1、实验三 干燥实验（洞道干燥、流化床干燥）干燥实验一 洞道干燥1 实验目的（1）了解洞道式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）掌握利用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。（4）实验研究干燥操作条件对洞道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
2、定。干燥过程是复杂的传热、传质过程，通常根据空气状态的变化将干燥过程分为恒定干燥操作和非恒定（或变动）干燥操作两大类。恒定状态下的干燥操作（简称恒定干燥）是指干燥操作过程中空气的温度、湿度、流速及与物料的接触方式不发生变化，如用大量空气对少量物料进行间歇操作可视为恒定干燥，本实验重点考查恒定干燥。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：（3.1）cd=-GXWUA（3.1）式中：U干燥速率，又称干燥通量， kg/(m2s)； A干燥表面积，m 2；W一批操作中汽化的水分量，kg； 干燥时间，s；G c绝干物料的质量，kg；X物
3、料湿含量，kg 水分/kg 干物料，负号表示 X 随干燥时间的增加而减小。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*，再将物料烘干后称重得到绝干物料重 Gc，则物料中瞬间含水率 X 为：（3.2）cGX计算出每一时刻的瞬间含水率 X，然后将 X 对干燥时间 作图，如图 3.1，即为干燥曲线。图 3.1 恒定干燥条件下的干燥曲线通过适当变换，可由上述干燥曲线进一步获得干燥速率曲线。由已测得的干燥
4、曲线求出不同 X 下的斜率 dX/d，再由式（3.1）计算得到干燥速率 U，将U 对 X 作图，即得到干燥速率曲线，如图 3.2 所示。图 3.2 恒定干燥条件下的干燥速率曲线2.3 干燥过程分析干燥过程可以分为预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段，具体来说：（1）预热段（如图 3.1 和 3.2 中的 AB 段或 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。预热段所经历的时间很短，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，本实验的干燥过程没有预热段。（2）恒速干燥阶段（见图 3.1 和 3.2 中的 B
5、C 阶段） 。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，因而干燥速率也维持恒定，于是，在图 3.2 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。（3）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
6、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，此时物料中的含水率为临界含水量，用 Xc 表示，对应图 3.2 中的 C 点，称为临界点。物料的临界含水率是干燥器设计的重要参数，临界含水量越大，则转入降速阶段越早，完成相同的干燥任务所需要的干燥时间越长。越过 C 点后，干燥速率逐渐降低至 D 点，C 至 D 阶段称为降速第一阶段。干燥到达 D 点时，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该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
7、下降。此外，在 D 点以后，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，该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
8、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 装置流程洞道干燥实验装置流程见图 3.3。图 3.3 洞道干燥装置流程图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蝶阀本装置流程如图 3.3 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） 。3.2 主要设备及仪
9、器洞道干燥实验主要包括的设备及仪器见表 3.1。表 3.1 主要设备与仪器规格及参数序号 名称 规格及参数1 鼓风机 BYF7122，370 W；2 电加热器 额定功率 4.5 KW；3 干燥室 180 mm180 mm1250 mm4 干燥物料 湿毛毡或湿砂5 称重传感器 CZ500 型，0300 g4 实验步骤与注意事项4.1 实验步骤洞道干燥实验步骤如下：（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
10、如 70 OC） 。（3）将毛毡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 OC 时，将湿毛毡十分小心地放置于称重传感器上。放置毛毡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 g，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）待毛毡恒重时，即为实验终了时，关闭仪表电源，注意保护称重传感器，非常小心地取下毛毡。（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 g，
11、放取毛毡时必须十分小心，绝对不能下压，以免损坏称重传感器。（3）实验过程中，不要拍打和碰触装置面板，以免引起料盘晃动，影响称量结果。5 实验记录洞道干燥实验记录见表 3.2。表 3.2 洞道干燥实验记录（装置编号： ）绝干物料（G c）质量： 序号 时间（s） 瞬时质量 （g） 干球温度 （ OC） 湿球温度 （ OC）12345678101314156 实验数据处理（1）绘制干燥曲线（失水量时间关系曲线） 。（2）根据干燥曲线绘制干燥速率曲线。（3）读取物料的临界湿含量。（4）对实验结果进行分析讨论。7 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在恒定干燥条件下
12、进行？（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又是什么？（3）为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中干、湿球温度计或者流化床床层温度是否变化？为什么？如何判断实验已经结束？（4）若提高热空气流量，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？干燥实验二 流化床干燥1 实验目的（1）了解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）掌握利用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。（4）实验研究干燥操作条件对流化床干燥过程特性的影响。（
13、5）比较洞道干燥和流化床干燥这两种对流干燥器的干燥特性。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。干燥过程是复杂的传热、传质过程，通常根据空气状态的变化将干燥过程分为恒定干燥操作和非恒定（或变动）干燥操作两大类。恒定状态下的干燥操作（简称恒定干燥）是指干燥操作过程中空气的温度、湿度、流速及与物料的接触方式不发生变化，如用大量空气对少量物料进行间歇操作可视为恒定干燥，本实验
14、重点考查恒定干燥。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：（3.1）cd=-GXWUA（3.1）式中：U干燥速率，又称干燥通量，kg/(m 2s)；A干燥表面积，m2；W 一批操作中汽化的水分量，kg；干燥时间，s；G c绝干物料的质量，kg；X 物料湿含量，kg 水分/kg 干物料，负号表示 随干燥时间的增加而X减小。2.2 干燥速率的测定方法方法一：（1）将电子天平开启，待用。（2）将快速水分测定仪开启，待用。（3）准备 0.51 kg 的湿物料，待用。（4）开启风机，调节风量至 4060 m3/h，打开加热器加热。待热风
15、温度恒定后（通常可设定在 7080 OC） ，将湿物料加入流化床中，开始计时，每过4 min 取出 10 g 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 Gi 和终了质量 Gic。则物料中瞬间含水率 Xi 为（3.2）iCiX方法二：利用床层的压降来测定干燥过程的失水量。（1）准备 0.51 kg 的湿物料，待用。（2）开启风机，调节风量至 4060m 3/h，打开加热器加热。待热风温度恒定后（通常可设定在 7080 OC） ，将湿物料加入流化床中，开始计时，此时床层的压差将随时间减小，实验至床层压差（p e）恒定为止。则物料中瞬间含水率 Xi 为（3.3）
16、eipX式（3.3）中，p时刻 时床层的压差。计算出每一时刻的瞬间含水率 Xi，然后将 Xi 对干燥时间 i作图，如图3.4，即为干燥曲线。图 3.4 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 Xi 下的斜率 dXi/di，再由式 3.4 计算得到干燥速率 U，将 U 对 X 作图，就是干燥速率曲线，如图 3.5 所示。图 3.5 恒定干燥条件下的干燥速率曲线将床层的温度对时间作图，可得床层的温度与干燥时间的关系曲线。2.3 干燥过程分析干燥过程可以分为预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段，具体来说：（1）预热段（如图 3.4 和 3.5 中的
17、 AB 段或 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。预热段所经历的时间很短，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，本实验的干燥过程没有预热段。（2）恒速干燥阶段（见图 3.4 和 3.5 中的 BC 阶段） 。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，因而干燥速率也维持恒定，于是，在图 3.5 中，BC 段为水平线。只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥
18、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。（3）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，此时物料中的含水率为临界含水量，用 Xc 表示，对应图 3.5 中的 C 点，称为临界点。物料的临界含水率是干燥器设计的重要参数，临界含水量越大，则转入降速阶段越早，完成相同的干燥任务所需要的干燥时间越长
19、。越过 C 点后，干燥速率逐渐降低至 D 点，C 至 D 阶段称为降速第一阶段。干燥到达 D 点时，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该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 D 点以后，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，该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。
20、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 装置流程流化床干燥实验装置流程见图 3.4。图 3.4 流化床干燥装置流程图1加料斗；2床层（可视部分） ；3床层测温点；4进口测温点；5风加热器；6转子流量计；7风机；8U 形压差计；
21、 9取样口；10排灰口；11旋风分离器3.2 主要设备及仪器流化床干燥实验主要包括的设备及仪器见表 3.3。表 3.3 主要设备与仪器规格及参数序号 名称 规格及参数1 鼓风机 BYF7122，370 W；2 电加热器 额定功率 2.0 kW；3 干燥室 100 mm750 mm；4 干燥物料 耐水硅胶5 床层压差 Sp0014 型压差传感器，或 U 形压差计4 实验步骤与注意事项4.1 实验步骤流化床干燥实验主要包括以下 7 个步骤。（1）开启风机。（2）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 7080 OC 左右。（3）将准备好的耐水硅胶/绿豆加入流化床进行实验。（
22、4）每隔 4 min 取样 5 10 g 左右分析或由压差传感器记录床层压差，同时记录床层温度。（5）待干燥物料恒重或床层压差一定时，即为实验终了，关闭仪表电源。（6）关闭加热电源。（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。4.2 注意事项必须先开风机，后开加热器，否则加热管可能会被烧坏，破坏实验装置。5 实验记录5.1 快速水分测定仪确定含水率法流化床干燥实验记录见表 3.4。表 3.4 流化床干燥实验记录（装置编号： ）风量：序号 时间 （s） 床层温度 （ OC）快速水分测定仪测定的 时刻对应的取样物料的初始质量 G（g）快速水分测定仪测定的 时刻对应的取样物料的终了质量 Gc（g）12
23、3456781013145.2 利用床层的压降来测定瞬间含水率风量：序号 时间 （s） 床层温度 （ OC） 时刻对应的床层压降P 床层平衡压降 Pe12345678101314156 实验数据处理（1）绘制干燥曲线（失水量时间关系曲线） 。（2）根据干燥曲线绘制干燥速率曲线。（3）读取物料的临界湿含量。（4）绘制床层温度随时间变化的关系曲线。（5）对实验结果进行分析讨论。7 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在恒定干燥条件下进行？（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又是什么？（3）为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中干、湿球温度计或者流化床床层温度是否变化？为什么？如何判断实验已经结束？（4）若提高热空气流量，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？
