流化床和洞道干燥综合实验一、实验目的1. 了解流化床、洞道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、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，通常地，其干燥特性数据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。

2.1. 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：-c G dX dw U A d A d ττ==kg/(m 2/s)式中，U －干燥速率，又称干燥通量，kg/（m 2s ）；A －干燥表面积，m 2； 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。

2.2. 干燥速率的测定方法（1）将电子天平开启，待用。

（2）将快速水分测定仪开启，待用。

（3）将0.5~1kg 的红豆（如取0.5~1kg 的绿豆/花生放入60~70℃的热水中泡30min ，取出，并用干毛巾吸干表面水分，待用。

（4）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，每过4min 取出四颗红豆的物料，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为:i ic i icG -G X =G计算出每一时刻的瞬间含水量X i ，然后将X i 对干燥时间i τ作图，如图1，即为干燥曲线。

图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i dX 下的斜率i idX d τ，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2所示。

图2 恒定干燥条件下的干燥速率曲线2.3. 干燥过程分析预热段见图1、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，干燥速率可能呈上升趋势变化，也可能呈下降趋势变化。

预热段经历的时至湿球温度tW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1、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，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不干燥条件下，物料表面始终保持为湿球温度tW变。

于是，在图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X c表示，对应图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。

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。

三、实验装置3.1流化床干燥装置图图3 流化床干燥实验装置流程图1－加料斗；2－床层（可视部分）；3－床层测温点；4－取样口；5－出加热器热风测温点；6－风加热器；7－转子流量计；8－风机；9－排灰口；10－旋风分离器；11－风机出口测点（双金属温度计）；12－床层出口气体温度测点（双金属温度计）。

3.2洞道干燥装置图本装置流程如图4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）。

图4 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；13－风机入口温度计。

四、实验步骤与注意事项4.1．流化床干燥实验步骤（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）将准备好的红豆加入流化床进行实验。

（4）每隔3-5min取5~10克样品进行质量分析，同时记录床层温度。

（5）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。

（6）关闭加热电源。

（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。

4.2．洞道干燥实验步骤（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。

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（例如75℃）。

（3）将待干燥物料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℃时, 将湿毛毡十分小心地放置于称重传感器上。

（5）记录时间和脱水量，每分钟记录一次重量数据；（6）等待干燥物料恒重时，即为实验终了时，关闭仪表电源，注意保护称重传感器，非常小心地取下干燥物料。

（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。

4.3. 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。

五、原始数据的记录5.1流化床原始数据5.2洞道干燥原始数据PS: 空框时质量为: —3.2 (负值) 放入豆后: 30.6六、数据处理与分析6.1流化床干燥实验6.1.1绘制干燥曲线（失水量-时间关系曲线）如图5恒定干燥条件下红豆的干燥曲线6.1.2根据干燥曲线作干燥速率曲线。

由于实验中难以得到准确的干燥面积，故重新定义干燥速率：在单位时间内汽化的水分质量，并令A= —G c ，则干燥速率表达式可表示为：-=c G dX dw dX U Ad A d d τττ==kg/ s从而可以简化干燥速率的计算，直接由干燥曲线求出各点斜率d X d τ，即可标绘出图2所示的干燥速率曲线。

如图6恒定条件下的干燥速率曲线6.1.3由图6可知，物料的临界干基湿含量为：c X =0.63 K g /K g 水绝干料 *X =0.15 K g /K g 水绝干料6.1.4分析讨论（1）恒速干燥阶段在该阶段，物料内部的水分能及时扩散到物料表面，使物料表面完全润湿。

此外，在整个恒速干燥阶段中，湿物料内部的水分向表面扩散的速率必须能够与水分自物料表面汽化的速率相适应，以使物料表面始终维持润湿状态。

恒速干燥阶段的干燥速率大小取决于物料表面水分的汽化速率，亦即取决于物料外部的干燥条件，所以恒速干燥阶段又称为表面汽化控制阶段。

提高空气的温度、降低空气的湿度或提高空气的流速，均能提高恒速干燥阶段的干燥速率。

（2）降速干燥阶段当物料含水量降至临界含水量以下时，即进入降速干燥阶段。

在降速干燥阶段中，干燥速率的大小主要取决于物料本身的结构、形状和尺寸，而与外部干燥条件关系不大，所以降速干燥阶段又称为物料内部扩散控制阶段。

（3）临界含水量物料的临界含水量是恒速干燥阶段和降速干燥阶段的分界点，它是干燥器设计中的重要参数。

临界含水量X c 越大，则转入降速阶段越早，完成相同的干燥任务所需的干燥时间越长。

临界含水量因物料的性质、厚度和恒速阶段干燥速率的不同而异，通常吸水性物料的临界含水量比非吸水性物料的大；同一物料，恒速阶段干燥速率越大，则临界含水量越高；物料越厚，则临界含水量越大。

临界含水量通常由实验测定。

（4）流化床干燥器流化床干燥器的主要优点是颗粒与热干燥介质在沸腾状态下进行充分混合与分散，气膜阻力小，且气固接触面积大，故干燥速率很大；由于流化床内温度均一并能自由调节，故可得到均匀的干燥产品；物料在床层中的停留时间可任意调节，故对难干燥或要求干燥产品湿含量的物料特别适用；结构简单，造价低廉，没有高速转动部件，维修费用低。

其缺点是物料的形状和粒度有限制。

（5） 压降的变换当气速较小时，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，成一条水平直线。

（6） 同一湿度的空气，温度较高有利于干燥操作因为温度较高时，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SC P P =φ,所以空气的相对湿度增加，从而有利于干燥的进行。

6.2 洞道干燥实验 6.2.1. 数据的处理6.2.2.绘制干燥曲线（失水量-时间关系曲线）6.2.3.根据干燥曲线作干燥速率曲线。

如图8 恒定干燥条件下红豆的干燥曲线6.1.5由图8可知，物料的临界干基湿含量为：c X =0.24 K g /K g 水绝干料 *X =0.02 K g /K g 水绝干料6.2.4. 分析讨论（1）对比两种不同方法(流化床、洞道)求得物料的临界干基含水量和平衡含水量发现，两者算得的结果不太一样，原因可能是洞道实验中物料没有完全恒重，以致我们选择c G 时带来一定的误差，所以后面的计算造成两种方法求取结果的不同；（2）洞道式干燥器可以看作连续化的厢式干燥器，其适用于体积大、干燥时间长的物料；（3）干燥过程中采用节能措施（ 1、减少干燥过程的热量；2、加强热量的回收利用；3、减少热损失），是强化干燥过程的一个重要方面。