流体化床实验范例.doc

941化工實驗（一）實驗五 流體化和流體化床熱傳導一、實驗目的1. 探討粉粒體流體化時熱傳送之各種現象。2. 模擬粉粒體觸媒層流體化之熱傳性質。二、原理工業中屢有流體通過多孔床或粒子床之操作，藉著流體與粉體間密切接觸而完成，例如：催化反應器與氣體吸收塔，其目的在增加反應面積或吸收面積。而流體化床效率遠比多孔床大，惟流體化床造成的壓力落差，易使粒子破損，為其缺點。固體流體化之另一用途為利用流體輸送粒子。有別於固定床者，流體化床乃利用流體的拖曳力，代替支撐粉體的鐵柵格板，當粉體配合流體上揚時，粉粒子間的接觸相對減少，增加了異種粒子的接觸而使混合的程度更趨完美。流體化之過程中，可能產生似液體沸騰時之氣泡，此類氣泡上升至破裂，造成一股強力的擾動混合力，同時造成床面呈波紋狀。一完全之流體化床，由於氣體與粉粒體間已完全混合且具有一大的接觸面積，故溫度變化很小。氣體離開時的溫度幾乎接近流體化床溫度。將一不同於流體化床溫度的物體，浸入於床內後，和僅有物體、氣體時的熱傳速率相比較，前者通常大於後者。此乃界面層妨礙熱傳，當界面層被連續的熱(或冷)粒子滲透時，粒子會與物體做物理接觸，提高熱傳。流體流經一管柱狀粒子床時，即承受一拉力且發展為一壓降，此壓降隨表面速度(superficial velocity)增加而增加。表面速度乃流體流經空管之速度，慣用於流體床實驗；要使流體床不受約束，並使流體能由下往上通過床體，需增加流體速度。最先，拉力造成流體床之膨脹，當流速繼續增至某定值，則上升力足夠支撐床內粒子重量，此時床體稱為流體化床。流體化床中流體與粒子系統表現出似流體之特性。橫越流體床之壓降(DP)，當流速增至最大時，呈現一固定常數，相當於單位面積床體重量的效應。(1) (2)其中 Fb：作用於固體粒子之浮力(N)Fg：作用於固體粒子之重力(N)g：重力加速度(kgm/s2)M：固體粒子的質量(kg)rp：固體粒子的密度(kg/m3)r：流體密度(kg/m3)Sb：流體床的截面積(m2)DP：壓降(N/m2)流體為空氣，操作壓力約等於大氣壓，忽略空氣密度項r。式(2)可寫為：(3)當氣體流速(u)增至超越流體化所須之條件時，亦即越過最小流體化速度(minimum fluidization Velocity, umf )，流體床開始產生氣泡，即為整體流體化(aggregative fluidization)，其產生之空洞(cavities)有如沸騰中之氣泡。速度大量增加，氣泡將增大或充滿整個管柱的截面積，而粒子群則有如栓塞騰湧於大空洞之上，此時稱之為騰湧流體床(slugging bed)。爾根(Ergun)導出，當一壓降經一填充床之空隙時應該對應於最小流體化空隙度()和由式(2)所得之單位面積重量之關係。藉此關係式可預測最小流體化速度(umf)。爾根關係式如下： (4)其中 hm：填充床高度(m)ef：填充床的空隙度m：流體黏度(kg/ms)：表面速度，用空圓管截面積做為基準的流體速度(m/s)Dp：粒子直徑(m)f：粒子形狀因子空隙度(ef)定義為：(5)由式(2)推出，於最小流體化時：(6)Vb：流體床之體積(m3)hmf：最小流體化床之高度(m)將式(6)代入(4)爾根方程式中：(7)則 (8)其中 Ar：為阿基米德數：最小流體化時之雷諾數式(8)右邊第一項為層流()時的能量損失，第二項為亂流發展完全()時之能量損失。於轉移區下操作時，兩者皆須考慮。當層流時，由式(8)可得(9)亂流時：(10)為實驗值，可查自化工手冊或以下式估算之：(11)(12)將上式代入式(7)則最小流體化速度()可表為：(13)(14)於流體輸送之狀態當，可由斯托克定律求得：(15)或 (16)(17)Vt：端速，為最後下降時之速度流體床熱傳特性：氣體流體化床由於氣泡不斷的產生，固體粒子持續循環，因此具有良好且均勻之混合性。所以在高溫放熱反應中，流體床均能有一致的溫度。同時，由於粒子群之最大表面積皆曝露於流體化之氣體中，故氣體與粒子間皆具有相同的溫度。氣體流體化床在熱特性質上之另一優點為可以獲得介於流體床與浸漬其中之熱傳表面間最高的熱傳速率。(一)除了細小且具黏性之材質外，當固體粒子床，其粒子直徑小於500 mm，密度小於4000 kg/m3 時，可由流體床之整體與其直接貼近熱傳表面之範圍所造成的粒子循環而得一重要機構。此即為熱傳固傳粒子對流機構。由於其所具之高熱容量，固體粒子具有能傳送大量熱之能力。在介於流體床之整體和傳送表面之間，於整個溫度差範圍內，當其最先抵達接近於熱傳表面時，將產生一大的局部溫度梯度，因此熱傳之瞬間速率提高。但是較大粒子愈接近於傳送表面時，其溫度愈趨於表面溫度，猶如熱流過他們和表面之間，其瞬間熱傳速率將降低。因此，平均一週期的時間，在低於粒子殘留之最短時間下操作，使其接近熱傳表面，可預期獲得更高的熱傳速率。在極短的殘留時間下，最大的可計量之係數，趨近於氣體熱傳導性和最短傳送路徑長，此路徑為熱以傳導之方式經過粒子和表面之長。在此機構中，將可預期熱傳係數將隨著粒徑之減小而增加，因為，熱傳表面較大者，具有較短的傳送路徑。(以上述材質所構成之流體床，在氣流為層流狀態時，熱以對流型態傳送至氣體的因素應可忽略)因為流體床行為之複雜性，粒子經一熱傳表面之循環與由床至表面的熱傳係數等之定理與經驗式之發展仍極其有限。下式乃由一小的量熱球，投入一熱的流體床之簡單實驗中所導出之一經驗式： (18)其中 ：最大粒子對流熱傳係數(W m-2K-1)：氣體熱傳係數，0.027 W m-1K-1此係數乃得自介於浸漬冷卻管和流體床之間，故可預期將較實際為小。其在浸漬冷卻管上之最大值，由式(8)約僅預測出其70 。此乃因粒子循環擾動及浸漬表面和其所承受的冷卻溫度之影響。(二)粒徑較大且密度較高之固體粒子所造成之流體床，氣體流動之型式應為亂流或至少在轉移區內。在這種環境下，熱以對流的形態傳送至氣體成為一重要的模式；此即為界面氣體對流，為熱傳之一構成要素。在此機構下熱傳成為一支配因子。熱傳係數，因低密度氣體之流動與粒徑之大小成正比，故因平均粒徑之增加而增加，因此熱傳為界面氣體對流之形態。於平均粒徑1 mm，約在床至表面最大區間，砂粒與空氣構成的流體床其熱傳係數將趨於最小。三、設備裝置圖5-1 流體化床裝置圖四、步驟4.1 流體化床之熱傳1. 確定壓力計已經歸零。2. 將加熱器安裝於分佈室高度L = 20 mm。(加熱器之高度最低需在分佈室20 mm以上)3. 調整T2熱電偶溫度探針，於加熱器位置上方20 mm後固定。4. 將空氣調到一高流速(1.5 L/s)，流體化床呈完全混合狀態。5. 調整加熱器表面溫度T1，設定T1期望值為80，微調加熱控制器(可變電阻器)，使溫度達到80。6. 當條件皆達穩定值，記錄下列數據：a. 空氣流速V d. 進入空氣溫度 T3b. 加熱器表面溫度 T1e. 加熱器電壓 Ec. 流體化床的溫度 T2 f. 加熱器電流量7. 降低空氣流速0.2 L/s，微調加熱控制器使T1為80，記錄數據。8. 重覆步驟(7)至流量控制閥全關為止。9. 改變加熱器於分佈室上高度L為40 mm、60 mm，重覆步驟(3)(8)。4.2 降壓之影響1. T1設定為100。2. 調整流體化床，使其表面呈水平狀態。3. 調整可變電阻器使T1加熱至100。4. 增加空氣流速，當T1達穩定，記錄觀察值。5. 重覆步驟(4)至流量控制閥全開為止。6. 降低空氣流速，當T1達穩定，記錄觀察值。7. 重覆步驟(6)至流量控制閥全關為止。差壓計操作8. 空氣流量正比於 ( x為壓差單位 mmH2O)當空氣流量為1.5 L/s 時，k值決定即可決定較高流量，即(19)9. (20)：通過流體床之空氣流量：流量計所指示之空氣流量五、注意事項1. 加熱器之高度控制在分佈室20 mm以上。2. T2熱電偶溫度探針，固定於加熱器位置上方20 mm。3. 流體床高度H1為粒子呈氣泡沸騰可達之最高點。4. 當空氣流速為0，無法調整時，確認空壓機是否接上。六、結果6.1 數據紀錄6.1.1 流體化床之熱傳材料名稱：熔凝氧化鋁砂粒平均粒徑(Dp)：177 mm固體粒子密度()：3770 kg m-3截面積(Sb)：8.610-3 m2固體粒子質量(m)：1.3 kg加熱器之表面積(A)：1.610-3 m2空氣流率 V (L/s)1.51.31.10.90.70.50.3分佈室上加熱器高度L (mm)小孔計差壓 x (mmH2O)加熱器表面溫度 T1 ()流體床溫度 T2 ()入口空氣溫度 T3 ()加熱器 e.m.f E (volt)加熱器電流 I (amps)(#表格請視需要複印#)6.1.2 壓降之影響空氣流量：增加減少空氣流率 V (L/s)小孔計差壓 x (mmH2O)流體床溫度 T2 ()入口空氣溫度 T3 ()流體床高度 H1 (mm)流體床壓降DP (mmH2O)流體化床中粒子運動狀態 (#表格請視需要複印#)6.2 結果整理6.2.1 流體化床之熱傳1. 計算各項數值，並整理成表格：（a）空氣流經床之流量Vb（b）熱功率Q = E x I (W)（c）表面速度Vs = 10-3 (Vb/Sb)（d）表面熱傳係數 h = Q / A(T1-T2)（e）最大粒子對流傳導係數hpc max2. 不同加熱器高度L下，表面熱傳係數對表面速度作圖。6.2.2 壓降之影響1. 計算各項數值，並整理成表格：（a）空氣流經床之流量Vb（b）表面速度Vs = 10-3 (Vb/Sb)（c）最小流體化速度Vmf（d）最小流體化時雷諾數Remf2. 以流體化床壓降對表面速度作圖。3. 以流體化床高度對表面速度作圖。七、結果討論1. 說明表面熱傳係數與表面速度之關係。2. 討論不同加熱器高度L下，表面熱傳係數與表面速度關係圖之差異。3. 比較hpc max實驗及理論值之差異。4. 試說明流體化床之壓降與表面速度之關係，討論與理論