流化床干燥实验报告!

流化床干燥实验报告! 北 京 化 工 大 学 实 验 报 告 课程名称: 化工原理实验 实验日期: 2010.4.12 班 级: 化工0702 姓 名: 曾剑桥 同 组 人:黄维佳，李文瑾，李进 装置型号: FFRS-?型 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 干重 湿重 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X及恒速阶段0的传质系数k及降速阶段的比例系数Kx。 H 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，得到的流化床床层压降与气速的关系曲线。 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 - 1 - 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(u)。 0 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(u)。 mf 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，即为干燥速率曲线。 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) - 2 - 物料含水量减少到某一临界含水量(X)，由于物料内部水分的扩散慢于物料表面的蒸发，0 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: dW u,Ad,2式中u——干燥速率，kg水/(m.s); 2 A——干燥表面积，m; 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，Xii，1 X,2 式中X——某一干燥速率下湿物料的平均含水量; X、X——Δτ时间间隔内开始和终了时的含水量，kg水/kg绝干物料。 ii+1 G,GsiciX, i Gci 式中G——第i时刻取出的湿物料的质量，kg; si G——第i时刻取出的物料的绝干质量，kg。 ci 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 - 3 - 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) 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。 ?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 ?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。 ?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 ?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: 空气温度:70? 孔板压降:4.0kPa 干球温度:57.1? 湿球温度:35.1? 干燥速率 时间 湿小麦质干小麦质量物料温度含水率 平均 序号 u水τ/min 量G/g G/g t/? X 含水率 湿干物-2-1/g?m?s 1 0 10.00 6.54 40.1 0.5291 / / 2 4 10.00 7.08 50.7 0.4124 0.4707 0.0194 - 4 - 3 8 10.00 7.46 55.1 0.3405 0.3765 0.0120 4 12 10.01 7.80 58.5 0.2833 0.3119 0.0095 5 16 10.00 8.13 60.1 0.2300 0.2567 0.0089 6 20 10.00 8.37 61.5 0.1947 0.2124 0.0059 7 24 10.00 8.58 62.1 0.1655 0.1801 0.0049 8 28 10.00 8.85 63.0 0.1299 0.1477 0.0059 9 32 10.00 9.08 63.6 0.1013 0.1156 0.0048 10 36 10.00 9.18 64.2 0.0893 0.0953 0.0020 11 40 10.00 9.36 64.6 0.0684 0.0789 0.0035 以第一组数据为例举例计算: 含水率X=(G湿-G干)/G干=(10-6.54)/6.54=0.5291 平均含水率=(X1+X2)/2=(0.5291+0.4124)/2=0.4707 -2-1干燥速率u=(X1-X2)/(1.5*?τ)=(0.5291-0.4124)/(1.5*4*60)=0.0194 g•m•s 2、流化曲线测定: 床层压降?P孔板压降 空气流速 u床气序号 -1/kPa ?P/kPa /m?s 孔 1 0.25 0.20 0.4239 2 0.32 0.32 0.5362 3 0.38 0.44 0.6287 4 0.43 0.56 0.7093 5 0.48 0.67 0.7759 6 0.50 0.79 0.8425 7 0.47 1.80 1.2717 8 0.47 2.53 1.5077 9 0.47 3.45 1.7606 10 0.47 4.23 1.9495 以第一组数据为例举例计算: u=26.8*?p^0.5/(3600*π*0.01/4)=0.4239 m/s 七、实验结果作图及分析: - 5 - B 65 60 55?/ 50 物料温度 45 40 010203040 时间τ/min B 0.6 0.5 0.4X 0.3 物料含水率0.2 0.1 0.0 010203040 时间τ/min - 6 - B ###0.20 ###0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 干燥速率 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00.10.20.30.40.5 物料含水量X B ### 0.5 0.45 0.4 /kPa床0.35p 0.3 床层压降? 0.25 12 气速u/m?s-1 六、 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。 - 7 - 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) 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 PC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。 ,,PS 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 t t p H φ I w水汽 进口湿空气 70? 35.1? 3.2kpa 0.021kg/kg干 9.9% 125kj/kg 出口湿空气 57.1? 35.1? 4.0kpa 0.026 kg/kg干 23.5% 125kj/kg 查图步骤: 1、由出口湿球温度线t=35.1?与φ=100%交点，沿恒焓线与干球温度线t=57.1?交于一点即为出口空气状态点，可直接读得湿度H2、相对湿度φ2、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:t=35.1? Pas=5.629kpa r=2417.5kj/kg asas Has=0.622*Pas/(P-Pas)=0.0371 kg/kg干 等焓过程t=t w1w2 由t=t-r/c(Has-H)得: asaspH 35.1=t-2417.5/((1.01+1.88H)/(0.0371-H)) - 8 - t=70?时 入 H1=0.0219 kg/kg干 P=H1*P/(H1+0.622)=3.40kpa水汽1 查表得t=70?时 ps=31.16kpa Φ1= P/ ps=10.9% 水汽1 I1=(1.01+1.88H1)t+2500H1=128.3kj/kg t=57.1?时 出 H2=0.0274 kg/kg干 P=H2*P/(H2+0.622)=4.22kpa 水汽2 查表得t=57.1?时 ps=17.328kpa Φ2= P/ ps=24.35% 水汽2 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，2003 2、杨祖荣，刘丽英，刘伟(化工原理(北京:化学工业出版社，2002 3、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 - 9 -