干燥操作及干燥速率曲线的测定

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1、 干燥操作及干燥速率曲线的测定 、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。 、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

2、验测定。 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、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 、单位时间内所除去的湿分质量。即 (10 — 1) 干燥速率的定义为单位干燥面积(提供湿分汽化的面积) ,,dW GCdX U - Adi Adi 式中，U —干燥速率，又称干燥通量， kg/ (m2s)； 2 A —干燥表面积，m ； W —汽化的湿分量，kg; -—干燥时间，s; Gc

3、—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 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 G —Gc X (10-2) Gc 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10- 1,即为干燥曲线。 0.5 斗 3 2 a a a

4、 干燥时间T/h 图10- 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下的斜率dX，再 di 由式(10- 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 10-2所示。 图10- 2恒定干燥条件下的干燥速率曲线 兰 Nl^m戦H- 3. 干燥过程分析 预热段 见图 10－1、10－2 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。预热段经历的时间很短，通常 在干燥计算中忽略不计，有些干

5、燥过程甚至没有预热段。本实验中也没有预热段。 恒速干燥阶段 见图 10－1、10－2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 tw,传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是在图 10-2 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。 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

6、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 的的含水率称为临界含水率，用 Xc表示，对应图10-2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层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。

7、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。

8、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 1．装置流程 本装置流程如图10-3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。 [13 1—离心风机；2 —管道；3 —孔板流量计；4 —差压变送器；5—加热管；6 —称重传感器; 7 —玻璃视镜门； 8 —湿球温度计；9 —干球温度计；10 —气流均布器；11—厢式干燥器; 12 —进风口

9、； 13—出风口； 14、15、16 —蝶阀； 图10-3干燥装置流程图 2 •主要设备及仪器 (1) 鼓风机：370W ； (2) 电加热器：额定功率 4.5KW ； (3) 干燥室断面尺寸： 140mM 200mm ； (4) 干燥物料：湿毛毡； (5) 称重传感器：CZ1000型，0〜500g 精度0.1g 四、实验步骤与注意事项 1实验步骤 (1)实验前应记录绝干物料的重量。 ( 2)开启总电源，开启风机电源。 (3)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，并用润湿的

10、棉花包住湿球温度计，干燥室 温度(干球温度)要求达到恒定温度(例如 70C)。 ( 4)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。 (5)当干燥室温度恒定在 70 C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 500 克，用力过大容易损坏称重传感器。 ( 6)一般每分钟或者每两分钟记录一次数据。 ( 7)待毛毡恒重时，即为实验终了时，关闭加热电源，非常小心地取下毛毡，注意保护称重传感 器。 ( 8)待干球温度降至室温，关闭风机，切断总电源，清理实验设备。 2. 注意事项 ( 1)必须先开风机，后

11、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 500 克，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、碰扣装置面板，以免引起传感器晃动，影响结果。 五、实验报告 1. 绘制干燥曲线(瞬间含水率 ~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. 对实验结果进行分析讨论。 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？实验过程中干、湿球温度计是否变化？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？