干燥速率曲线的测定实验

干燥速率曲线的测定实验
何川（1359101）同组人员：杨世琪施明超2016.04.29
一、实验内容
（1）在一定干燥条件下测定硅胶颗粒的干燥速率曲线；
（2）测定气体通过干燥器的压降。

二、实验目的
（1）了解测定物料干燥曲线的意义。

（2）学习和掌握测定干燥速率曲线的基本原理和方法。

（3）了解影响干燥速率的有关的有关工程因素，熟悉流化床干燥器的结构特点及操作办法。

三、实验原理
干燥是指采用某种方式将热量传给湿物料，使其中的湿分（水或有机溶剂）汽化单元的单元操作。

干燥过程不仅涉及到气、固两性间的传热和传质，而且涉及到湿分以气态或液态的形式自物料内部向表面传质的机理。

物料的含水量采用以干物料为基准的含水量X（kg水分/kg干物料）来表示较为方便。

w （kg水分/kg湿物料）和X（kg水分/kg干物料）之间有如下关系
X=w
①
w=X
②
干燥速率一般用单位时间内单位干燥面积上汽化的水量表示
N A=dw
Adτ
③
式③中N A—干燥速率，kg/(m2∙s)；
w—干燥除去的水量，kg；
A—平均面积，m2；
τ—干燥时间，s。

干燥速率用单位质量干物料在单位时间内所汽化的水量来表示
N A′=dw
G c dτ
④
式④中G c—干物料质量，kg。

因为 dw=−G c dX
因此 N A′=−dX
dτ
⑤
干燥实验的目的是在一定的干燥条件下，加热空气的温度、湿度、以及气速、空气的流
动方式均不变，测定干燥曲线和干燥速率曲线。

干燥曲线可以分为两个阶段，即恒速干燥阶段和降速干燥阶段。

如图12-1和12-2所示。

恒速干燥阶段
在该阶段，由于物料中含有一定量的非结合水，这部分水所表现的性质与纯水相同，热空气传入物料的热量只用来蒸发水分，因此，物料的温度基本不变，并近似等于热空气的湿球温度。

若干燥条件恒定，则干燥速率亦恒定不变。

在干燥刚开始进行时，由于物料的初温不会恰好等于空气的湿球温度，因此，干燥初期会有一为时不长的预热阶段。

降速干燥阶段
在此干燥阶段中，由于物料中的大量结合水已被汽化，物料表面将逐渐变干，使水分由“表面汽化”逐渐移到物料内部，从而导致汽化面积的减小和传热途径的增长，综合其它因素，使得干燥速率不断下降，物料温度也逐渐上升，最终达到平衡含水率而终止。

恒速阶段和降速阶段交点处的含水率称为临界含水率。

在实验过程中，只要测得干燥曲线，即物料含水量与时间的关系，即可根据曲线的斜率得到系列不同时间对应的干燥速率（N A′），通过作图标绘即可得到干燥速率曲线。

四、实验设计
实验方案
本实验拟采用流化干燥方法干燥硅胶颗粒物料，硅胶粒度为40-60目。

通过测定不同时间硅胶颗粒的含水量变化和物料温度，得到干燥曲线，经数据处理，就能求得干燥速率曲线。

检测点及测试方法
实验中需测定干燥时间τ和与之对应的物料温度t和含水率X。

用计时表测
定干燥时间，水银玻璃温度计测定物料的温度。

由于在流化状态下测定硅胶颗粒的温度有困难，近似以测定流化床温度来代替。

用烘干称重法测定物料的含水率X。

其测定方法为：抽取一定量的试样置于试样瓶中，称其重量，记为w1，
w1=w0+w1′
w0为瓶重，g；w1′为样品（湿物料）重，g。

将试样瓶置于烘箱中，在120℃下烘干20min，再将试样瓶取出称重，并记为w2，
w2=w0+w2′
w2′为干物料重，g。

则 w2′=w2−w0
样品中水分含量 Δw=w1−w2
样品的干基含水率 X=Δw w2′
控制点及调节方法
实验中需控制的操作变量有：空气流量、空气温度。

用转子流量计调节空气流量，用电加热器和固态继电器控制仪表自动调节空气温度。

实验装置和流程
玻璃流化床干燥器，床层内径130mm、空气源（罗茨鼓风机）、转子流量计、空气电加热器、固态继电器控温仪表系统、水银玻璃温度计、电热烘箱、电子天平，精度0.0001g。

本实验的装置流程图如下图所示。

1-气体温度计；2-加热器；3-空气进口温度计；4-旁路放空阀；5-取样器；6-旋风分离器；7-硅胶颗粒；8-床层温度计；9-风机；10-流量调节阀；11-空气出口温度；12-加水斗五、实验步骤
（1）预先调节风量（20~25m3/h），使床层中颗粒层处于良好流化状态。

（2）开启电加热开关预热空气，打开旁路放空阀4。

（3）待空气温度升至100℃左右，将旁路放空阀关闭使热空气进入床层。

每隔2-6min 记录一次床层温度，和取样称量一次，直至床层温度达到61℃结束取样。

（4）实验结束时，先关闭电加热开关，待床层冷却后，再关闭空气阀门（转子流量计）。

（5）由于干燥后的硅胶极易吸水，在取出样品称重时，须将试样瓶盖严、称重，待所有样品取完后则要打开盖子一起放入微波炉烘干约5min 。

样品自微波炉中取出时，必须盖严瓶盖，冷至常温后再去称重。

六、实验数据处理及结果分析
（1）根据实验数据点（θ~τ和X~τ）标绘在直角坐标纸上，并圆滑地绘出干燥曲线。

x = -5E-06τ4 + 0.0006τ3 - 0.0275τ2 + 0.305τ +
8.0368 R² = 0.9932
25
3035404550556065
12345678910
0102030405060
X θ 多项式 (X)
x = -4E-06τ4 + 0.0007τ3 - 0.0282τ2 + 0.1619τ +
6.2483 R² = 0.9978
35
404550
5560
650123
456
70
10
20
30
40
X
θ 多项式 (X)
（2）求出干燥曲线上各点的斜率N ′，在直角坐标纸上标绘出干燥速率曲线。

x = 2E-06τ4 - 7E-05τ3 - 0.0025τ2 - 0.0452τ + 7.045
R² = 0.9971
1020304050
600
123
4567801020304050
x θ 多项式 (x)
（3）对实验结果进行分析讨论，论述所得结果的工程意义。

1、θ−τ曲线图可知，在设定温度内，床层温度随着干燥时间的增加而增加，几乎呈线性关系。

本来干燥初期会有一为时不长的预热阶段，但是此实验中没有出现，其原因是因为预热阶段一般非常短暂，在实验中会因实验条件和检测条件的局限而测定不出该段曲线。

2、由X−τ曲线图可知，其含水量随着干燥时间的增加而下降，最后逐渐趋近于零，这是由于床层的温度在不断地增加引起的。

3、由干燥速率曲线图可知，最先出现一恒速干燥阶段，这是因为物料中的非结合水无论其数量多少，所表现的性质均与液态纯水相同。

此时的气-固接触和大量空气与少量水接触一样，经较短的接触时间后，物料表面即达到空气的湿球温度，且维持不变。

然后出现一降速干燥阶段，其干燥速率的变化规律与物料性质及其内部结构有关。

降速的原因有：①实际汽化面积减小；②汽化面的内移；③平衡蒸汽压下降；④固体内部水分的扩散极慢。

4、当保持空气流量不变时，使空气入口温度从100℃降到85℃，其恒速干燥速率明显降低。

（4）对实验数据进行误差分析，分析原因。

1、第一组恒速阶段的数据点出现上下波动，其可能原因有：在取样称量的过程中空气的水分接触到样品了或者在烘干样品时不彻底。

2、在对X−τ曲线图进行拟合时，采用的是多项式拟合，其R2均大于0.99，拟合程度较好。

七、思考题
（1）测定速率曲线有什么理论或应用意义？
答：可确定干燥的几个阶段：预热阶段、恒速阶段、降速阶段，以及干燥所需要的大概时间。

研究干燥速率曲线，可以据此使干燥速度控制在恒定干燥阶段，防止被干燥的物料出现开裂等不希望的情况发生。

（2）在干燥过程中，有些物料的干燥希望热气流的相对湿度要小，而另一些物料则要在湿度较大的热气流中干燥，这是为什么？
答：干燥气流的相对湿度较小，物料与空气的水汽分压差值大，有利于物料的干燥；而一些物料要在湿度较大的热气流中干燥，主要是为了防止被干燥的物料出现开裂等不希望出现的情况发生。

（3）空气的进口温度是否越高越好？
答：干燥即把被干燥物的水分去掉,但是被干燥物都有一定的理化指标,如熔点、沸点、分解点等等。

干燥的方法有增加温度、增加空气流量、增加接触面积,实际生产的干燥往往采用成本最低、效果最好、实用性最强的干燥方法,比较有代表性的就是：低温大风量,这是化工类产品试验、生产常的干燥方法。

而生活品、食品类采用的干燥方法最常用的是：硫酸铜干燥。

从干燥效果来说,必然是温度越高越好可以同时提高干燥速率和平衡含水量。

然而,温度越高,对能量的消耗越大,因此要选择最好的能效。

为了提高能效可以将通过物料后的高温气体再循环,不过也有缺点是会带入一些水,湿度较高，所以也要选择最优的回流比例。

（4）实验中为什么要先开风机，而后再通电加热？
答：干燥过程中,如果先开电热器,产生的热量如果没有鼓风机吹,将会使设备烧坏。

先将风机打开,电热器散发的热量便能及时地被风带走。

鼓风机启动需要很大的启动电流,如果电热器开着,可能会造成线路过载。

但如果先开鼓风机,启动电流中便少了电热器的电流量,这样对于电路更安全。