流化床干燥实验——流化床和洞道干燥----实验报告.pdf

流化床和洞道干燥综合实验 一、实验目的 1.了解流化床、洞道干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。2.学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法。3.掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速阶段干燥速率、临界含水量、平 衡含水量的实验分析方法。4.实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。二、基本原理 在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时，被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿含量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数，通常地，其干燥特性数据需要通过实验测定而取得。按干燥过程中空气状态参数是否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大类。若用大量空气干燥少量物料，则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，再加上气流速度以及气流与物料的接触方式不变，则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。2.1.干燥速率的定义 干燥速率定义为单位干燥面积（提供湿分汽化的面积）、单位时间内所除去的湿分质量，即：-cG dXdwUAdAdkg/(m2/s)式中，U干燥速率，又称干燥通量，kg/（m2s）；A干燥表面积，m2；W汽化的湿分量，kg；干燥时间，s；Gc绝干物料的质量，kg；X物料湿含量，kg 湿分/kg 干物料，负号表示X随干燥时间的增加而减少。2.2.干燥速率的测定方法（1）将电子天平开启，待用。（2）将快速水分测定仪开启，待用。（3）将0.51kg的红豆（如取0.51kg的绿豆/花生放入6070的热水中泡30min，取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用。（4）开启风机，调节风量至 4060m3/h，打开加热器加热。待热风温度恒定后（通常可设定在 7080），将湿物料加入流化床中，开始计时，每过 4min 取出四颗红豆的物料，同时读取床层温度。将取出的湿物料在快速水分测定仪中测定，得初始质量 Gi和终了质量Gic，则物料中瞬间含水率为:计算出每一时刻的瞬间含水量 Xi，然后将 Xi对干燥时间i作图，如图 1，即为干燥曲线。图 1 恒定干燥条件下的干燥曲线 上述干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。由已测得的干燥曲线求出不同idX下的斜率iidXd，再由式 111 计算得到干燥速率U，将U对X作图，就是干燥速率曲线，如图 2所示。图 2 恒定干燥条件下的干燥速率曲线 2.3.干燥过程分析 预热段 见图 1、2 中的 AB 段或 AB 段。物料在预热段中，含水率略有下降，温度则升至湿球温度 tW，干燥速率可能呈上升趋势变化，也可能呈下降趋势变化。预热段经历的时间很短，通常在干燥计算中忽略不计，有些干燥过程甚至没有预热段。恒速干燥阶段 见图 1、2 中的 BC 段。该段物料水分不断汽化，含水率不断下降。但由于这一阶段去除的是物料表面附着的非结合水分，水分去除的机理与纯水的相同，故在恒定干燥条件下，物料表面始终保持为湿球温度 tW，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是，在图 2 中，BC 段为水平线。只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥过程中总处于恒速阶段。而该段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，亦即决定于物料外部的空气干燥条件，故该阶段又称为表面汽化控制阶段。降速干燥阶段 随着干燥过程的进行，物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的气化速率，物料表面局部出现“干区”，尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同，但以物料全部外表面计算的干燥速率因“干区”的出现而降低，此时物料中的的含水率称为临界含水率，用 Xc表示，对应图 2 中的 C 点，称为临界点。过 C 点以后，干燥速率逐渐降低至 D 点，C 至 D 阶段称为降速第一阶段。干燥到点D 时，物料全部表面都成为干区，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被干燥的固体层才能传递到汽化面；从物料中汽化的水分也必须通过这一干燥层才能传递到空气主流中。干燥速率因热、质传递的途径加长而下降。此外，在点D 以后，物料中的非结合水分已被除尽。接下去所汽化的是各种形式的结合水，因而，平衡蒸汽压将逐渐下降，传质推动力减小，干燥速率也随之较快降低，直至到达点E时，速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异，不一定都呈现前面所述的曲线CDE 形状。与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多，但所需的干燥时间却长得多。总之，降速阶段的干燥速率取决与物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。三、实验装置 3.1 流化床干燥装置图 图3 流化床干燥实验装置流程图 1加料斗；2床层（可视部分）；3床层测温点；4取样口；5出加热器热风测温点；6风加热器；7转子流量计；8风机；9排灰口；10旋风分离器；11风机出口测点（双金属温度计）；12床层出口气体温度测点（双金属温度计）。3.2 洞道干燥装置图 本装置流程如图4所示。空气由鼓风机送入电加热器，经加热后流入干燥室，加热干燥室料盘中的湿物料后，经排出管道通入大气中。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量由称重传感器转化为电信号，并由智能数显仪表记录下来（或通过固定间隔时间，读取该时刻的湿物料重量）。图4 干燥装置流程图 1风机；2管道；3进风口；4加热器；5厢式干燥器；6气流均布器；7称重传感器；8湿毛毡；9玻璃视镜门；10，11，12蝶阀；13风机入口温度计。四、实验步骤与注意事项 4.1流化床干燥实验步骤（1）开启风机。（2）打开仪表控制柜电源开关，加热器通电加热，床层进口温度要求恒定在7080左右。（3）将准备好的红豆加入流化床进行实验。（4）每隔3-5min取510克样品进行质量分析，同时记录床层温度。（5）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，烘箱温度设定为 120 度，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。（6）关闭加热电源。（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。4.2洞道干燥实验步骤（1）放置托盘，开启总电源，开启风机电源。（2）打开仪表电源开关，加热器通电加热，旋转加热按钮至适当加热电压。在U型湿漏斗中加入一定水量，并关注干球温度，干燥室温度（干球温度）要求达到恒定温度（例如75）。（3）将待干燥物料加入一定量的水并使其润湿均匀，注意水量不能过多或过少。（4）当干燥室温度恒定在70时,将湿毛毡十分小心地放置于称重传感器上。（5）记录时间和脱水量，每分钟记录一次重量数据；（6）等待干燥物料恒重时，即为实验终了时，关闭仪表电源，注意保护称重传感器，非常小心地取下干燥物料。（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。4.3.注意事项 必须先开风机，后开加热器，否则加热管可能会被烧坏，破坏实验装置。五、原始数据的记录 5.1 流化床原始数据 序号 干燥时间/min 空铝盒的质量 m1/g 样品总质量（含铝盒）m2/g 3 小时后样品绝干物料总质量（含铝盒）m3/g 3.5 个小时后样品绝干物料总质量（含铝盒）m4/g 瞬间干基含水量 Kg 水/Kg绝干料 误差分析 1 0 20.393 21.292 20.951 20.951 0.61 误差大 2 1 16.556 17.808 17.233 17.233 0.85 3 2 17.492 18.782 18.285 18.285 0.63 5.2 洞道干燥原始数据 时间/min 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 质量 g 30.4 30.1 29.7 29.4 29.1 28.8 28.5 28.2 28.0 27.7 时间/min 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 质量 g 27.5 27.3 27.1 26.8 26.6 26.4 26.3 26.1 25.9 25.8 时间/min 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 质量 g 25.6 25.5 25.3 25.2 25.1 25.0 24.9 24.8 24.7 24.6 时间/min 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 质量 g 24.4 24.3 24.2 24.1 24.0 23.9 23.7 23.6 23.5 23.4 时间/min 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 质量 g 23.2 23.0 22.9 22.7 22.5 22.4 22.2 22.0 21.9 21.7 时间/min 65 70 75 80 85 质量 g 21.4 21.1 20.8 20.6 20.3 PS:空框时质量为:3.2 (负值)放入豆后:30.6 六、数据处理与分析 6.1 流化床干燥实验 6.1.1 绘制干燥曲线（失水量-时间关系曲线）如图 5 恒定干燥条件下红豆的干燥曲线 6.1.2 根据干燥曲线作干燥速率曲线。由于实验中难以得到准确的干燥面积，故重新定义干燥速率：在单位时间内汽化的4 3 17.18 18.719 18.165 18.164 0.56 5 5 16.233 17.232 16.933 16.932 0.43 6 8 17.451 18.346 17.984 17.983 0.68 误差大 7 13 16.787 17.876 17.561 17.558 0.41 8 20 17.392 18.131 17.927 17.925 0.39 9 30 15.688 16.582 16.390 16.390 0.27 10 45 13.349 14.158 14.023 14.023 0.20 11 65 15.975 16.721 16.621 16.619 0.16 水分质量，并令A=Gc，则干燥速率表达式可表示为：-=cG dXdwdXUAdAddkg/s 从而可以简化干燥速率的计算，直接由干燥曲线求出各点斜率dXd，即可标绘出图 2所示的干燥速率曲线。如图 6 恒定条件下的干燥速率曲线 6.1.3 由图 6 可知，物料的临界干基湿含量为：6.1.4 分析讨论（1）恒速干燥阶段 在该阶段，物料内部的水分能及时扩散到物料表面，使物料表面完全润湿。此外，在整个恒速干燥阶段中，湿物料内部的水分向表面扩散的速率必须能够与水分自物料表面汽化的速率相适应，以使物料表面始终维持润湿状态。恒速干燥阶段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，亦即取决于物料外部的干燥条件，所以恒速干燥阶段又称为表面汽化控制阶段。提高空气的温度、降低空气的湿度或提高空气的流速，均能提高恒速干燥阶段的干燥速率。（2）降速干燥阶段 当物料含水量降至临界含水量以下时，即进入降速干燥阶段。在降速干燥阶段中，干燥速率的大小主要取决于物料本身的结构、形状和尺寸，而与外部干燥条件关系不大，所以降速干燥阶段又称为物料内部扩散控制阶段。（3）临界含水量 物料的临界含水量是恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点，它是干燥器设计中的重要参数。临界含水量 Xc越大，则转入降速阶段越早，完成相同的干燥任务所需的干燥时间越长。临界含水量因物料的性质、厚度和恒速阶段干燥速率的不同而异，通常吸水性物料的临界含水量比非吸水性物料的大；同一物料，恒速阶段干燥速率越大，则临界含水量越高；物料越厚，则临界含水量越大。临界含水量通常由实验测定。（4）流化床干燥器 流化床干燥器的主要优点是颗粒与热干燥介质在沸腾状态下进行充分混合与时间/min 65 70 75 80 85 瞬间干基含水量 Kg 水/Kg 绝干料 0.05 0.03 0.02 0.01 0.00 6.2.1.绘制干燥曲线（失水量-时间关系曲线）如图 7 恒定干燥条件下红豆的干燥曲线 6.2.2.根据干燥曲线作干燥速率曲线。如图 8 恒定干燥条件下红豆的干燥曲线 6.1.5 由图 8 可知，物料的临界干基湿含量为：6.2.3.分析讨论（1）对比两种不同方法(流化床、洞道)求得物料的临界干基含水量和平衡含水量发现，两者算得的结果不太一样，原因可能是洞道实验中物料没有完全恒重，以致我们选择cG时带来一定的误差，所以后面的计算造成两种方法求取结果的不同；（2）洞道式干燥器可以看作连续化的厢式干燥器，其适用于体积大、干燥时间长的物料；（3）干燥过程中采用节能措施（1、减少干燥过程的热量；2、加强热量的回收利用；3、减少热损失），是强化干燥过程的一个重要方面。七、思考题 7.1 什么是恒定干燥条件？本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？答：恒定干燥条件：保持湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，气流速度以及气流与物料的接触方式不变；本实验装置用大量空气干燥少量物料来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行。7.2 控制恒速干燥阶段速率的因素是什么？控制降速干燥阶段干燥速率的因素又是什么？答：1、恒速干燥阶段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，亦即取决于物料外部的干燥条件，所以恒速干燥阶段又称为表面汽化控制阶段；2、在降速干燥阶段中，干燥速率的大小主要取决于物料本身的结构、形状和尺寸，而与外部干燥条件关系不大，所以降速干燥阶段又称为物料内部扩散控制阶段。7.3 为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？如何判断实验已经结束？答：因为如果先启动加热器，后启动风机的话，加热管可能会被烧坏，因此要先启动风机，再启动加热器；实验过程中的干球温度基本上不变化，湿球温度一开始（未平衡时）会呈下降趋势，平衡后基本不变；若物料恒重，则实验结束。7.4 若加大热空气流量，干燥速率曲线有何变化？恒速干燥速率、临界湿含量又如何变化？为什么？答：若加大热空气流量，则相当于提高空气的流速，那么恒速干燥阶段的干燥速率加快，临界含水量越高，整个过程的干燥速率增大，干燥速率曲线的斜率(绝对值)会变大，曲线会变陡。（同一物料，恒速阶段干燥速率越大，则临界含水量越高。）