化工原理干燥实验报告

北京化工大学 化工原理实验报告

实验名称： 班级： 姓名： 学号： 同组人员： 实验日期：

流化床干燥实验 环工1603 ** ********** 赵明新 张金兰 黄艺

2019.5.20

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

原始数据表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 物料温度孔板压降 时间/min 空气温度/℃ /℃ ΔP孔板/Kpa 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 54.8 54.3 55.6 56.1 56.5 56.3 57.1 57.4 57.7 57.2 58.1 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 3.3 60.0 60.0 60.0 60.0 60.1 60.1 60.1 60.3 60.1 60.2 60.1 湿重/g 13.42 17.74 13.55 16.65 17.25 15.60 17.73 15.16 17.18 17.14 15.28 干重/g 11.30 15.73 11.71 14.65 15.55 14.10 15.87 13.75 15.65 15.94 13.84 含水量X 湿物料净干物料净盘重/g kg水/kg重Gsi /g 重Gci /g 绝干物料 6.36 10.62 6.52 8.60 9.83 8.76 8.57 7.57 8.50 10.10 6.39 7.06 7.12 7.03 8.05 7.42 6.84 9.16 7.59 8.68 7.04 8. 4.94 5.11 5.19 6.05 5.72 5.34 7.30 6.18 7.15 5.84 7.45 0.4291 0.3933 0.3545 0.3306 0.2972 0.2809 0.2548 0.2282 0.2140 0.2055 0.1933 12 13 14 33 36 39 58.2 58.4 58.6 3.3 3.3 3.3 60.2 60.2 60.3 15.13 16.92 16.51 13.80 15.29 15.32 6.55 7.16 7.51 8.58 9.76 9.00 7.25 8.13 7.81 0.1834 0.2005 0.1524 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：XiGsiGci7.125.110.3933kg水/kg绝干物料

Gci5.11

作出时间、物理温度、含水量关系图像后在图像中另取30个点并用excel求干燥速率。 含水量-时间的拟合曲线公式为y0.0001x3-0.0122x0.4268

拟合 含水量 0.2572 0.2483 0.2396 0.2311 0.2228 0.2147 0.2068 0.1991 0.1916 0.1843 0.1772 0.1703 含水量 干燥差值速率 △X 0.2528 0.00 0.356 0.2440 0.0087 0.348 0.2354 0.0085 0.340 0.2270 0.0083 0.332 0.2188 0.0081 0.324 0.2108 0.0079 0.316 0.2030 0.0077 0.308 0.1954 0.0075 0.300 0.1880 0.0073 0.292 0.1808 0.0071 0.284 0.1738 0.0069 0.276 0.1670 0.0067 0.268 平均 含水量 含水时间量 干燥时间/min 差值速率 /min △X 1 0.4147 0.4087 0.0119 0.477 16 2 0.4028 0.3969 0.0117 0.469 17 3 0.3910 0.3853 0.0115 0.461 18 4 0.3795 0.3739 0.0113 0.453 19 5 0.3682 0.3626 0.0111 0.445 20 6 0.3571 0.3516 0.0109 0.437 21 7 0.3462 0.3408 0.0107 0.429 22 8 0.3354 0.3302 0.0105 0.421 23 9 0.3249 0.3198 0.0103 0.413 24 10 0.3146 0.3095 0.0101 0.405 25 11 0.3045 0.2995 0.0099 0.397 26 12 0.2946 0.27 0.0097 0.3 27 拟合 含水量 平均 含水量 13 14 15 0.2848 0.2801 0.0095 0.381 0.2753 0.2707 0.0093 0.373 0.2660 0.2616 0.0088 0.352 28 29 30 0.1636 0.1604 0.0065 0.260 0.1571 0.1540 0.0063 0.252 0.1508 以第二组数据为例:

拟合含水量

Xi0.0001x3-0.0122x0.42680.00012-0.012220.42680.4028

平均含水量XXiXi10.40280.39100.3969 22含水量差值XXi-Xi10.4028-0.39100.0117 干燥速率： uX0.0117600.469(kg水/m2h)A/Gct1.51

将干燥速率对物料含水量作图得到干燥速率曲线：

2.流化曲线测定 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 床层压降 /Kpa 0.08 0.17 0.23 0.33 0.42 0.49 0.48 0.46 0.44 孔板压降 /Kpa 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.4 空气温度 /℃ 55.7 59.9 62.4 66.1 6934 70.9 72.1 73.1 75.8 空气流量 /m3·h-1 7.556163 10.9853 13.675612 15.974000 18.019598 19.8839 23.225757 26.200000 31.420307 空气流速 /m·s-1 0.267252 0.388578 0.483690 0.5981 0.637332 0.703272 0.821467 0.926663 1.111299 10 11 12 13 14 15 以第二组为例：

0.44 0.47 0.49 0.48 0.48 0.47 0.541.9 2.4 2.9 3.2 3.5 3.8 76.4 76.4 75.1 73.2 72 67.4 37.053415 42.035417 46.558203 49.1000 51.534496 53.8746 1.310535 1.486743 1.6708 1.736612 1.822714 1.905482 孔板流量V26.2p空气流速u26.20.10.547.5562m3/h

V427.5562d40.388578

0.136002以空气流速为横坐标，床层压降为纵坐标在双对数坐标系中画出流化曲线

七、实验结果分析

由干燥曲线图可以看出，随着干燥的进行，物料含水量不断下降，而床层温度不断上升，且床层温度上升幅度随时间增加而减小。在开始干燥阶段，物料含水量X随着时间t的增加，而呈现递减趋势，随后下降变慢。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，传入的热量只用来燕发物料表面的水分，物料含水量随时间成比例减少。由干燥速率曲线可以看出，随着干燥过程的进行，干燥速率减小。

由流化曲线可以看出，随着气速的增大，压降先线性增大，然后基本保持不变。这是由于在较低气速时，操作过程处于固定床阶段，气体只能从床层空隙中通过，压降与流速成正比。当气速增大到一定程度时，进入流化阶段，床层压降基本保持不变。 误差分析：

有效数据的取舍使干燥速率曲线的趋势线的R为1

2八、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：1、在气速较小阶段，压降与流速成正比，此过程处于固定床阶段。

2、气速增大至0.70m/s后，进入流化阶段，小麦颗粒随气流而悬浮运动，随着气速 的增大，床层高度逐渐增大，但床层压降基本保持不变。

3、本实验中，气速并未增大至气流输送阶段。

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：由于在相同湿度下，温度越高，那么气体的饱和蒸汽压越大，从而使推动力更多大，有

利于干燥传质操作的进行。