流化床干燥實驗報告

-PAGE1-北京化工大學實驗報告 課程名稱：流化床干燥實驗實驗日期：2010.05.12班級：姓名：同組人：流化床干燥實驗一、摘要本實驗利用流化床干燥器對物料干燥速率曲線進行測定。本實驗裝置為間歇操作的沸騰床干燥器，可測定達到一定干燥要求所需的時間。以此來測定干燥速率。利用物料的干濕重量變化計算物料的各種含水量。關鍵詞：干燥速率含水量干重濕重二、實驗目的1、了解流化床干燥器的基本流程和操作方法。2、掌握流化床流化曲線的測定方法，測定流化床床層壓降與氣速的關系曲線。3、測定物料含水量及床層溫度隨時間變化的關系曲線。4、掌握物料干燥速率曲線的測定方法，測定干燥速率曲線，并確定臨界含水量X0及恒速階段的傳質(zhì)系數(shù)kH及降速階段的比例系數(shù)Kx。三、實驗原理1，流化曲線在實驗中，可以通過測量不同空氣流量下的床層壓降，得到流化床床層壓降與氣速的關系曲線（見下圖）。當氣速較小時，操作過程處于固定床階段（AB段），床層基本靜止不動，氣體只能從床層空隙流過，壓降與流速成正比，斜率約為1（在雙對數(shù)坐標中）。當氣速逐漸增加（進入BC段），床層開始膨脹，空隙率增大，壓降與氣速的將不再成比例。當氣速繼續(xù)增大，進入流化階段（CD段），固體顆粒隨氣體流動而懸浮運動，隨氣速的增加，床層高度逐漸增加，但床層壓降基本保持不變，等于單位面積的床層凈重。當氣速增大至某一值后（D點），床層壓降將減小，顆粒逐漸被氣體帶走，此時，便進入氣體輸送階段。D點處得流速即被稱為帶出速度（u0）。在流化狀態(tài)下降低氣速，壓降與氣速的關系線將沿圖中的DC線返回至C點。若氣速繼續(xù)降低，曲線將無法按CBA繼續(xù)變化，而沿CA’變化。C點處得流速被稱為起始流化速度（umf）。在生產(chǎn)操作中，氣速應介于起始流化速度與帶出速度之間，此時床層壓降保持恒定，這是流化床的重要特點。據(jù)此，可以通過測定床層壓降來判斷床層流化的優(yōu)劣。2，干燥特性曲線將濕物料置于一定的干燥條件，測定被干燥物料的質(zhì)量和溫度隨時間變化的關系，可得濕物料含水量（X）與時間（τ）的關系曲線及物料溫度（θ）與時間（τ）的關系曲線（見圖4-16）。物料含水量與時間關系曲線的斜率即為干燥速率（u）。將干燥速率對物料含水量作圖，即為干燥速率曲線（見圖4-17）。干燥過程可分為三個階段。（1）物料預熱階段（AB段）在開始干燥時，有一較短的預熱階段，空氣中部分熱量用來加熱物料，物料含水量隨時間變化不大。（2）恒速干燥階段（BC段）由于物料表面存在自由水分，物料表面溫度等于空氣的濕球溫度，傳入的熱量只用來蒸發(fā)物料表面的水分，物料含水量隨時間成比例減少，干燥速率恒定且最大。（3）降速干燥階段（CDE段）物料含水量減少到某一臨界含水量（XO），由于物料內(nèi)部水分的擴散慢于物料表面的蒸發(fā)，不足以維持物料表面保持濕潤，而形成干區(qū)，干燥速率開始降低，物料溫度逐漸上升。物料含水量越小，干燥速率越慢，直至達到平衡含水量（X*）而終止。干燥速率為單位時間在單位面積上汽化的水分量，用微分式表示為（4-33）式中u—干燥速率，kg水/(m2.s);A—干燥表面積，m2;dτ—相應的干燥時間，s;dW—汽化的水分量，kg。圖4-17中的橫坐標X為對應于某干燥速率下的物料平均含水量。（4-34）式中—某一干燥速率下濕物料的平均含水量；—Δτ時間間隔內(nèi)開始和終了時的含水量，kg水/kg絕干物料。（4-35）式中—第i時刻取出的濕物料的質(zhì)量，kg；—第i時刻取出的物料的絕干質(zhì)量，kg。干燥速率曲線只能通過實驗測定，因為干燥速率不僅取決于空氣的性質(zhì)和操作條件，而且還受物料性質(zhì)結(jié)構(gòu)及含水量的影響。本實驗裝置為間歇操作的沸騰床干燥器，可測定達到一定干燥要求所需的時間，為工業(yè)上連續(xù)操作的流化床干燥器提供相應的設計參數(shù)。四、實驗裝置和流程沸騰干燥實驗裝置流程如下圖所示：圖4-18沸騰干燥實驗裝置和流程1—風機；2—濕球溫度水筒；3—濕球溫度計；4—空氣加熱器；5—空氣加熱器；6—空氣流量調(diào)節(jié)閥；7—放凈口；8—取樣口；9—不銹鋼筒體；10—玻璃筒體；11—氣固分離段；12—加料口；13—旋風分離器；14—孔板流量計本裝置的所有設備，除床身筒體一部分采用高溫硬質(zhì)玻璃外，其余均采用不銹鋼制造。床身筒體部分由不銹鋼段（內(nèi)徑φ100mm，高100mm）和高溫硬質(zhì)玻璃段（內(nèi)徑φ100mm，高400mm）組成，頂部有氣固分離段（內(nèi)徑φ150mm，高250mm）。不銹鋼筒體上沒有物料取樣器、放凈口和溫度計接口等，分別用于取樣、放凈和測溫。床身頂部氣固分離段設有加料口和測壓口，分別用于物料加料和測壓。空氣加熱裝置由加熱器和控制器組成，加熱器為不銹鋼盤管式加熱器，加熱管外壁設有1mm鎧裝熱電偶，其與人工智能儀表、固態(tài)繼電器等，實現(xiàn)空氣介質(zhì)的溫度控制。空氣加熱裝置底部設有測量空氣干球溫度和濕球溫度的接口，以測定空氣的干、濕球溫度。本裝置空氣流量采用孔板流量計計算，氣流量Vs可通過式（4-24）求取。本裝置的旋風分離器，可除去干燥物料的粉塵。五、實驗操作1、啟動風機、加熱器，最大風量預熱5分鐘后全部關停；2、拔出取樣器并旋轉(zhuǎn)清空里面多余物料；3、進料口加入濕小麥601.14g，干基含水量kg/kg干麥4、再次啟動風機、加熱器，固定風量（如有變化請注意手動調(diào)整），記錄孔板壓降3.5kPa，干球溫度50.9℃，濕球溫度24.7℃5、空氣溫度達到70℃，小麥處于流化狀態(tài)，開始取樣。記錄時間點，稱重，裝盒，放入烘箱，1h后記錄；6、間隔2~5分鐘去一次樣品，45分鐘取15個點左右，記錄數(shù)據(jù)，注意清空取樣器殘余小麥；7、實驗完成后可得到X~τ曲線，在曲線上取至少10個（ΔX/1.5Δτ）值，作u~τ曲線；8、小麥在含水量40%以上可能存在非結(jié)合水，才有可能出現(xiàn)恒速段，取點注意時間分配；9、關加熱器、風機，加入300g10、只開風機，找到臨界流化點風量，記錄；11、床層固定狀態(tài)做5個點，流化態(tài)做4個點，記錄；12、實際生產(chǎn)中，設備通常是不透明的，床層壓降反映了流體的運動狀況，是重要的操作參數(shù)。六、實驗數(shù)據(jù)處理1、干燥速率曲線測定空氣溫度：70℃孔板壓降：3.5kPa干球溫度：50.9℃濕球溫度：27.4℃序號時間τ/min濕小麥質(zhì)量G濕/kg干小麥質(zhì)量G干/kg物料溫度t物/℃含水量Xi平均含水率干燥速率u水/g.m-2.s-110.0010.337.150.444821.2014.8911.5969.90.28470.36470.088933.2014.4111.4770.00.25630.27050.009545.2015.3712.8070.00.20080.22860.018557.208.196.6970.10.22420.2125-0.007869.208.707.2170.10.20670.21540.0059712.2012.2810.5570.00.16400.18530.0095815.209.898.7070.00.13680.15040.0060919.2010.439.3370.00.11790.12730.00311022.208.487.6670.00.10700.11250.00241126.2010.759.9370.00.08260.09480.00411230.408.337.8070.00.06790.07530.00231334.4011.3310.8269.90.04710.05750.00351438.407.376.8070.00.08380.0655-0.00611543.408.928.5070.00.04940.06660.0046以第四組數(shù)據(jù)為例計算：含水量：平均含水率：干燥速率：2、流化曲線測定序號床層壓降ΔP床/kPa孔板壓降ΔP孔/kPa空氣流速U氣/m·s-110.310.280.501620.490.590.728130.650.880.889240.71.21.038350.691.451.141460.71.61.199070.691.91.306580.682.231.415590.672.531.5077100.6631.6417110.633.591.7959以第三組數(shù)據(jù)為例計算：空氣流速：七、實驗結(jié)果作圖及分析：流化床床層壓降與氣速的關系曲線：流化曲線和理論符合的很好，當氣速較小時，操作過程處于固定床階段，床層基本靜止不動，氣體只能從床層空隙中流過，壓降與流速成正比。當氣速逐漸增加，床層開始膨脹，孔隙率增大，壓降與氣速的關系將不再成正比。當氣速繼續(xù)增大，進入流化階段，固體顆粒隨氣體流動而懸浮運動，隨著氣速的增加，床層高度逐漸增加，但床層壓降基本上保持不變，如曲線的后半段，成一條水平直線。物料含水量，物料溫度與時間的關系：干燥速率曲線：由于本組作圖偏差過大，所以借由他人作圖進行分析，如下：此圖應從右往左進行分析。從圖中右邊3個點可知，在干燥前期，干燥速率基本維持定值（即恒速很俗階段），因為此時物料表面被非結(jié)合水覆蓋。由于結(jié)合水占大部分，所以小麥的恒速階段很短。干燥一段時間后，干燥速率總體上在不斷下降（即進入降速階段），這是由于小麥表面的非結(jié)合水被不斷除去，實際汽化表面減少，內(nèi)部水分擴散較慢造成的。降速階段干燥速率出現(xiàn)較大波動，分析原因，可能有：1、流化床本身的性能不穩(wěn)定。2、烘干時，未能準確把握時間，以致有些樣品并未完全烘干，引起實驗結(jié)果的較大偏差。3、用差分代替微分求取的干燥速率與實際狀況有一定的偏離。思考題1，本實驗所得的流化床壓降與氣速曲線有何特征？答：當氣速較小時，操作過程處于固定床階段，床層基本靜止不動，氣體只能從床層空隙中流過，壓降與流速成正比。當氣速繼續(xù)增大，進入流化階段，固體顆粒隨氣體流動而懸浮運動，隨著氣速的增加，床層高度逐漸增加，但床層壓降基本上保持不變，如曲線的后半段，成一條水平直線2，本裝置在加熱器入口處安裝有干、濕球溫度計，假設干燥過程為絕熱增濕過程，如何求得干燥器內(nèi)空氣的平均濕度H？答：有入口干、濕球溫度可以求得進口空氣濕度H1由于干燥器內(nèi)物料存在非結(jié)合水，且氣液接觸充分，故出口空氣可以看成飽和空氣，絕熱增濕過程為恒焓過程，再由恒焓條件與出口空氣φ=100%即可求得出口空氣濕度H2，從而求得干燥器內(nèi)空氣平均濕度H=0.5*（H1+H2）3，為什么同一濕度的空氣，溫度較高有利于干燥操作的進行？答：因為溫度較高時，水的飽和蒸汽壓大，而空氣的絕度濕度沒有變化，即水的分壓沒有發(fā)生變化，由,所以空氣的相對濕度增加，從而有利于干燥的進行。4，流化床操作中，存在騰涌和溝流兩種不正?，F(xiàn)象，如何利用床層壓降對其進行判斷？怎樣避免他們的發(fā)生？答：騰涌時，床層壓降不平穩(wěn)，壓力表不斷擺動；溝流是床層壓降穩(wěn)定，只是數(shù)值比正常情況下低。溝流是由于流體分布板設計或安裝上存在問題，應從設計上避免出現(xiàn)溝流，騰涌是由于流化床內(nèi)徑較小而床高于床比徑比較大時，氣體在上升過程中易聚集繼而增大，當氣體占據(jù)整個床體截面時發(fā)生騰涌，故在設計流化床時高徑比不宜過大。5，干燥開始10分鐘時，計算進、出干燥器的濕空氣的性能參數(shù)（假設濕空氣進出干燥器為絕熱增濕過程），要求使用公式計算和I-H圖兩種方法。10min時V干氣/kg?h-1t/℃tW/℃p水汽/kPaHφI/kJ?kg-1進口濕空氣49.49470。。。2.0630.012930.0662104.7出口濕空氣49.4940.02542104.7方法1說明：使用公式計算：進口：由表1表頭數(shù)據(jù)可知：10min時，進預熱器前：干球溫度t：50.9℃，濕球溫度tw：27.4℃。查表得，此時rw=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干氣。由得H=0.01293kg水/kg干氣。預熱器是等濕加熱，故在預熱器之后H不變。H=0.622×p水汽/(p-p水汽)，總壓p=101.325kPa，計算得p水汽=2.063kPa。t=70℃，ps=31.164kPa，φ=p水汽/ps=0.0662。由試差得tw=…….℃。焓I=(1.01+1.88H)t+2500H=104.7kJ/kg。出口：絕熱增濕過程，即等焓過程，故I=104.7kJ/kg。進干燥器之前物料X1=0.4448，10min時X2=0.1972（內(nèi)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時流過的空氣總量V=26.8△p孔^0.5/3600*10*60=8.356