1、北 京 化 工 大 学 实 验 报 告 流化干燥实验 一、摘要 本实验通过空气加热装置测定了空气的干、湿球温度，通过孔板流量计测定了空气的 流量，并采用湿小麦为研究对象，对其进行干燥，分别记录了物料温度、床层压降、孔板 压降等参数，测定了小麦的干燥曲线、干燥速率曲线，以及流化床干燥器中小麦的流化曲 线。实验中通过 origin 作图并分析测出了起始流化速度为 0.78m/s，以及降速阶段的比例系 数 Kx=2.854kg 干料/ （m 2h） ，整个实验进展顺利，成功完成了相关任务。 关键词：流化床 干燥 含水量 床层压降 速率曲线 二、实验目的 （1） 了解流化床干燥器的基本流程及操作方法。
2、 （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的测定方法，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 在实验中，可以通过测量不同空气流量下的床层压降，得到流化床床层压降与气速的 关系曲线。如图 1 所示。 图 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
3、入 BC 阶段） ，床层开始膨胀，空隙率增大，压降与气速的关系将不再成比例。 当气速继续增大，进入流化阶段（CD 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，但床层压降基本保持不变，等于单位面积的床层净重。当 气速增大至某一值后（D 点） ，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 点处得流速被称为带出速度（ u0） 。 在流化状态下降低气速，压降与气速的关系将沿图中的 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，而使沿 CA变化。C 点处的流速被称为起始流化速 度（u mf） 。 在生产操作中，气速应介于
4、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（如图 2 所示） 。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，即为干燥速率曲线（如图 3 所示） 。干燥过程可分为以下三个阶段。 图 2 物料含水量、物料温度与时间的关系 图 3 干燥速率曲线 （1）物料预热阶段（AB 段） 在开始干燥前，有一较短的预热阶段，空
5、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（X 0） ，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表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/（m
6、 2s） ； A干燥表面积，m 2； 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。 =+12 式中 某一干燥速率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。 Xi= 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， 而且还受到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
7、器提供相应的设计参数。 四、装置和流程 图 4 沸腾干燥实验装置和流程 1、风机；2、湿球温度水筒；3、湿球温度计；4、干球温度计；5、空气加热器；6、空气流量调节 阀；7、放净口；8、取样口；9、不锈钢筒体；10、玻璃筒体；11、气固分离段；12、加料口； 13、旋风分离器；14、孔板流量计（d 0=20mm） 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。 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） 。不锈钢筒 体上设有物料取样器、放净
8、口和温度计接口等，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和测压口，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，加热管外壁设 有 1mm 铠装热电偶，其与人工智能仪表、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接口，以测定空气的干、湿球温度。 本装置空气流量采用孔板流量计计量，其流量 Vs 可通过下式求取。5.0826PVs 式中 P孔板流量计压降，KPa， Vs空气流量，m 3/h。 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
9、理速度。 五、实验操作要点 1、启动风机、加热器，最大风量预热 5 分钟后全部关停。 2、拔出取样器并旋转清空里面多余物料 3、进料口加入湿小麦 566g，干基含水率 0.5266 4、再次启动风机、加热器，固定风量（如果有变化注意手动调整） ， 记录孔板压降 4.28kPa，干球温度 64.8，湿球温度 48.6，时间点为 0 5、空气温度达到 70 ，小麦处于流化状态，开始取样 记录时间点，称重 G 湿 ，装盒、放入烘箱， 1h 后记录 G 干 ； 6、间隔 25 分钟取一次样品，45 分钟取 15 个点左右 记录数据，注意清空取样器残余小麦； 7、实验完成后可得到 X 曲线，在曲线上取至
10、少 10 个（X/1.5）值，作 u 曲线 8、小麦在含水率 40%以上可能存在非结合水，才有可能出现恒速段，取点注意时间分 配。 9、关加热器、风机，加入 300 克湿小麦，做流化实验（先将湿小麦加热烘干） ； 10、只开风机，找到临界流化点风量，记入表 2 第 6 点； 11、床层固定状态做 5 个点，流化态做 4 个点； 12、实际生产中，设备通常是不透明的，床层压降反应了流体的运动情况，是重要的操 作参数。 六、实验数据处理 1、干燥速率曲线测定 空气温度：70 孔板压降：4.05 kPa 干球温度：70.2 湿球温度：55.0 表 1 干燥实验数据表（1） 序号 时间/min 湿小麦
11、质量 G 湿 /g 干小麦质量 G 干 /g 物料温度 t 物 / 含水率 X 平均 含水率 干燥速率 u 水 /gm- 2s-1 1 0 8.90 5.83 52.2 0.526587 2 5 19.50 15.07 54.6 0.293962 0.410274 0.000517 3 9 23.36 19.21 55.9 0.216033 0.254997 0.000216 4 11 24.22 20.49 57.2 0.18204 0.199037 0.000189 5 13 20.61 17.67 58.5 0.166384 0.174212 8.7E-05 6 17 24.57 21.
12、48 60.8 0.143855 0.158763 6.26E-05 7 20 25.47 22.84 62.5 0.115149 0.129502 0.000106 8 27 18.31 16.95 64.8 0.080236 0.191381 5.54E-05 9 31 16.25 15.06 65.7 0.079017 0.079627 3.39E-06 10 35 8.29 7.7 66.2 0.076623 0.07782 6.65E-06 11 39 20.88 19.87 66.6 0.05083 0.063727 7.16E-05 12 43 21 20.17 66.9 0.0
13、4115 0.04599 2.69E-05 13 48 24.46 23.77 67.1 0.029028 0.035089 2.69E-05 注：表中的湿小麦和干小麦的质量均已减去器皿的质量。 （我们一共是做了 15 组数据，但 是有两组数据误差比较大，遂舍去。 ）0.21664.51790. 79.33.254.6. 160.219.-3.2-32）（含 水 量水 干 干湿XuGX 表 2 干燥实验数据表（2） 读取数据点 时间 /min 含水率 X /min X u 水/gm2h-1 1 0.7419018 0.475888795 2 1.5256008 0.437124403 0.78
14、3699 0.038764 1.978535 3 4.2633229 0.315130581 2.737722 0.121994 1.782414 4 7.1368861 0.241836563 2.873563 0.073294 1.020253 5 7.7951933 0.2315754 0.658307 0.010261 0.623488 6 12.371996 0.174568941 4.576802 0.057006 0.498221 7 14.723093 0.154372367 2.351097 0.020197 0.343611 8 21.253919 0.109581578
15、6.530826 0.044791 0.274335 9 29.362591 0.083032856 8.108673 0.026549 0.130965 10 33.803553 0.072934569 4.440961 0.010098 0.090956 11 38.108673 0.062673406 4.30512 0.010261 0.095339 2、流化曲线测定 表 3 流化床实验数据表 序号 床层压降p 床 /kPa 孔板压降 p 孔 /kPa 空气流速 u 气 /ms-1 1 0.29 0.2 0.424109 2 0.46 0.41 0.607232 3 0.57 0.54
16、 0.696882 4 0.66 0.64 0.758669 5 0.67 0.65 0.764574 6 0.68 0.66 0.770433 7 0.69 1.15 1.016978 8 0.68 1.52 1.169188 9 0.68 2.13 1.384052 10 0.68 3.8 1.848649 以第二组数据为例，计算过程如下： smPAVu /0723.6.185.703642.104/368.225 孔 板气 七、实验作图及结果讨论 1、干燥特性曲线：t 物 和 X 曲线 0 10 20 30 40 50 60 70 /min 物料含水量/ kg水kg -1绝干物料 物料温
17、度/ 0.10.2 0.30.4 0.50.6 图 5 物料含水量及物料温度随时间变化的关系曲线 结果分析： （1）由于需要从 X 曲线上读取 10 个点，所以为减小误差，我利用 origin 对曲线进行 了拟合（六次方效果较好） 。而对于 t 物 曲线，我则是直接连接各个数据点的。 （2）由图 5 可知，在开始干燥阶段，物料含水量 X 随着时间 的增加，而呈现递减趋势， 随后下降变慢。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的水分，物料含水量随时间成比例减少。 （3）在开始干燥阶段，物料温度随时间的增加，呈现递增趋势，随后上升变慢。这说明， 开
18、始干燥时，空气中部分热量用来加热物料，之后传入的热量只用来蒸发物料表面的 水分，物料表面温度等于空气的湿球温度。 （4）由图中还可以看出，干燥过程还并未进入到降速阶段。 2、干燥特性曲线：干燥速率曲线 0.50.10.150.20.250.30.350.40.450. 0.51.0 1.52.0 u/kg m-2h-1 X/kgkg-1 图 6 干燥速率曲线 结果分析： （1）先通过 origin 做出 X 曲线（此处我用的是六次方拟合） ，利用数据读取工具或者 直接根据拟合出的公式，均匀的读取或者算出 10 个点，根据 X 图的斜率即为 u，由此求出相应的干燥速率，做出如图 6 所示的干燥速
19、率曲线。 （2）通过与理想的干燥速率曲线对比，发现，实验得出的曲线缺少恒速干燥阶段，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。 （3）如果物料在降速阶段的干燥曲线可近似作为通过临界点与坐标原点的直线处理，则降 速阶段的干燥速率可写为 NA=KxX，因此求得本实验降速阶段的比例系数约为）（干 料 hmkgKx /854.22 3、流化曲线 0.40.60.81.01.21.41.61.82.00.30.4 0.50.6 0.7 p/ka u/ms-1 C umf 图 7 流化曲线 结果分析： 由图 7 可知，在气速较
20、小阶段，压降与流速成正比，此过程处于固定床阶段。当气速增大 时，进入到了流化阶段，床层压降基本保持不变。而在实验过程中，气速还没增大至气流 输送阶段。从图中可以读出起始流化速度约为 umf=0.78m/s。 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： （1）在气速较小阶段，压降与流速成正比，此过程处于固定床阶段。 （2）气速增大至 0.78m/s 后，进入流化阶段，小麦颗粒随气流而悬浮运动，随着气 速的增大，床层高度逐渐增大，但床层压降基本保持不变。 （3）本实验中，气速并未增大至气流输送阶段。 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
21、？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、本装置在加热器入口处装有干、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：由加热器入口处测得的干、湿球温度可在空气的焓湿图上找到初始的状态点，并确定 焓值，因为绝热增湿过程是等焓过程，可由等焓线求得干燥器内空气的平均湿度。 参考资料： 1、杨祖荣主编化工原理实验北京：化学工业出版社，2003 2、杨祖荣，刘丽英，刘伟化工原理北京：化学工业出版社，2002
