流化床干燥实验(1).doc

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
气体流速 u /m/s
u0

床层压降△p /kPa
umf
流化曲线
B C
A A’
D
E

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。

时间 τ
物料含水量/kg水/kg
绝干物料
物料含水量、物料温度与时间的关系
物料温度/℃
A
B
B
A
C

C
E

图-1

物料含水量X/kg水/kg 绝干物料
干燥速率u/kg水/m2/h
干燥速率曲线
D
E
X*
Xo
C
B
A

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
频率/HZ
50.00
45.00
40.00
35.00
30.00
25.00
20.00
15.00
10.00
空气压力/Kpa
2.90
2.30
1.80
1.40
1.00
0.70
0.50
0.30
0.10
孔板压降/Kpa
3.72
3.02
2.38
1.83
1.34
0.91
0.59
0.36
0.20
床层压降/Kpa
0.51
0.48
0.45
0.43
0.42
0.36
0.24
0.15
0.09
Vs/ m3/h
53.26
47.59
41.85
36.31
30.69
24.90
19.70
15.09
10.99
u/m/h
6784.61
6062.27
5330.69
4625.46
3909.02
3171.86
2510.10
1922.36
1399.55
Lg(P*1000)
2.71
2.68
2.65
2.63
2.62
2.56
2.38
2.18
1.95
lgu
3.83
3.78
3.73
3.67
3.59
3.50
3.40
3.28
3.15

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：
时间i/min
0.00
4.00
8.00
12.00
16.00
20.00
24.00
28.00
32.00
器皿质量m1/g
11.05
10.17
12.60
11.16
13.02
12.08
12.19
11.06
11.44
器皿+湿物料质量m2/g
20.46
18.44
19.71
17.73
19.85
16.00
22.31
17.56
23.91
器皿+绝干物料质量m3/g
17.28
16.90
18.30
16.49
18.48
15.12
21.00
16.58
22.80
湿物料质量Gsi /g
9.41
8.27
7.11
6.57
6.83
3.92
10.12
6.50
12.47
绝干物料质量Gci /g
6.23
6.73
5.70
5.33
5.46
3.04
8.81
5.52
11.36
含水量Xi
0.51
0.23
0.25
0.23
0.25
0.29
0.15
0.18
0.10
平均含水量X
0.37
0.24
0.24
0.24
0.27
0.22
0.16
0.14

U / kg水m-2h-1
0.115
0.147
0.148
0.156
0.323
0.057
0.109
0.029

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
时间 min
0.00
4.00
8.00
12.00
16.00
20.00
24.00
28.00
床身温度℃
42.40
46.40
49.90
51.80
53.70
55.40
57.40
59.30
干球温度℃
54.80
55.30
55.90
56.20
56.90
57.20
57.60
57.80
湿球温度℃
70.30
71.20
71.80
72.10
72.80
73.20
73.60
73.90
空气压力kPa
2.80
2.90
2.90
2.80
2.80
2.80
2.90
2.90
孔板压降kPa
3.66
3.68
3.70
3.64
3.65
3.67
3.69
3.71
床层压降kPa
0.81
0.73
0.68
0.66
0.60
0.53
0.49
0.45
V1 m3/h
52.79
52.95
53.10
52.64
52.72
52.87
53.03
53.18
Vs m3/h
62.03
62.94
63.81
63.69
64.16
64.68
65.20
65.76
U m/s
2.20
2.23
2.26
2.25
2.27
2.29
2.31
2.33

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：
时间i/min
0.000
4.000
8.000
12.000
16.000
20.000
24.000
28.000
32.000
器皿质量m1/g
12.080
12.660
13.690
13.380
15.460
13.310
11.750
12.850
12.540
器皿+湿物料质量m2/g
21.700
22.610
22.240
22.790
23.000
22.890
19.530
20.820
20.530
器皿+绝干物料质量m3/g
18.030
20.250
20.270
20.940
21.530
21.350
18.270
19.550
19.500
干球温度℃
89.2
80.7
81.5
81.9
82.6
79.9
77.7
72.9
80.80
湿球温度℃
32.7
33.3
33.3
32.9
33.2
33.2
33.2
33.3
33.14
湿物料质量Gsi /g
9.620
9.950
8.550
9.410
7.540
9.580
7.780
7.970
7.990
绝干物料质量Gci /g
5.950
7.590
6.580
7.560
6.070
8.040
6.520
6.700
6.960
含水量Xi
0.617
0.311
0.299
0.245
0.242
0.192
0.193
0.190
0.148
平均含水量X

0.464
0.305
0.272
0.243
0.217
0.192
0.191
0.169
u / kg水m-2h-1

3.792
3.651
2.984
2.953
2.336
2.357
2.312
1.805

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