干燥速率曲线的测定实验

干燥速率曲线的测定实验

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)了解测定物料干燥速率曲线的工程意义

(2)学习和掌握测定干燥速率曲线的基本原理和实验方法。

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

三、实验基本原理

干燥时指采用某种方式将热量传给湿物料，使其中的湿分（水或者有机溶剂）汽化分离的单元操作，在化工，轻工及农、林、渔业产品的加工等领域有广泛的应用。

干燥过程不仅涉及到气、固两相间的传热和传质，而且涉及到湿分以气态或液态的形式自物料向内部表面传质的机理。由于物料的含水性质和物料的形状及内部结构不同，干燥过程速率受到物料性质，含水量，含水性质，热介质性质和设备类型等各种因素的影响。目前，尚无成熟的理论方法来计算干燥速率，工业上仍需依赖于实验解决干燥问题。

物料的含水量，一般多用相对于湿物料总量的水分含量，即以湿物料为基准的含水率，用ω（kg水分/kg湿物料）来表示，但干燥时物料总量不断发生变化，所以，采用以干物料为基准的含水率X（kg水分/kg干物料）来表示较为方便。ω和X之间有如下关系：

X=

ω1−ω

ω=

X 1+X

在干燥过程的设计和操作时，干燥速率是一个非常重要的参数。例如对于干燥设备的设计或选型，通常规定干燥时间和干燥工艺要求，需要确定干燥器的类型和干燥面积，或者，在干燥操作时，设备的类型及干燥器的面积已定，规定工艺要求，确定所需干燥时间。这都是需要知道物料的干燥特性，即干燥速率曲线。

干燥速率一般用单位时间内单位面积上汽化的水量表示

N A=dωAdτ

式中N A——干燥速率，kg/(m2·s)；

ω——干燥除去的水量，kg；

A——平均面积，m2；

τ——干燥时间，s。

干燥速率也可以以干物料为基准，用单位质量干物料在单位时间内所汽化的水量表示

N A‘=

dωG c dτ

式中G c——干物料质量，kg。因为

dω=−G c dX 因此

N A‘=−dX dτ

干燥速率表示在一定的干燥条件下物料的含水率与干燥时间之间的关系。

干燥实验的目的是在一定的干燥条件下，例如加热空气的温度，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。对于不同的物料、不同的干燥设备，干燥曲线与干燥速率曲线的形状是不同的，这反映了干燥情况的差异。但是，无论是何种干燥情况，干燥曲线（干燥速率曲线）都可以分为两个阶段，即恒速干燥阶段和降速干燥阶段。如图12-1和图12-2所示。

恒速干燥阶段

如图12-2中的BC段所示。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失球温度。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，如图AB所示。由于预热阶段一般非常短暂，在实验中会因为实验条件和检测条件的局限而测定不出该段曲线。

降速干燥阶段

在该干燥阶段中，由于物料中大量的结合水已经被汽化，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少和传热传质途径的加长，此外，由于物料中结合水的物理和化学约束力的作用，水的平衡蒸汽压下降，需要较高的温度才能使这部分水汽化，所有这些因素综合起来，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C e而终止。恒速阶段与降速阶段交点处的含水率称为临界含水率，用C o表示。

在实验过程中，只要测得干燥曲线，即物料含水率与时间的关系，即可以根据曲线的斜率得到一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。

应该注意的是，干燥（速率）曲线，临界含水率均显著地受到物料结构（大小和形态）和物料与热风的解除状态（与干燥器的类型有关）的影响，例如，对于粉状物料，若其颗粒呈分散状态在热风中干燥时，不但干燥面积大，其临界含水量也比较低，容易干燥；若物料

呈堆积状态，使热风掠过物料表面进行干燥，不仅干燥面积小，其临界含水率增大，干燥速率也变小。因此，在干燥实验时，应尽可能采用与工业干燥器同类型的实验设备，至少也应使实验时的物料与热风接触状态近似于工业干燥中的操作状态，这样求得的干燥（速率）曲线和临界含水率数据才有工业应用价值。

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率变化和物料温度，得到干燥曲线，经数据处理，就能求得干燥速率曲线。

检测测点及测试方法

实验中需测定的数据有干燥时间τ和与之对应的物料温度t和含水率X。

干燥时间用计时表计时。

物料的温度用水银玻璃温度计测定。由于在流化状态下测定硅胶颗粒的温度有困难，近似以测定流化床床层温度来代替。

物料的含水率X采用烘干称重法测定。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ω1，

ω1=ω0+ω‘1

ω0为瓶重，g；ω‘1为样品（湿物料）重，g。

将试样瓶置于烘箱中，在120℃烘干20min，再将试样瓶取出称重，并记为ω2，

ω2=ω0+ω‘2

ω‘2为干物料重，g。

则

ω‘2=ω2−ω0

样品中水分含量为

∆ω=ω2−ω1

样品的干基含水率

X=∆ωω‘2

控制点及调节方法

实验中需要控制的操作变量有：空气流量，空气温度。空气流量用转子流量计调节。

空气温度用电加热器和固态继电器控制仪表自动调节。

实验装置和流程

主要设备和仪表、

玻璃流化床干燥器，床层内径140mm；

空气源（罗茨鼓风机）；

转子流量计；

空气电加热器；

固态继电器控温仪系统；

水银玻璃温度计；

电热烘箱；