流化床干燥实验报告.doc

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1、北 京 化 工 大 学实 验 报 告流化床干燥实验一、摘要本实验利用流化床干燥器对物料干燥速率曲线进行测定。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。以此来测定干燥速率。利用物料的干湿重量变化计算物料的各种含水量。关键词:干燥速率 含水量 传质系数kH 比例系数KX二、实验目的了解流化床干燥器的基本流程及操作方法。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。测定物料含水量及床层温度随时间变化的关系曲线。掌握物料干燥速率曲线测定方法,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

2、实验中,可以通过测量不同空气流量下的床层压降,得到的流化床床层压降和气速的关系曲线。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点处流速被称为起始流化速度(umf)。 在生产操作中,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,

3、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。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,即为干燥曲线。干燥过程可分为以下三个阶段。 (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

4、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(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: kg/m2s 小麦的比表面积为1.5m2/kg式中u干燥速率,kg水/(m2.s);A干燥表面积,m2;d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X某一干燥速率

5、下湿物料的平均含水量;Xi、Xi+1时间间隔内开始和终了时的含水量,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。 m/s 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。四实验流程1 风机;2、湿球温度水筒;3、湿球温度计;4、干球温度计;5、空气加湿器;6、空气流速调节阀;7、放净口;8、取样口;9、不锈钢筒体;10、玻璃筒体11、气固分离器;12、

6、加料口;13、旋风分离器;14、孔板流量计(d0=20mm)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。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,上图为本装置的流程图。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、放净口、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、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

7、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。空气加热装置底部设有测量空气干球温度和湿球温度的借口,以测量空气的干球温度和湿球温度。本装置空气流量采用孔板流量计计量,其流量Vs可通过(VS的单位是m3/h,压降的单位是kpa)求取。本装置的旋风分离器,可除去干燥物料的粉尘。本实验引入了计算机在线数据采集和控制技术,加快了数据记录和处理速度。五实验操作1、 流化床实验加入固体物料至玻璃段底部。调节空气流量,测定不同空气流量下床层压降。2、 干燥实验(1) 实验开始前将电子天平开启,并处于待用状态。将快速水分测定仪开启,并处于待用状态。准备一定量的被干燥物料(以绿

8、豆为例),取0.5kg左右放入热水(6070)中泡2030min,取出,并用干毛巾吸干表面水分,待用。湿球温度计水筒中补水,但液面不得超过预警值。(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(孔板流量计压差为一定值,3kpa左右),控制加热器表面温度(80100)或空气温度(5070)稳定,打开进料口,将待干燥物料徐徐倒入,关闭进料口。(3) 测定干燥速率曲线取样,用取样管取样,每隔23min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810组数据,做完后,关闭加热器和风机电源。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

9、降等。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910g,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910g,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。4、 注意事项取样时,取样管推拉要快,管槽口要用布覆盖,以免物料喷出。湿球温度计补水筒液面不得超过警示值。电子天平和快速水分测定仪要按说明操作。六实验数据处理1 干燥速率曲线测定(1) 原始数据处理表1 干燥速率曲线测定空气温度:65孔板压降4.0kPa干球温度57.1湿球温度:40.6时间湿小麦和盘的质量

10、干小麦和盘的质量盘重物料温度汽化量含水量平均干燥速率 /minG湿/gG干/gG盘/gt物/G/gX103u/gm-2s-1010.999.465.39481.530.376 314.0612.186.5149.91.880.332 0.354 0.164 611.3310.16.0751.91.230.305 0.318 0.098 913.612.16.2652.91.50.257 0.281 0.179 1214.6313.116.14541.520.218 0.237 0.144 1516.9515.731054.81.220.213 0.215 0.019 1813.5312.426

11、.5655.61.110.189 0.201 0.087 2111.5510.585.3856.30.970.187 0.188 0.011 2412.6411.726.0956.70.920.163 0.175 0.086 2716.4115.428.2557.30.990.138 0.151 0.094 以第二组数据为例,计算如下:物料干重水分汽化量含水量平均含水量干燥速率(2) 干燥速率曲线描绘根据表1中的数据描绘出物料含水量和时间的关系曲线、物料温度和时间的关系曲线、干燥速率曲线如下:2、流化曲线测定表2 流化曲线测定序号床层压降孔板压降空气流量空气流速10.010.023.1690.

12、11220.220.2111.2800.39930.40.415.9740.56540.570.619.8840.70350.560.7923.0690.81660.561.0827.3120.96670.561.1928.7801.01880.561.3931.2991.10790.541.633.7701.194100.551.7735.6621.261110.51.9937.9911.343120.512.4142.1301.490130.482.8245.8601.622140.53.0447.7591.689以第一组是数据为例,计算如下:七实验结果分析1. 流化曲线和理论符合的很好,

13、 当气速较小时,操作过程处于固定床阶段,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。当气速逐渐增加,床层开始膨胀,孔隙率增大,压降与气速的关系将不再成正比。当气速继续增大,进入流化阶段,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,但床层压降基本上保持不变,如曲线的后半段,成一条水平直线。2观察干燥速率曲线,与理论曲线比较,可以发现没有了恒速干燥阶段,分析可能原因是:(1)湿小麦在取样前还没达到流化阶段,却一直被热空气给吹着,小麦表面的非结合水在取样前已经被热空气蒸发没了;(2)取样时间间隔不均匀,有的大于3min,有的小于3min;(3)干燥过程中有额外小

14、麦粒掉入或本身的小麦粒蹦出实验所取的物料,导致含水量和干料重量出现较大误差。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:当气速较小时,操作过程处于固定床阶段,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。当气速继续增大,进入流化阶段,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,但床层压降基本上保持不变,如曲线的后半段,成一条水平直线2、 本装置在加热器入口处安装有干、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:有入口干、湿球温度可以求得进口空气湿度H1由于干燥器内物料存在非结合水,且气液接触充分,故出口空气

15、可以看成饱和空气,绝热增湿过程为恒焓过程,再由恒焓条件与出口空气=100%即可求得出口空气湿度H2,从而求得干燥器内空气平均湿度H=0.5*(H1+H2)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:因为温度较高时,水的饱和蒸汽压大,而空气的绝度湿度没有变化,即水的分压没有发生变化,由,所以空气的相对湿度增加,从而有利于干燥的进行。4、 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

16、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。5、 干燥开始10分钟时,计算进、出干燥器的湿空气的性能参数(假设湿空气进出干燥器为绝热增湿过程),要求使用公式计算和I-H图两种方法。查I-H图得:10min时ttwp水汽HI进口湿空气7035.13.2kpa0.021kg/kg干9.9%125kj/kg出口湿空气57.135.14.0kpa0.026 kg/kg干23.5%125kj/kg 查图步骤:1、由出口湿球温度线t=35.1与=100%交点,沿恒焓线与干球温度线t=57.1交于一点即

17、为出口空气状态点,可直接读得湿度H2、相对湿度2、沿恒焓线读得焓I1、湿度与水汽分压线交点可读得分压p水汽2、由出口状态点沿恒焓线与进口温度交点可得进口温度状态点,同上可读得相关数据。公式计算:查表得:tas=35.1 Pas=5.629kpa ras=2417.5kj/kgHas=0.622*Pas/(P-Pas)=0.0371 kg/kg干等焓过程tw1=tw2由tas=t-ras/cpH(Has-H)得:35.1=t-2417.5/((1.01+1.88H)/(0.0371-H))t入=70时 H1=0.0219 kg/kg干P水汽1=H1*P/(H1+0.622)=3.40kpa查表得

18、t=70时 ps=31.16kpa 1= P水汽1/ ps=10.9%I1=(1.01+1.88H1)t+2500H1=128.3kj/kgt出=57.1时 H2=0.0274 kg/kg干P水汽2=H2*P/(H2+0.622)=4.22kpa查表得t=57.1时 ps=17.328kpa 2= P水汽2/ ps=24.35%I2=(1.01+1.88H2)t+2500H2=129.0kj/kg参考文献:1、杨祖荣主编化工原理实验北京:化学工业出版社,20032、杨祖荣,刘丽英,刘伟化工原理北京:化学工业出版社,20023、陈敏恒,丛德滋,方图南,齐鸣斋编化工原理北京:化学工业出版社,1999

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