北 方 民 族 大 学 学生实验报告
院(部): 化学与化学工程 姓 名: 郭俊雄 学 号: 20082995 专 业: 化学工程与工艺 班 级: 081 同组人员: 林艺明、 胡鹏、 秦开勉 课程名称: 化工原理实验 实验名称: 流化床干燥实验 实验日期: 2010.12.15 批阅日期: 成 绩: 教师签名:
北方民族大学教务处制
实验名称:流化床干燥实验
一、 目的及任务
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。
二、基本原理
1、流化曲线
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,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(τ)的关系曲线及物料温度(θ)与时间(τ)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。
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。
dW
Ad? 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: u?
式中u——干燥速率,kg水/(m2.s);
A——干燥表面积,m2;
dτ——相应的干燥时间,s;
dW——汽化的水分量,kg。
图中的横坐标X为对应于某干燥速率下的物料平均含水量。 X?Xi?Xi?1
2
式中X——某一干燥速率下湿物料的平均含水量;
Xi、Xi+1——Δτ时间间隔内开始和终了时的含水量,kg水/kg绝干物料。 Xi?Gsi?GciGci
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。
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。
三、装置及流程
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、加料口;13、旋风分离器;14、孔板流量计(d0=20mm)
四、操作要点
1、流化床实验
①加入固体物料至玻璃段底部。
②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
①将电子天平开启,并处于待用状态。
②将快速水分测定仪开启,并处于待用状态。 ③准备一定量的被干燥物料(以绿豆为例),取0.5kg左右放入热水(60~70℃)中泡20~30min,取出,并用干毛巾吸干表面水分,待用。
④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(80~100℃)或空气温度(50~70℃)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
①取样,用取样管取样,每隔2~3min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8~10组数据,做完后,关闭加热器和风机电源。
②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9~10g,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。 4、注意事项
①取样时,取样管推拉要快,管槽口要用布覆盖,以免物料喷出。 ②湿球温度计补水筒液面不得超过警示值。 ③电子天平和快速水分测定仪要按说明操作。
五、数据处理
表1.干燥实验相关数据记录表
含水率X=(G湿-G干)/G干=(27.83-21.74)/(21.74-11.98)=0.6240 平均含水率=(X1+X2)/2=(0.6240+0.4618)/2=0.5429
干燥速率u=(X1-X2)/(1.5*△τ)=(0.6240-0.4618)/(1.5*4)
=0.027g?m?min
相关计算结果如下表
表2.干燥实验相关计算结果表
-2
-1
表3.流化实验相关计算结果表
u?
VsS?26.2?p
0.54
?d
2
4
代入相关数据可得,u=1.7981 m/s
六、实验结论及误差分析
实验结果分析
1. 流化曲线和理论符合的很好, 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,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。
七、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、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。
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??PC
PS,所以空气的相对湿度增加,从而有利于干燥的进行。
4、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φ=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)
一、实验目的
1. 了解气流常压干燥设备的基本流程和工作原理;
2. 掌握物料干燥速率曲线的物理意义及测定方法;
3. 了解操作条件改变对不同干燥阶段所产生的影响.
二、实验任务
1. 测定物料(纸板或其他)在恒定干燥工况下的干燥速率曲线及传质系数kH;
2. 研究风速对物料干燥速率曲线的影响;
3. 研究气流温度对物料干燥速率曲线的影响.
三、基本原理
干燥操作是采用某种方式将热量传给湿物料,使湿物料中的水分汽化分离的操作。干燥操作同时伴有传热和传质,其过程比较复杂。目前仍依靠实验测定物料的干燥速率曲线,并作为干燥器设计的依据。
物料在恒定干燥条件下的干燥过程分为三个阶段(如图3.12所示)。物料在预热(Ⅰ),其表面的温度很快接近于热空气的湿球温度tw。随后,进入恒速阶段(Ⅱ)。此时物料表面温度tw维持不变,干燥速率不变。降速阶段(Ⅲ),物料表面已无液态水存在,由于物料内部的扩散速速率小于物料表面水分的汽化速率,干燥速率会逐渐降低,直至达到平衡含水量时,干燥速率降至零为止。Ⅱ和Ⅲ交点处物料的含水量称为临界含水量(以Xe表示),通常在预热阶段所需干燥时间可以忽略。
1. 干燥速率曲线
干燥速率是指单位时间从被干燥物料的单位汽化表面积上所汽化的水分量。它可以表示为:
(7-1)
式中: NA— 干燥速率,㎏/(m2·s);
A— 被干燥物料的汽化表面积,m2;
τ— 干燥时间,s;
W— 从干燥物料中汽化的水分量,㎏.
为了便于处理实验数据,式(7-1)可改写为:
(7-2)
式(7-2)中的湿物料质量差可由相邻两次质量差得到:
(7-3)
与之对应的物料干基含水量为Xm:
(7-4)
其中:
式中:Gc—绝干物料质量。
在直角坐标纸上描出U-Xm曲线。
2. 传质系数
因干燥过程既是传热过程也是一个传质过程,则干燥速率可表示为:
(7-5)
式中:α— 空气与湿物料表面的对流传热膜系数,kW/(m2·℃);
t — 空气温度,℃;
tW —湿物料表面的温度(即空气的湿球温度),℃;
rW —tW时水的汽化潜热,kJ/㎏;
KH — 传质系数,㎏/(m2·s·Δx);
H — 空气湿度,㎏水/㎏干空气;
HW— tW时空气的饱和湿度,㎏水/㎏干空气.
因在恒定干燥条件下空气的温度、湿度以及空气与物料的接触方式均保持不变,故随空气条件而定的α和KH亦保持恒定
α=0.0143L0.8 (7-6)
其中: L=Vsρ/F (对于静止物料,空气流动方向平行于物料表面时,L=0.70~8.5㎏/(m2·s).
式中: L—空气的质量流速,㎏/(m2·s);
Vs—流经孔板的空气体积流量,m3/s;
ρ—流经孔板的空气密度,㎏/m3;
F—干燥室的流通截面积,㎡.
3. 干燥速率曲线
干燥速率也可以以干基物料为基础,用单位质量干物料在单位时间内所汽化的水量表示。它可以表示为:
(7-7)
式中: — 干燥速率,㎏/(kg·s);
Gc— 绝干物料,kg;
τ— 干燥时间,s;
W— 从干燥物料中汽化的水分量,㎏.
又因为:
(7-8)
所以
(7-9)
实验过程中,只要测得物料含水率X与时间之间的关系,即可根据曲线的斜率得到一系列不同时间对应的干燥速率。
物料的含水率X采用烘干称重法测量:
取一定量的试样置于试样瓶中,称其重量,记为W1,则:
式子中:W0—瓶重,g;
—湿物料(或样品)重,g。
将试样瓶置于烘箱中,在120℃下烘干20min,再将试样瓶取出称重,并记为W2,则
所以:
样品中水分的含量为:
样品的干基含水率为:
四、装置与流程
(1)洞道干燥设备及流程
干燥实验可采用干燥器在恒定干燥条件下干燥块状物料,其流程见图3.13。
图3.13 干燥实验设备流程图
1—风机;2—可控电加热器;3—干燥室;4—试样;5—托架;6—热电偶温度计;
7—涡轮流量计;8—干球温度计;9—湿球温度计;10—电子天平;11—室后温度计;
12—风机出口端片式阀; 13—蝶阀;14—风机进口端片式阀
空气由风机1送入孔板流量计6,电加热器4进入干燥器3,然后返回风机循环使用。电加热器由晶体管继电器控制,可使空气的温度恒定。干燥室前方装有干湿球温度计,干燥室后方也装有玻璃温度计,用以测量干燥室内的空气状况。空气流量由蝶阀2调节,任何时候此阀都不能全关,否则热电器会因超热而损坏。由空气进口端的片式阀8控制系统吸入的空气量,出口端的片式阀9用以调节系统向外排出的废气量。
(2)流化床干燥设备及流程
干燥实验可采用流化床干燥器在恒定干燥条件下干燥变色硅胶,其流程见图3.14。
图 3.14 流化床干燥实验装置流程
1—气体流量计; 2—电加热器; 3—空气进口温度计 4—旁通阀; 5—取样器; 6—旋风分离器;
7—硅胶颗粒; 8—床层温度计; 9—风机; 10—流量调节阀; 11—空气出口温度计; 12—加水斗
空气由罗茨鼓风机提供,经转子流量计计量和电加热预热后,进入流化干燥器,废气上升至干燥器顶部的旋风除尘器后放空。空气的流速和温度分别由阀门和自耦变压器调节。
四、操作步骤
(1)洞道干燥操作步骤
(1)处理试样。量取试样尺寸(长、宽、高),并记录绝干物料质量,将试样加水15g左右,让水分均匀扩散至整个试样,然后称取湿试样重量。
(2)检查天平是否灵活,并调整使之平衡。往湿球温度计内加水,开动风机送风,调节阀门,使倾斜式压力计示值R在30mm以上。
(3)调节热空气状况为恒定干燥条件。接通加热器组合开关进行加热,电加热器由电功率为1kW的几组热元件组成,一组元件由电接点温度计通过晶体管继电器控制,另外两组元件通过组合开关由手动控制。启动时三组元件都供电,待达到预定温度时,酌情关去一组或两组元件。控制恰当时,晶体管继电器时而合上时而断开(红、绿灯交替亮)。
(4)测取数据。先测定干燥箱内物料架的质量,待干燥条件恒定后,将湿物料放入器内支架上,加砝码使天平接近平衡,但砝码应稍轻,待水分汽化至天平指针平衡时,启动第一个秒表计时,同时记录试样的重量;然后减去1g砝码,待水分再干燥至天平指针于平衡位置时,停第一个秒表,同时开动第二个秒表;以后再减等量砝码,如此往复进行直至试样接近平衡水分为止,通常至少应取10组以上数据。
(2)流化干燥操作步骤
1. 全开旁通阀,然后启动风机。
2. 缓慢调节风量使床中颗粒层处于良好的流化状态。
3. 由加水器注入适量的水,注意水流速度不宜过大,取样器应保持拉出状态。
4. 给容器坩锅编号,并称量容器重量(包括容器盖)。
5. 通电预热空气至所需温度,并使之维持恒定。
6. 空气流量和温度恒定时,每隔5分钟记录床层温度一次,并取样分析固体物料的含水量,干燥到一定时候(如取样5个点后)改为10分钟取样一次。
7. 固体物料取样时只要把取样器推入,随即拉出,并用取样盒收集物料。
8. 将物料倒入容器并加盖,称重后取下盖子,放入120℃左右的烘箱中烘干(约需1小时)。取出时也须加盖,在干燥器内冷却后,再次称重。
9. 实验进行到物料温度升高,即硅胶变蓝时停止。
10. 实验停止步骤:调节变压器使电加热器的电流、电压为零,再切断电源,待气体温度下降后,全开旁路阀关闭气体进口阀,停止送风,停罗茨鼓风机。
五、实验记录与数据处理
(1)洞道干燥数据记录及处理
表7-1 干燥实验数据记录及处理表
试样绝干质量Gc: g
试样尺寸: ㎜ 试样初始质量: g
干燥室前温度: ℃ 湿球温度: ℃
空气流量计指示差压: Pa(mmH2O)
(2)流化干燥数据记录及处理
表7-2 流化干燥实验数据记录表
气流量: m3/h 加热电压: V
空气温度: ℃ 加热电流: A
六、实验报告
1. 根据实验结果绘出U~X曲线,注明干燥时的条件;
2. 计算传质系数kH;
3. 绘出干燥曲线(θ ~ τ,X ~ τ)及干燥速率曲线(~ X)。
4. 说明气流温度(或气流速度、物料)不同时,干燥速率曲线有何变化。
七、思考题
1. 在70~80℃的空气流中干燥,经过相当长的时间,能否得到绝干物料?为什么?通常要获得绝干物料采用什么办法?
2. 测定干燥速率曲线有何意义?它对于设计干燥器及指导生产有些什么帮助?
3. 使用废气循环对干燥作业有什么好处?干燥热敏性物料或易变形、开裂的物料为什么多使用废气循环?怎样调节新鲜空气和废气的比例?
4. 为什么在操作过程中要先开鼓风机送风后再开电加热器?
5. 如何提高干燥速率?就两个阶段分别说明理由。
6. 在等速阶段和降速阶段中分别除去的是什么性质的水分?
7. 如果改变气流温度(或改变气流速率、物料厚度),干燥速率曲线有何变化?
8. 为什么说同一物料如干燥速率增加,则临界含水量增大?在一定干燥速率下物料越薄,则临界含水量越小?
9. 何谓恒定干燥条件?恒定干燥条件下的干燥速率有何规律?
10. 流化干燥器为何能强化干燥?
11. 如何由干燥速率曲线分析物料的含水性质?
北方民族大学学生实验报告院部化学与化学工程姓名郭俊雄学号20xx2995专业化学工程与工艺班级081同组人员林艺明胡鹏秦开勉课程名…
北京化工大学化工原理实验报告流化床干燥实验实验日期20xx年5月18日流化床干燥实验摘要本实验通过测定不同空气流量下的床侧压降及干…
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…
北京化工大学实验报告课程名称化工原理实验实验日期班级姓名同组人装置型号沸腾干燥实验装置流化床干燥实验一摘要本实验通过对湿的小麦的干…
化工学院本科认识实习报告学生姓名系别专业班级实习地点化工学院实训中心指导教师高智老师二零一三年一月内蒙古工业大学化工学院认识实习报…
化工学院本科认识实习报告学生姓名系别专业班级实习地点化工学院实训中心指导教师高智老师二零一三年一月内蒙古工业大学化工学院认识实习报…
南京工业大学化工原理实验报告1实验一流体流动阻力测定实验实验日期一实验目的1测定流体在圆直等径管内流动时的摩擦系数与雷诺数Re的关…
厢式干燥器干燥速率曲线的测定一实验目的1熟悉常压下厢式干燥器的构造与操作2掌握物料在干燥条件不变时干燥速率曲线UX的测定方法二实验…
洞道干燥附件1调试实验的数据见表2表中符号的意义如下S干燥面积m2GC绝干物料量gR空气流量计的读数kPaTo干燥器进口空气温度t…
实验报告组别第3组日期20xx年1月26日12流化床临界速度的测量实验报告一实验目的1观察流态化的实验现象学习通过颗粒床层流动特性…