实验七 干燥实验
（一）沸腾干燥实验
沸腾干燥又称流化干燥，是固体流态化技术在干燥上的应用。
沸腾床干燥器具有传热系数大,热效率高的特点，被广泛应用于化工、医药、食品等行业。
目前对干燥机理的研究尚不够充分，干燥速度的数据还主要依靠实验。
在生产操作中，测量床层压力降可了解床层是否达到流态化，操作是否稳定等。
因此，通过实验，可进一步掌握沸腾干燥的基本概念、基本理论和流化曲线、干燥曲线和干燥速率曲线等测定方法，同时还可了解操作故障的识别和排除，为今后的工业干燥器设计和生产操作打下坚实的基础。
一．实验任务（任选一个）
1．通过对流化曲线的测定，确定干燥介质适宜的操作流速范围；
2．某工厂需要设计一个沸腾床干燥器，用于干燥绿豆。
请根据实验室提供的设备（见第三部分，实验装置与流程），设计一实验方案并进行实验，为他们提供有关参数，如绿豆的含水量随干燥时间的变化曲线、绿豆表面温度随干燥时间的变化曲线、干燥速率曲线、含水量、临界含水量0X 等。
二．实验原理
1．流化曲线：
流化曲线也称床层压降与气速的关系曲线。
在流化床的底部气体分布板处装有一压力传感器，测定床层底部的压力，在玻璃管上口处也装有一压力传感器，通过测定床层流化
前后压力降Δ
P f 1）。
图中曲线的a 段（虚线）表明固定床阶段压力降ΔP f 与空床流速u 成正比；此后如再增加气速，压力降的增加变缓，此时床内颗粒变松，成为膨胀床，气速增到b 处附近，床层开始流态化；此后气速再增，床层压力降基本上维持不变，如曲线的c 段所示，此即流化床阶段；过了c 段以后，气速再增，压力降反而变少，如曲线的b 段所示，此时颗粒开始为上升气流所带走，达到了气力输送阶段；若气流增大到将颗粒全部带走，此时压力降减到与气体流过空管的压力降相当。
如果到达流化阶段c 以后，把气速逐渐减少，可以测出压力降并不沿c －b －a 的路线返回，而是循着c －a’ 的路线返回。
曲线的a’段亦相当于固定床阶段，但a’ 段与c 段之间有更为明显的转折，且a’ 段所显示的压力降比a 段所显示的低，此说明从流化床回复到固定床时，颗粒由上升气流中落下，所形成的床层较人工装填时疏松一些，阻力也就小一些。
曲线的明显转折亦表明此过程中不存在与膨胀床要逆转的阶段。
因b 的位置不够明确，故实测起始流化速度时，都以曲线c 段与a’段相交的交点为准。
从流化曲线上可以获得起始流化速度mf u 与颗粒带出速率0u 这两流化床操作的重要参数。
流量的测量采用孔板流量计，其换算公式为：
21C R C V = （1） 式中： V ——流量 [ m 3/h ]
R ——孔板压差，[ kPa ]
1C 、2C ——孔板流量计参数，本实验装置 1C = 26.2 2C = 0.52
故式（1）可写为：
52.02.26R V = （2）
2．干燥特性曲线
若将湿物料置于一定的干燥条件下，例如一定的温度、湿度和气速的空气流中，测定被干燥物料的重量和温度随时间的变化关系，则得图2所示的曲线，即物料含水量—时间曲线和物料温度—时间曲线。
干燥过程分为三个阶段：Ⅰ物料预热阶段；Ⅱ恒速干燥阶段；Ⅲ降速阶段。
图中AB 段处于预热阶段，空气中部分热量用来加热物料，故物料含水量和温
图2 干燥曲线 图3 干燥速率曲线
度均随时间变化不大（即dx/d τ较小）。
在随后的第Ⅱ阶段BC ，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tw ，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，干燥速率恒定且较大（即dx/d τ较大）。
到了第Ⅲ阶段，物料中含水量减少到某一临界含水量时，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润湿，则物料表面将形成干区，干燥速率开始降低，含水量越小，速率越慢，干燥曲线CD 逐渐达到平衡含水量X *而终止。
在降速阶段，随着水分汽化量的减少，传入的显热较汽化带出的潜热为多，热空气中部分热量用于加热物料。
物料温度开始上升，Ⅱ与Ⅲ交点处的含水量称为物料的临界含水0X ，在图2中物料含水量曲线对时间的斜率就是干燥速率u ，若干燥速率u 对物料含水量进行标绘可得图3所示的干燥速率曲线。
干燥速率曲线只能通过实验测得，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、结构以及所含水分性质的影响。
干燥速率为单位时间内在单位面积上汽化的水分质量，用微分式表示，则为
τ
Ad dw u =
[kg/m 2s] （3） 式中：u —— 干燥速率 [kg/m 2s]
A ——干燥表面 [m 2]
τd —— 相应的干燥时间 [s]
dw ——汽化的水分量 [kg]
因为 dx G dw c -=
故式（3）可改写为 τ
ττ∆∆=-==A x G Ad dx G Ad dw u c c （4） 式中： Gc —— 湿物料中绝干物料的质量 [kg]
x —— 湿物料含水量 [kg 水／kg 绝干料]
通过实验，测得x ∆、τ∆即可求出u 。
以u 为纵坐标，某干燥速率下的湿物料的平均含水量x 为横坐标，即可绘出干燥速率曲线。
三．实验装置与流程
本实验装置主要包括三部分：沸腾床干燥设备、调节仪表和控制系统。
沸腾干燥实验装置的流程如图4所示(插入：教案下载\图片\实验六沸腾干燥装置图)。
设备床身的筒体部分由不锈钢（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 ）。
不锈钢段筒体上设有物料取样器、放净口、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、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，它与人工智能仪表、固态继电器等连接，实现空气介质的温度控制，同时，计算机可实现对仪表的控制。
空气加热装置底部设有空气介质的干球温度计和湿球温度计接口，以测定空气的干、湿球温度。
本装置安装有旋风分离器，可除去干燥物料的粉尘。
每套实验装置设有7块仪表，分别为：加热器温控、床身温度、干球温度、湿球温度、空气流量、空气压力和床层压降。
四．操作要点
1．准备工作
（1）将电子天平开启，并处于待用状态；
（2）将快速水分测定仪开启，并处于待用状态；
（3）准备一定量的被干燥物料（以绿豆为例，约2kg ），取1.5 kg 左右放入热水（或沸水）中泡数分钟后取出，并用毛巾吸干表面水分，待用。
（4）往湿球温度计水筒中补水，但液面不得超过警示值。
2．床身预热阶段
启动风机及加热器，设定加热管表面温度（在80－100℃范围内）。
待数分钟后，关闭加热器和风机，打开进料口，将待干燥物料徐徐倒入，关闭进料口，再开启风机及加热器，并确定风速在某一流量下操作。
3．测定干燥速率曲线
（1）取样：用取样器（推入拉出）取样，每隔5－10分钟一次，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；
（2）记录数据：在每次取样的同时，要记录床层温度、空气干、湿球温度和流量、床层压降等。
（3）分析含水量：在用烘箱烘干水分之前，应先将称量瓶和湿试样称重。
电子天平的使用方法见《附录5 电子天平的使用说明》。
4．测定流化曲线
将气量控制阀开至最大，待数分钟后，调节控制阀开度（关小），每次改变开度（即改变风速），都应记录相应的床层压降和空气流量，直至阀门关闭，共做8－10组数据。
若使用计算机控制系统，改变风速的方法是改变变频器的频率。
取大频率为50Hz。
五．注意事项
1．加料时，要停风机，加料速度不能太快；
2．取样时，取样器推拉要快，槽口要用小布袋套住，以免物料喷出；
3．湿球温度计补水筒液面不得超过警示值；
4．电子天平和快速水分测定仪要按使用说明操作。
六．实验报告要求
实验报告至少应包括以下内容：
1．简述实验原理和操作要点；
2．画出实验流程示意图；
3．数据处理：根据计算机自动数据采集系统打印出的实验结果（数据及曲线图），任取其中一组为例进行计算；
4．对实验现象和实验结果进行讨论。
七．思考题
1．影响干燥速率的因素有哪些？本实验若要提高干燥强度，可采取哪些措施？
2．如何提高床层的稳定性以提高流化效果（可结合本实验写）？
3*．为了大型流化干燥器的设计，需测定其体积给热系数，如何对实验装置进行适当的改造来实现？请设计出实验方案、步骤等。
4*．对间歇操作的沸腾床干燥器，利用固相法研究干燥动力学性能，必须不断地从床层中取料，不仅操作繁琐，而且会破坏操作连续性，引入较大的随机误差。
针对这个问题，是否有其它的研究方法，如何实现？。