的水分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，而最终趋于平衡。
2. 误差分析
① 实验仪器带来的误差，包括电子仪器的读数误差、仪器老化误差；
② 操作上的误差，像称取质量时的不精确；
③ 实验数据处理上的误差。
八、 思考题
① 本实验所得的流化床压降和气速曲线有和特征？
答：从计时开始，气速小时，流化床床层基本不发生变化，气速打时，流化床压降基本不发生变化。
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：温度升高，湿度变小，有利于干燥操作的进行。
④ 本装置在加热入口处装有干、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：绝热增湿过程为等焓过程，湿球温度等于绝热饱和温度，然后利用湿-焓图求解。
第二篇：实验7 干燥实验(修改)
实验7 干燥实验
(Ⅰ) 箱式干燥器
一、实验目的
1. 了解气流常压干燥设备的基本流程和工作原理；
2. 掌握物料干燥速率曲线的物理意义及测定方法；
3. 了解操作条件改变对不同干燥阶段所产生的影响.
二、实验任务
1. 测定物料(纸板或其他)在恒定干燥工况下的干燥速率曲线及传质系数kH；
2. 研究风速对物料干燥速率曲线的影响；
3. 研究气流温度对物料干燥速率曲线的影响.
三、基本原理
干燥操作是采用某种方式将热量传给湿物料，使湿物料中的水分汽化分离的操作。干燥操作同时伴有传热和传质，其过程比较复杂。目前仍依靠实验测定物料的干燥速率曲线，并作为干燥器设计的依据。
物料在恒定干燥条件下的干燥过程分为三个阶段(如图3.12所示)。物料在预热(Ⅰ)，其表面的温度很快接近于热空气的湿球温度tw。随后，进入恒速阶段(Ⅱ)。此时物料表面温度tw维持不变，干燥速率不变。降速阶段(Ⅲ)，物料表面已无液态水存在，由于物料内部的扩散速速率小于物料表面水分的汽化速率，干燥速率会逐渐降低，直至达到平衡含水量时，干燥速率降至零为止。Ⅱ和Ⅲ交点处物料的含水量称为临界含水量(以Xe表示)，通常在预热阶段所需干燥时间可以忽略。
1. 干燥速率曲线
干燥速率是指单位时间从被干燥物料的单位汽化表面积上所汽化的水分量。它可以表示为：
(7-1)
式中： NA— 干燥速率,㎏/(m2·s)；
A— 被干燥物料的汽化表面积,m2；
τ— 干燥时间,s；
W— 从干燥物料中汽化的水分量,㎏.
为了便于处理实验数据,式(7-1)可改写为:
(7-2)
式(7-2)中的湿物料质量差可由相邻两次质量差得到：
(7-3)
与之对应的物料干基含水量为Xm：
(7-4)
其中:
式中：Gc—绝干物料质量。
在直角坐标纸上描出U－Xm曲线。
2. 传质系数
因干燥过程既是传热过程也是一个传质过程，则干燥速率可表示为：
(7-5)
式中：α— 空气与湿物料表面的对流传热膜系数,kW/(m2·℃)；
t — 空气温度,℃；
tW —湿物料表面的温度(即空气的湿球温度),℃；
rW —tW时水的汽化潜热,kJ/㎏；
KH — 传质系数,㎏/(m2·s·Δx)；
H — 空气湿度,㎏水/㎏干空气；
HW— tW时空气的饱和湿度,㎏水/㎏干空气.
因在恒定干燥条件下空气的温度、湿度以及空气与物料的接触方式均保持不变，故随空气条件而定的α和KH亦保持恒定
α=0.0143L0.8 (7-6)
其中: L=Vsρ/F (对于静止物料,空气流动方向平行于物料表面时,L=0.70～8.5㎏/(m2·s).
式中: L—空气的质量流速,㎏/(m2·s)；
Vs—流经孔板的空气体积流量,m3/s；
ρ—流经孔板的空气密度,㎏/m3；
F—干燥室的流通截面积,㎡.
3. 干燥速率曲线
干燥速率也可以以干基物料为基础，用单位质量干物料在单位时间内所汽化的水量表示。它可以表示为：
(7-7)
式中：
— 干燥速率,㎏/(kg·s)；
Gc— 绝干物料，kg；
τ— 干燥时间,s；
W— 从干燥物料中汽化的水分量,㎏.
又因为：
(7-8)
所以
(7-9)
实验过程中，只要测得物料含水率X与时间之间的关系，即可根据曲线的斜率得到一系列不同时间对应的干燥速率。
物料的含水率X采用烘干称重法测量：
取一定量的试样置于试样瓶中，称其重量，记为W1，则：
式子中：W0—瓶重，g;
—湿物料（或样品）重，g。
将试样瓶置于烘箱中，在120℃下烘干20min，再将试样瓶取出称重，并记为W2，则
所以： 
样品中水分的含量为：
样品的干基含水率为：
四、装置与流程
（1）洞道干燥设备及流程
干燥实验可采用干燥器在恒定干燥条件下干燥块状物料，其流程见图3.13。
图3.13 干燥实验设备流程图
1—风机；2—可控电加热器；3—干燥室；4—试样；5—托架；6—热电偶温度计；
7—涡轮流量计；8—干球温度计；9—湿球温度计；10—电子天平；11—室后温度计；
12—风机出口端片式阀； 13—蝶阀；14—风机进口端片式阀
空气由风机1送入孔板流量计6，电加热器4进入干燥器3，然后返回风机循环使用。电加热器由晶体管继电器控制，可使空气的温度恒定。干燥室前方装有干湿球温度计，干燥室后方也装有玻璃温度计，用以测量干燥室内的空气状况。空气流量由蝶阀2调节，任何时候此阀都不能全关，否则热电器会因超热而损坏。由空气进口端的片式阀8控制系统吸入的空气量，出口端的片式阀9用以调节系统向外排出的废气量。
（2）流化床干燥设备及流程
干燥实验可采用流化床干燥器在恒定干燥条件下干燥变色硅胶，其流程见图3.14。
图 3.14 流化床干燥实验装置流程
1—气体流量计; 2—电加热器; 3—空气进口温度计 4—旁通阀; 5—取样器; 6—旋风分离器;
7—硅胶颗粒; 8—床层温度计; 9—风机; 10—流量调节阀; 11—空气出口温度计; 12—加水斗
空气由罗茨鼓风机提供，经转子流量计计量和电加热预热后，进入流化干燥器，废气上升至干燥器顶部的旋风除尘器后放空。空气的流速和温度分别由阀门和自耦变压器调节。
四、操作步骤
（1）洞道干燥操作步骤
(1)处理试样。量取试样尺寸(长、宽、高)，并记录绝干物料质量，将试样加水15g左右，让水分均匀扩散至整个试样，然后称取湿试样重量。
(2)检查天平是否灵活，并调整使之平衡。往湿球温度计内加水，开动风机送风，调节阀门，使倾斜式压力计示值R在30mm以上。
(3)调节热空气状况为恒定干燥条件。接通加热器组合开关进行加热，电加热器由电功率为1kW的几组热元件组成，一组元件由电接点温度计通过晶体管继电器控制，另外两组元件通过组合开关由手动控制。启动时三组元件都供电，待达到预定温度时，酌情关去一组或两组元件。控制恰当时，晶体管继电器时而合上时而断开(红、绿灯交替亮)。
(4)测取数据。先测定干燥箱内物料架的质量，待干燥条件恒定后，将湿物料放入器内支架上，加砝码使天平接近平衡，但砝码应稍轻，待水分汽化至天平指针平衡时，启动第一个秒表计时，同时记录试样的重量；然后减去1g砝码，待水分再干燥至天平指针于平衡位置时，停第一个秒表，同时开动第二个秒表；以后再减等量砝码，如此往复进行直至试样接近平衡水分为止，通常至少应取10组以上数据。
（2）流化干燥操作步骤
1. 全开旁通阀，然后启动风机。
2. 缓慢调节风量使床中颗粒层处于良好的流化状态。
3. 由加水器注入适量的水，注意水流速度不宜过大，取样器应保持拉出状态。
4. 给容器坩锅编号，并称量容器重量(包括容器盖)。
5. 通电预热空气至所需温度，并使之维持恒定。
6. 空气流量和温度恒定时，每隔5分钟记录床层温度一次，并取样分析固体物料的含水量，干燥到一定时候(如取样5个点后)改为10分钟取样一次。
7. 固体物料取样时只要把取样器推入，随即拉出，并用取样盒收集物料。
8. 将物料倒入容器并加盖，称重后取下盖子，放入120℃左右的烘箱中烘干(约需1小时)。取出时也须加盖，在干燥器内冷却后，再次称重。
9. 实验进行到物料温度升高，即硅胶变蓝时停止。
10. 实验停止步骤：调节变压器使电加热器的电流、电压为零，再切断电源，待气体温度下降后，全开旁路阀关闭气体进口阀，停止送风，停罗茨鼓风机。
五、实验记录与数据处理
（1）洞道干燥数据记录及处理
表7-1 干燥实验数据记录及处理表
试样绝干质量Gc: g
试样尺寸: ㎜ 试样初始质量: g
干燥室前温度: ℃ 湿球温度: ℃
空气流量计指示差压: Pa(mmH2O)
（2）流化干燥数据记录及处理
表7-2 流化干燥实验数据记录表
气流量: m3/h 加热电压: V
空气温度: ℃ 加热电流: A
六、实验报告
1. 根据实验结果绘出U~X曲线，注明干燥时的条件；
2. 计算传质系数kH；
3. 绘出干燥曲线（θ ~ τ，X ~ τ）及干燥速率曲线（~ X）。
4. 说明气流温度（或气流速度、物料）不同时，干燥速率曲线有何变化。
七、思考题
1. 在70~80℃的空气流中干燥，经过相当长的时间，能否得到绝干物料？为什么？通常要获得绝干物料采用什么办法？
2. 测定干燥速率曲线有何意义？它对于设计干燥器及指导生产有些什么帮助？
3. 使用废气循环对干燥作业有什么好处？干燥热敏性物料或易变形、开裂的物料为什么多使用废气循环？怎样调节新鲜空气和废气的比例？
4. 为什么在操作过程中要先开鼓风机送风后再开电加热器？
5. 如何提高干燥速率？就两个阶段分别说明理由。
6. 在等速阶段和降速阶段中分别除去的是什么性质的水分？
7. 如果改变气流温度(或改变气流速率、物料厚度)，干燥速率曲线有何变化？
8. 为什么说同一物料如干燥速率增加，则临界含水量增大？在一定干燥速率下物料越薄，则临界含水量越小？
9. 何谓恒定干燥条件？恒定干燥条件下的干燥速率有何规律？
10. 流化干燥器为何能强化干燥？
11. 如何由干燥速率曲线分析物料的含水性质？