干燥特性曲线测定实验报告

流化床干燥与洞道干燥特性曲线测定实验

华南农业大学理学院  09材料化学1 林裕欣   200930750117

1.实验目的

1.1 了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。

1.2 学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法。

1.3 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。

1.4 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。

2.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。由于实际生产中的被干燥物料的性质千变万化,因此对于大多数具体的被干燥物料而言,其干燥特性数据常常需要通过实验测定。

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、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

干燥速率的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

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;

τ -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

将湿物料试样置于恒定空气流中进行干燥实验,随着干燥时间的延长,水分不断汽化,湿物料质量减少。若记录物料不同时间下质量G,直到物料质量不变为止,也就是物料在该条件下达到干燥极限为止,此时留在物料中的水分就是平衡水分X*。则物料中瞬间含水率X为

计算出每一时刻的瞬间含水率X,然后将X对干燥时间τ作图,如图10-1,即为干燥曲线。

图10-1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X下的斜率dX/dτ,再由式(10-1)计算得到干燥速率U,将UX作图,就是干燥速率曲线,如图10-2所示。

图10-2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10-1、10-2中的AB段或A’B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。本实验中也没有预热段。

恒速干燥阶段见图10-1、10-2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10-2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有恒速阶段。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、传质推动力也仍为湿度差,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,用表示,对应图10-2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。Xc

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层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。对于某些多孔性物料,可能降速两个阶段的界限不是很明显,曲线好像只有CD段;对于某些无孔性吸水物料,汽化只在表面进行,干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率,故降速阶段只有类似DE段的曲线。

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。

3.实验装置

3.1装置流程

本装置流程如图10-3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10-3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。

3.2主要设备及仪器

(1)鼓风机:BYF7122,370W;

(2)电加热器:额定功率4.5KW;

(3)干燥室:180mm×180mm×1250mm;

(4)干燥物料:红豆;

(5)称重传感器:CZ500型,0~300g。

4.实验步骤与注意事项

4.1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(根据实验室温和实验讲解时间长短)。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70℃)。

(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。放置待干燥物料时应特别注意不能用力下压,因称重传感器的测量上限仅为300克,用力过大容易损坏称重传感器。

(5)记录时间和脱水量,每分钟记录一次重量数据;每两分钟记录一次干球温度和湿球温度。

(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。

4.2注意事项

(1)必须先开风机,后开加热器,否则加热管可能会被烧坏。

(2)特别注意传感器的负荷量仅为300克,放取待干燥物料时必须十分小心,绝对不能下压,以免损坏称重传感器。

(3)实验过程中,不要拍打、碰扣装置面板,以免引起料盘晃动,影响结果。

5.实验数据处理

5.1洞道干燥

实验数据如下表:

 1. 绘制干燥曲线(失水量~时间关系曲线);

失水量~时间关系曲线图

2. 根据干燥曲线作干燥速率曲线;

                           干燥速率曲线图

3. 读取物料的临界湿含量;

从图中可以看出临界湿含量Xc=68.6%

4. 对实验结果进行分析讨论。

(1)本实验选用的样品是浸泡过的红豆,由于红豆自身结构,所以临界含水量会比黄豆小。

(2)从恒定条件下的干燥速率曲线U-X图可知,该曲线呈缓慢下降,没有出现明显的恒速干燥阶段,只能近似的描画出这个速率恒定的阶段,导致这种结果出现的可能原因有:①干燥器本身的系统误差;②实验时温度继电器的对温度的调节不稳定导致脱水速率的波动。③物料是否均匀,也会对此产生影响。

(3)加大热空气流量,干燥曲线的起始点将上升,下降幅度变大,并且到达临界点的时间缩短,临界湿含量降低。这是因为风速增加后,加快了热空气的排湿能力。

5.2 流化床干燥

计算出每一时刻的瞬间含水率 X i ,然后将 X i 对干燥时间 τ i 作图,即为干燥曲线。

文本框: 瞬间含水率X

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 X i 下的斜率。再计算得到干燥速率U ,将U 对 X 作图,就是干燥速率曲线

文本框: 干燥速率U

流床干燥与洞道干燥相比:

流化床干燥可实行自动化生产,是连续式干燥设备。干燥速度快,温度低,能保证生产质量,符合药品生产GMP要求。但是流化床反应器放大存在一定风险,催化剂磨损消耗也大。由于返混存在,原料转化也可能达不到完全。而洞道式干燥器的换热炉、物件、循环风扇之间循环流动,从而有比较合理的温度,湿度调控和排气方式,这样大大提高了换热率、干燥效率和产量,降低了干燥成本。

流化床干燥适用于散粒状物料的干燥,如医药药品中的原料药、压片颗粒料、中药;中剂、化工原料中的塑料树脂、柠檬酸和其它粉状、颗粒状物料的干燥除湿,还用于食品饮料;中剂,粮食加工,玉米胚芽、饲料等的干燥,以及矿粉、金属粉等物料。而洞道式干燥器适用于大量干燥的场合。

 

第二篇:干燥特性曲线实验报告

                     洞道干燥特性曲线测定实验

一、实验目的

1. 了解洞道干燥装置和流化床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干燥速率曲线、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。由于实际生产中被干燥物料的性质千变万化,因此对于大多数具体的被干燥物料而言,其干燥特性数据常常需要通过实验测定而取得。

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:

  kg/(m2s)                (11-1)

式中,-干燥速率,又称干燥通量,kg/(m2s);-干燥表面积,m2;-汽化的湿分量,kg;

 -干燥时间,s;-绝干物料的质量,kg;-物料湿含量,kg湿分/kg干物料

2. 干燥速率的测定方法

(1)将电子天平开启,待用。将快速水分测定仪开启,待用。

(2)将0.5~1kg的湿物料(如取0.5~1kg的黄豆放入60~70℃的热水中泡30min,取出,并用干毛巾吸干表面水分,待用。

(3)开启风机,调节风量至40~60m3/h,打开加热器加热。待热风温度恒定后(通常可设定在70~80℃),将湿物料加入流化床中,开始计时,每过4min取出10克左右的物料,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,得初始质量和终了质量。则物料中瞬间含水率    。                            

计算出每一时刻的瞬间含水率,然后将对干燥时间作图,如图11-1,即为干燥曲线。

图11-1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下的斜率,再由式11-1计算得到干燥速率,将作图,就是干燥速率曲线,如图11-2所示。

图11-2恒定干燥条件下的干燥速率曲线

3. 干燥过程分析

预热段见图11-1的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。恒速干燥阶段见图11-1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11-2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,对应图11-2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。对于某些多孔性物料,可能降速两个阶段的界限不是很明显,曲线好像只有CD段;对于某些无孔性吸水物料,汽化只在表面进行,干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率,故降速阶段只有类似DE段的曲线。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,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

1.装置流程,如图:

          

2.主要设备及仪器

(1)鼓风机:220VAC,550W,最大风量:95m3/h,550W;(2)电加热器:额定功率2.0KW;

(3)干燥室;(4)干燥物料:湿黄豆;

四、实验步骤

(1)开启风机。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70~80℃左右。

(2)将准备好的耐水硅胶/绿豆加入流化床进行实验。

(3)每隔4min取样5~10克左右分析,同时记录床层温度。

(4)待耐水硅胶/绿豆恒重时,即为实验终了,关闭仪表电源。关闭加热电源。

(5)关闭风机,切断总电源,清理实验设备。

五、实验报告

1.实验数据记录

(1)洞道

2.绘制干燥曲线

3.根据干燥曲线作干燥速率曲线

4.读取物料的临界含水量

临界含水量是0.61

5.对实验结果进行分析讨论

(1)从干燥速率曲线可得在洞道干燥实验中,干燥的速率是先快速上升,那是预热阶段,预热阶段后是处于一个比较恒定的速率进行干燥(实验数据中出现几个平台),统称为恒速阶段;最后是一个降速干燥阶段,干燥速率几乎是呈直线下降。

(2)在恒速干燥阶段出现几个恒速平台的可能原因是a、实验系统的误差造成的;b、由于干燥物料的不均匀造成速率的波动;c、由于实验器材对实验过程中的温度调节不均匀造成的。

六、思考题

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燥恒定赶在条件下进行的?

答:指干燥介质的温度、湿度、流速及与物料的接触方式,都在整个干燥过程中均保持恒定。

若在实验中用大量的空气干燥少量物料,则可以认为湿空气在干燥过程中的温度、湿度均不变。本实验中,固定蝶阀使流速固定在120m3/h;密封干燥厢并利用加热保持温度恒定在75℃;湿料铺平湿毛毡后,干燥介质与湿料的接触方式也恒定。

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是什么?

答:控制恒速干燥阶段速率的因素是物料表面水分的气化速率,亦即决定于物料外部的空气干燥条件,也成为表面气化控制阶段。控制降速干燥阶段干燥速率的因素是物料本身结构、形状、尺寸,也称物料内部迁移控制阶段。

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?如何判断实验已结束?

答:(1)先启动风机,再启动加热器是为了防止加热管倍烧坏。

(2)在理论上的干、湿球温度是不变的,但实验中,干球温度没怎么变,比较稳定。湿球温度却缓慢上升,估计是因为干燥的速率不断下降,使得气体湿度降低,从而温度发生变化。

(3)当物料的质量是恒重时,即前后几次质量不变,即是实验已结束。

4.若加大热空气的流量,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,干燥速率曲线起始点将上升,下降幅度变大,并且到达临街含水量的时间会缩短,临界含水率降低。这是因为风速增加后,加快热空气的排湿能力。

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