利用托盘干燥器研究对流和导电传热

Chemical Engineering

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Overview

资料来源: 迈克尔 g. 本顿和克里先生, 路易斯安那州立大学化学工程系, 巴吞鲁日, 洛杉矶

烘干机在许多工业过程中被使用。烘干机的作用是使用热传递过程到干燥固体。各种各样的干燥机类型存在。绝热干燥器使用对流和直接接触气体到干固体, 而非绝热烘干机使用的方法不是加热气体接触到干1, 包括传导、辐射和射频干燥1。烘干机可用于批处理或连续使用1

在本实验中, 温度和风速对砂干燥速率的影响将通过托盘干燥器来确定。三不同的功率设置 (1000 w, 1500 w 和 2500 w) 的两种不同的气流速率将被测试, 提供了共六数据集。从这些数据中, 可以计算出传热和传质系数。

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JoVE Science Education Database. 化学工程. 利用托盘干燥器研究对流和导电传热. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

托盘烘干机是一种类型的间歇式干燥机, 其中也包括流化床干燥机, 冷冻干燥机和真空干燥机。托盘烘干机使用对流换热, 以流动的加热空气的固体, 以干燥他们。它们被各种工业所使用, 包括用于生产药品和其他化学品1。连续烘干机另一方面是共同的对大容量产品产业, 例如食品工业1

要开始在一个典型的托盘干燥机的过程中, 托盘是均匀地填充一个湿固体, 如沙子, 并加载到设备。该烘干机的可调式风扇和加热器允许连续变化的流量从风扇通过干燥通道, 和热负荷变化500瓦特增量。当烘干机运转时, 水从沙子蒸发入空气。然后, 通过称量初始固体/水混合物, 减去最终干固体的重量, 并在不同的定时间隔计算干燥速率。

热传递是由砂与周围空气的温差驱动的。简化的牛顿加热定律 (方程式 1) 可用于模拟加热空气与砂-气界面之间的传热, 以获得实验传热系数。与等式1中的术语相比, 其他的热税术语可忽略不计,

Equation 1方程式1

凡 q 是热量转移, ṁ是水蒸发在一个定量的时间或蒸发率, ∆hvap 是汽化焓, Hy是热传导系数, t空气是空气温度, 和 ts是沙子的表面温度。

为了获得实验的传质系数, 将水从砂到空气的传递模型化为传质传递到真相边界。干燥速率方程 (方程式 2) 是这个模型。

Equation 2方程式2

在 ky为传质系数时, C 是水的浓度, A 是边界的表面积。沙子 (Cs) 和空气 (C∞) 中的水浓度将分别使用质量平衡和湿图来获得。这些是用来解决的干燥率。

通过计算传热和传质系数, 可以将理论值与实验数据进行比较。理论热 (方程 3) 和质量 (方程式 4) 传递系数从相关物质的性质得到。

Equation 3方程式3

Equation 4方程式4

其中 Re 是雷诺数, Pr 是普朗特数, Sc 是施密特号, DAB是空气中水的扩散系数, L 是长度。

Procedure

实验将包括四运行, 每个测试一个不同的组合两个风扇和热设置。

1. 托盘干燥机操作

  1. 将500克沙子和150毫升的水混合在一起, 并将其装入实验托盘。将混合物均匀地分散在托盘中。
  2. 与单位关闭, 把托盘放在干燥室。
  3. 打开主设备, 然后打开风扇和加热器。
  4. 设置每次运行的风速和温度。三的风速应范围从0.8 英尺/秒到2.0 英尺/秒 (一个高, 中, 低) 与恒定温度约 195 :F。三的温度范围从 130-200 :F 到恒定的空气速度为1.8 英尺/秒。
  5. 采取测量每5分钟在整个奔跑, 应该为时 45 min。收集的数据应包括进气温度、砂温、砂重、出口空气温度、出口气流、干球温度和湿球温度。使用数字温度计的温度读数, 气流设置的空气流量, 一个数字规模的砂重量和吊索干湿的湿和干球温度。
  6. 对每组设置重复此过程, 总计四唯一的运行。

托盘干燥是一种对流热和传质过程, 通常用于工业中分离固体和液体。在托盘干燥, 一股热气通过一个潮湿的固体, 以蒸发液体。该过程不需要搅拌, 并允许控制温度和其他性能。托盘干燥的灵活性, 使其可用于化学, 制药和食品生产之前, 包装。虽然看似简单, 该过程通常需要彻底的试验, 以优化干燥条件, 而不损害固体。这个视频将说明托盘干燥器是如何工作的, 演示了一个典型的干燥试验程序, 并讨论了一些应用。

首先, 让我们来看看托盘干燥机的操作。最基本的设计采用了一个长方形的金属框架, 由进气口、通风器、加热器、托盘室和插座组成。湿固体被装入一个浅托盘, 这是放置在托盘车厢。通风机和加热器在经过精心控制的温度和流速的情况下, 在托盘上强制加热气流。托盘中的液体蒸发, 从固体中移除。托盘干燥是一个间歇过程, 意味着添加和清除从干燥器的固体是离散的步骤, 不能同时发生。它比其他干燥方法的优点包括简单性、操作的灵活性和相对较低的固定成本。它的缺点包括高劳动力成本和高能源使用率, 虽然后者可以通过过滤和预成型固体部分抵消。现在, 我们已经看到了一些基本的干燥机械如何运作, 让我们来看看如何分离发生。

从固体中分离出的液体包括两个步骤。在第一步, 气体通过对流将热量传递到液体, 导致液体蒸发。热传导速率, 因此蒸发速率取决于气体和液体之间的温差, 以及一个经验确定的比例常数, 称为 "对流换热系数"。在第二步, 新汽化的液体通过对流传质转移到远离界面, 以防止再。这一过程的速率取决于界面和气体流的大部分之间的水汽浓度的差异。经验比例常数这里是对流传质系数。虽然系数可以估计 , 它们是唯一的固体燥和几何的托盘干燥器。此外, 只要固体表面饱和, 这些系数才有效。在表面水分显著降低后, 由于固体内液体的内部流动成为主导的传质机制, 干燥速率会降低。现在, 你知道的原则, 让我们来看看样品干燥程序。

这一示范说明了在不同温度和空气速度下的砂水泥浆的干燥情况。首先, 检查烘干机是否有安全隐患, 并确保干湿和其他测量设备可以使用。将500克沙子与150克水混合, 准备浆料。将浆料倒入托盘中, 确保其均匀分布。打开单位, 并把托盘在干燥室, 并记录重量。然后, 打开鼓风机和烘干机。设置试验的风速和温度。每项试验将持续45分钟, 以五分钟的间隔进行测量。使用数字温度计测量入口空气温度、沙子温度和出口空气温度。使用干湿来测量干球和湿球的温度。最后, 记录出口气流率和重量从平衡。对每组设置重复此过程, 总计四唯一的运行。当运行完成时, 使用湿图表或类似的工具来找到绝对湿度。

每个试验的蒸发速率是通过将浆料的重量作为时间的函数来确定的。温度的升高与传导传热速率和蒸发速率呈正相关。提高风速与对流换热和传质的速率有关, 同时也增加了蒸发速率。空气温度和蒸发速率, 以及气流与蒸发速率之间存在正线性相关关系。然而, 传热与传质系数之间的实验相关性弱于预测。这可能是由于空气砂界面的相对湿度或空气流速对托盘重量的影响。

托盘干燥在工业应用中普遍应用, 无论是在特种化工生产还是在规模较大的生产中, 劳动费用都不太大。托盘烘干机是用于食品加工业, 通常作为最后的生产步骤之前, 包装。为了提高蒸发率, 同时控制食品质量, 烘干机可以配备间接干燥机制, 如加热托盘和射频加热。在干燥循环过程中可以改变加热条件, 防止固体材料腐烂、翘曲或开裂。托盘烘干机是特别有用的设施, 几个不同的食品, 准备在不同的数量, 必须在独特的温度和湿度条件干燥。交替式烘干机设计使用多托盘卡车。在制药行业, 卡车被用来减少时间和劳力, 提高产品的统一性。该设计采用 recirculators 和挡板控制气流, 避免死区, 并保持一致的温度和湿度。对于敏感化学品, 产生惰性气氛。由于托盘干燥比流化床或旋转翻滚法具有更好的物理性, 因此适用于粉状和粗药等粘性结晶材料的干燥。

你刚刚看了朱庇特的介绍托盘烘干机。你现在应该了解托盘干燥的原则, 一个进行托盘干燥实验的过程, 和一些应用。谢谢收看

Results

从收集的数据中, 可以获得以下信息。使用湿图表来确定绝对湿度, 从而使空气中的水分集中。热传导系数可以用实测温度和方程1计算。最后, 湿砂质量的变化可以用来计算砂中水的浓度。

砂含水量随时间呈线性下降。随着流速和热负荷的增加, 蒸发速率随之增大。根据它们的方程, 传热和传质系数与砂气界面的蒸发速率成正比。热质传递系数的理论值与R2的99% 具有强烈的正相关关系。实验值只显示测试后的弱相关性。

气流与蒸发速率、温度与蒸发速率之间的关系均呈线性增加 (图 1, 图 2)。增加的气流 (图 1) 和增加的温度 (图 2) 都增加了蒸发速率。这些曲线图表明, 当气流或温度升高, 其他变量保持不变时, 蒸发速率将以相当的速率增加, 并遵循正线性趋势。空气流量变化试验是一种对流换热的测量方法, 而温度变化试验是一种传导传热的测量方法。两个试验的总和表明, 对流和传导传热都遵循与蒸发速率的线性关系。

Figure 1
图 1: 描述空气流速与蒸发速率之间的关系, 它的线性增加。

Figure 2
图 2: 描述温度与蒸发速率之间的关系, 线性增加。

在测量中有很多误差源, 其中最大的误差来源是空气-砂界面的相对湿度和温度。此外, 空气流速对托盘重量的影响被认为是不重要的, 但它是一个错误的来源。其中的一些误差也可能降低了传热系数与传质参数的相关性。这些系数的理论计算和证明是相关的。然而, 尽管在理论上是相似的, 但实验数据并没有显示出明显的趋势。

Applications and Summary

用托盘干燥器对对流和导电传热的砂的干燥速率进行了测量。使用三不同的功率水平和两个不同的流量的干燥机, 六实验数据集被发现。测量是以五分钟的间隔将沙子/水混合物称量。

本实验利用牛顿的加热法、干燥率模型和传热传质模型进行了研究。利用边界层模型确定传热传质系数。从理论上讲, 传热传质系数呈非常强的正线性相关。尽管实验结果也显示出了积极的趋势, 但数据太不准确, 无法显示两者之间的显著相关性。

托盘干燥可用于各种领域。其中一个领域是药品。在药品中, 托盘烘干机用于干燥许多不同的基材, 包括粘性, 粒状, 和晶体材料2。许多用于制药的塑料可以在托盘烘干机2中干燥。此外, 沉淀物, 浆糊, 和其他潮湿的群众可以干燥与托盘干燥机, 连同原料药, 化学药品, 粉末, 和片剂颗粒。甚至一些设备在烘干机2。托盘烘干机为这一行业提供了许多好处, 因为它们用于批次, 可以在大小上有所不同, 并在没有损失的情况下处理2。该烘干机也易于调整, 以有效地配合其他材料2。在某些情况下, 真空中的托盘干燥器用于干燥热敏产品, 如维他命2

托盘干燥器也用于食品加工3。食物可以均匀地分散到托盘上, 以烘干3。根据食物的类型, 干燥可以通过加热与空气在托盘上移动, 从加热的托盘或货架传导, 或辐射形式其他受热表面3。空气可以与消除潮湿蒸气的额外好处, 虽然这可能是一个问题的一些食品3

References

  1. "Solids Drying: Basics and Applications - Chemical Engineering.Chemical Engineering Solids Drying Basics and Applications Comments. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
  2. "Pharmainfo.net.Tray dryer by Saraswathi.B. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
  3. "Unit Operations in Food Processing - R. L. Earle.Unit Operations in Food Processing - R. L. Earle. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.

实验将包括四运行, 每个测试一个不同的组合两个风扇和热设置。

1. 托盘干燥机操作

  1. 将500克沙子和150毫升的水混合在一起, 并将其装入实验托盘。将混合物均匀地分散在托盘中。
  2. 与单位关闭, 把托盘放在干燥室。
  3. 打开主设备, 然后打开风扇和加热器。
  4. 设置每次运行的风速和温度。三的风速应范围从0.8 英尺/秒到2.0 英尺/秒 (一个高, 中, 低) 与恒定温度约 195 :F。三的温度范围从 130-200 :F 到恒定的空气速度为1.8 英尺/秒。
  5. 采取测量每5分钟在整个奔跑, 应该为时 45 min。收集的数据应包括进气温度、砂温、砂重、出口空气温度、出口气流、干球温度和湿球温度。使用数字温度计的温度读数, 气流设置的空气流量, 一个数字规模的砂重量和吊索干湿的湿和干球温度。
  6. 对每组设置重复此过程, 总计四唯一的运行。

托盘干燥是一种对流热和传质过程, 通常用于工业中分离固体和液体。在托盘干燥, 一股热气通过一个潮湿的固体, 以蒸发液体。该过程不需要搅拌, 并允许控制温度和其他性能。托盘干燥的灵活性, 使其可用于化学, 制药和食品生产之前, 包装。虽然看似简单, 该过程通常需要彻底的试验, 以优化干燥条件, 而不损害固体。这个视频将说明托盘干燥器是如何工作的, 演示了一个典型的干燥试验程序, 并讨论了一些应用。

首先, 让我们来看看托盘干燥机的操作。最基本的设计采用了一个长方形的金属框架, 由进气口、通风器、加热器、托盘室和插座组成。湿固体被装入一个浅托盘, 这是放置在托盘车厢。通风机和加热器在经过精心控制的温度和流速的情况下, 在托盘上强制加热气流。托盘中的液体蒸发, 从固体中移除。托盘干燥是一个间歇过程, 意味着添加和清除从干燥器的固体是离散的步骤, 不能同时发生。它比其他干燥方法的优点包括简单性、操作的灵活性和相对较低的固定成本。它的缺点包括高劳动力成本和高能源使用率, 虽然后者可以通过过滤和预成型固体部分抵消。现在, 我们已经看到了一些基本的干燥机械如何运作, 让我们来看看如何分离发生。

从固体中分离出的液体包括两个步骤。在第一步, 气体通过对流将热量传递到液体, 导致液体蒸发。热传导速率, 因此蒸发速率取决于气体和液体之间的温差, 以及一个经验确定的比例常数, 称为 "对流换热系数"。在第二步, 新汽化的液体通过对流传质转移到远离界面, 以防止再。这一过程的速率取决于界面和气体流的大部分之间的水汽浓度的差异。经验比例常数这里是对流传质系数。虽然系数可以估计 , 它们是唯一的固体燥和几何的托盘干燥器。此外, 只要固体表面饱和, 这些系数才有效。在表面水分显著降低后, 由于固体内液体的内部流动成为主导的传质机制, 干燥速率会降低。现在, 你知道的原则, 让我们来看看样品干燥程序。

这一示范说明了在不同温度和空气速度下的砂水泥浆的干燥情况。首先, 检查烘干机是否有安全隐患, 并确保干湿和其他测量设备可以使用。将500克沙子与150克水混合, 准备浆料。将浆料倒入托盘中, 确保其均匀分布。打开单位, 并把托盘在干燥室, 并记录重量。然后, 打开鼓风机和烘干机。设置试验的风速和温度。每项试验将持续45分钟, 以五分钟的间隔进行测量。使用数字温度计测量入口空气温度、沙子温度和出口空气温度。使用干湿来测量干球和湿球的温度。最后, 记录出口气流率和重量从平衡。对每组设置重复此过程, 总计四唯一的运行。当运行完成时, 使用湿图表或类似的工具来找到绝对湿度。

每个试验的蒸发速率是通过将浆料的重量作为时间的函数来确定的。温度的升高与传导传热速率和蒸发速率呈正相关。提高风速与对流换热和传质的速率有关, 同时也增加了蒸发速率。空气温度和蒸发速率, 以及气流与蒸发速率之间存在正线性相关关系。然而, 传热与传质系数之间的实验相关性弱于预测。这可能是由于空气砂界面的相对湿度或空气流速对托盘重量的影响。

托盘干燥在工业应用中普遍应用, 无论是在特种化工生产还是在规模较大的生产中, 劳动费用都不太大。托盘烘干机是用于食品加工业, 通常作为最后的生产步骤之前, 包装。为了提高蒸发率, 同时控制食品质量, 烘干机可以配备间接干燥机制, 如加热托盘和射频加热。在干燥循环过程中可以改变加热条件, 防止固体材料腐烂、翘曲或开裂。托盘烘干机是特别有用的设施, 几个不同的食品, 准备在不同的数量, 必须在独特的温度和湿度条件干燥。交替式烘干机设计使用多托盘卡车。在制药行业, 卡车被用来减少时间和劳力, 提高产品的统一性。该设计采用 recirculators 和挡板控制气流, 避免死区, 并保持一致的温度和湿度。对于敏感化学品, 产生惰性气氛。由于托盘干燥比流化床或旋转翻滚法具有更好的物理性, 因此适用于粉状和粗药等粘性结晶材料的干燥。

你刚刚看了朱庇特的介绍托盘烘干机。你现在应该了解托盘干燥的原则, 一个进行托盘干燥实验的过程, 和一些应用。谢谢收看

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