实验十一流化床干燥实验
实验学时:4
实验类型：综合
实验要求：必修
一、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
4. 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响
二、实验内容
1. 绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）；
2. 根据干燥曲线作干燥速率曲线；
3. 绘制床层温度随时间变化的关系曲线；
三、实验原理
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。
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，再加上气流速度以及气流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。
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：
U =
式中，U －干燥速率，又称干燥通量，kg/（m 2s ）；
A －干燥表面积，m 2； G dX dW kg/(m2s) =-C Ad τAd τ (11－1)
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. 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0.5~1kg的湿物料，待用。
（4）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G i 和终了质量G iC 。则物料中瞬间含水率X i 为
X i =G i -G iC （11－2） G iC
方法二（数字化实验设备可用此法）：
利用床层的压降来测定干燥过程的失水量。
（1）准备0.5~1kg的湿物料，待用。
（2）开启风机，调节风量至40～60m 3/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，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X i 为
X i =
式中，∆p —时刻τ时床层的压差。 ∆p -∆p e （11－3） ∆p e
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τi 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X i 下的斜率dX i ，再由式11－1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d τi
11－2所示。
图11－2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。
3. 干燥过程分析
预热段见图11－1、11－2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t W , 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。
恒速干燥阶段见图11－1、11－2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t W ，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，用Xc 表示，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、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。
四、实验装置
1．装置流程
本装置流程如图11—3所示。
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；8－U 形压差计；9－取样口；10－排灰口；11－旋风分离器
图11—3 流化床干燥实验装置流程图
2．主要设备及仪器
（1）鼓风机：BYF7122,370W ；
（2）电加热器：额定功率2.0KW ；
（3）干燥室：Φ100mm×750mm ；
（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。
五、实验步骤
1．实验步骤
（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70~80℃左右。
（3）将准备好的耐水硅胶/绿豆加入流化床进行实验。
（4）每隔4min 取样5~10克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。
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。
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？实验过程中床层温度是如何变化？为什么？如何判断实验已经结束？
4. 若加大热空气流量，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？
七、实验报告
实验报告应体现预习、实验记录和实验报告
1．实验预习
在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、实验原理，实验步骤以及原始数据记录表，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。
2．实验记录
学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。
实验记录中应有指导教师的签名。
3．实验报告
（1）绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）；
（2）根据干燥曲线作干燥速率曲线；
（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。
实验十一流化床干燥实验
实验学时:4
实验类型：综合
实验要求：必修
一、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
4. 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响
二、实验内容
1. 绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）；
2. 根据干燥曲线作干燥速率曲线；
3. 绘制床层温度随时间变化的关系曲线；
三、实验原理
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。
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，再加上气流速度以及气流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。
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：
U =
式中，U －干燥速率，又称干燥通量，kg/（m 2s ）；
A －干燥表面积，m 2； G dX dW kg/(m2s) =-C Ad τAd τ (11－1)
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. 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0.5~1kg的湿物料，待用。
（4）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G i 和终了质量G iC 。则物料中瞬间含水率X i 为
X i =G i -G iC （11－2） G iC
方法二（数字化实验设备可用此法）：
利用床层的压降来测定干燥过程的失水量。
（1）准备0.5~1kg的湿物料，待用。
（2）开启风机，调节风量至40～60m 3/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，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X i 为
X i =
式中，∆p —时刻τ时床层的压差。 ∆p -∆p e （11－3） ∆p e
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τi 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X i 下的斜率dX i ，再由式11－1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d τi
11－2所示。
图11－2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。
3. 干燥过程分析
预热段见图11－1、11－2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t W , 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。
恒速干燥阶段见图11－1、11－2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t W ，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，用Xc 表示，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、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。
四、实验装置
1．装置流程
本装置流程如图11—3所示。
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；8－U 形压差计；9－取样口；10－排灰口；11－旋风分离器
图11—3 流化床干燥实验装置流程图
2．主要设备及仪器
（1）鼓风机：BYF7122,370W ；
（2）电加热器：额定功率2.0KW ；
（3）干燥室：Φ100mm×750mm ；
（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。
五、实验步骤
1．实验步骤
（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70~80℃左右。
（3）将准备好的耐水硅胶/绿豆加入流化床进行实验。
（4）每隔4min 取样5~10克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。
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。
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？实验过程中床层温度是如何变化？为什么？如何判断实验已经结束？
4. 若加大热空气流量，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？
七、实验报告
实验报告应体现预习、实验记录和实验报告
1．实验预习
在实验前每位同学都需要对本次实验进行认真的预习，并写好预习报告，在预习报告中要写出实验目的、实验原理，实验步骤以及原始数据记录表，形成一个操作提纲。对实验中的安全注意事项及可能出现的现象等做到心中有数，但这些不要求写在预习报告中。
2．实验记录
学生开始实验时，应该将记录本放在近旁，将实验中所做的每一步操作、观察到的现象和所测得的数据及相关条件如实地记录下来。
实验记录中应有指导教师的签名。
3．实验报告
（1）绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）；
（2）根据干燥曲线作干燥速率曲线；
（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。