第五节 固体流态化.doc

第五节 固体流态化3.5.1、 概述 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体中，使颗粒具有类似于流体的某些特性，这种流固接触状态称为固体流态化。 化工中使用固体流态化技术的例子很多，如催化流化床反应器、流化床干燥器、沸腾床焙烧炉及颗粒的输送。催化流化床反应器所用的催化剂颗粒要比固定床的小得多，颗粒的比表面积大，这样流体与固体之间的传热，传质速率就比固定床的高；对于流化床干燥器沸腾床焙烧炉也有类似的特点。3.5.2、 流化床的基本概念 现在让我们一起来观察流体通过均匀颗粒时所出现的床层现象。一、固定床阶段当空床速度（表观速度） 较低，此时 即颗粒间空隙中流体的实际流速 小于颗粒的沉降速度 ，床层现象为颗粒基本静止不动，颗粒层为固定床。颗粒床层高度为 ，此时流体通过颗粒床层的压降为： ，可以用康采尼方程来估算； 在较大的 范围内，可以用欧根方程来估算，一般误差不超过25%。 保持固定床的最大表观速度 二、流化床阶段流化床阶段为表观速度增大至一定程度， 时，此时 ， 颗粒开始松动，颗粒位置可以在一定的区间内进行调整，床层略有膨胀，当颗粒仍不能自由运动，这时床层处于初始或临界化状态，床层高度增至 ，如左图所示，而当 继续增加，即 此时床内全部颗粒将“浮起”，颗粒层将更膨胀，床层高度增大至L，床层内颗粒可以在流体中作随机运动，并同时发生固体颗粒沿不同的回路作上下运动，固体颗粒的这种运动就好象液体沸腾，故流化床也称为沸腾床。流化床内颗粒与流体之间的摩擦力恰好与颗粒的净重力 相平衡，且 ，但 基本不变。三、 颗粒输送阶段若 继续增大，且 ，则颗粒将获得向上上升的速度，其大小为 ， 此时，颗粒将带出容器外，这一阶段称为颗粒输送阶段。3.5.3、 两种不同流化形式一、散式流化 散式流化为固体颗粒均匀地分散在流化介质中，流化床内各处的空隙率 大致相等，床层有稳定的上界面，床层压降稳定。散式流化一般发生于液固系统。 通常两相密度差小的系统趋向散式流化。二、聚式流化 通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如气固系统的流化床中，超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层，上升至床层上界面时就立即破裂。在气泡内一般夹带有少量的固体颗粒。 聚式流化床一般存在两相，一相是空隙小，而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连续相，另一相则是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相。 特点：床层内各点处不再处处相等，床层无稳定的上界面，上界面以某种频率作上下波动，床层压降也随之作相应波动。3.5.4、 流化床的液体样特性 从整体看，流化床宛如沸腾着的液体显示某些液体样的性质，如图所示：1）、流化床中固体颗粒可以从容器壁的小孔喷出，并象液体那样能从一个容器进入另一个容器；2）、比床层密度小的物体可很容易地推入床层，而一松开，它就弹起并浮在床层表面上；3）、容器倾斜时，床层的上表面保持水平，而且当两个床层连通时，它们的床层自行调整至同一水平面；4）、床层中任意两界面的压强变化大致等于这两界面间单位面积床层的净重力；其中，固体颗粒的流出是一个具有实际意义的重要特性，它使流化床操作能够实现固体的连续加料和卸料。3.5.5、流动阻力一、理想流化床的特性 理想情况下，流动阻力产生的压强降随空塔气速 的关系，如图所示，解释如下：1、固定床阶段 较低，床层静止不动， ，如图中AB段所示，AB段的压降可用欧根公式计算，误差不大于25%， 继续增大，床层 恰等于单位面积床层净重力时，流体在垂直方向上给予床层的作用力刚好能够把全部床层颗粒托起，此时，床层变松并略有膨胀，但固体颗粒仍保持接触而没有流化，如图中的BC段所示。2 流化床阶段 ，颗粒被托起，床层高度随 而，但 不变=净重力，流化床阶段的 关系如图中CD所示。 若 ，则 均， 仍沿D线返回，当到达C点时，固体颗粒就互相接触而成为静止的固定床； 若 继续，床层 不再沿CBA折线变化，而是沿 线变化。AB与 比较， 相同时， ，这是因为床层曾被吹松，它比从未被吹松过的固定床具有较大的空隙率。 C点对应的流速称为临界流化速度 ，是最小的流化速度，操作时流化速度必须大于临界流化速度。 起始流化时， 即 流化阶段 ，但 不变仍等于 恒定的压降是流化床的重要优点，它使流化床中可以采用细小颗粒而不需要担心过大的压降。 对于气固系统 ，则 （单位面积床层的重力）3、气流输送阶段 ，床层上界面消失，床层 ，所有颗粒都悬浮在气流中并被气流带走，颗粒上升速度为 ，此阶段称为气流输送阶段，所以 是流化床操作所允许的理论上的最大气速（表观气速）。二、实际流化床的特性 实际流化床的 关系有别于理想情况，如图所示，实际流化床与理论流化床的 关系的区别：1、出现“驼峰”，因为固定床颗粒之间相互紧靠因而需要较大的推动力才能使床层松动，直至颗粒松动到刚能悬浮时， 即出现“驼峰”降到水平阶段DE；2、 ， ，净重力不变，而摩擦力，故 ；3、气泡长大时， ，气泡破裂时， ， 围绕DE上下波动；4、 与DE线交点对应的气速为 ，相应的 为 。三、 流化床的不正常现象1、沸涌现象如果床层高度：床径的比值（长径比）过大（床层为细长形），或气速过高时床层内就会发生小气泡合并成大气泡的现象，当气泡直径长大到床层直径相等时，则气泡将床层分为几段，形成相互间隔的气泡与颗粒层，颗粒层象活塞那样被气泡向上推动，在达到上部后气泡崩裂，而颗粒则分散下落，这种现象称为沸涌现象。如图所示： 出现沸涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压强降大于理论值，而在气泡破裂是又低于理论值，因而 图上表现为 在理论值附近作大幅度的波动，如图所示：床层发生沸涌现象时，气固两相接触不良，且使容器受颗粒磨损加剧，同时引起设备振动。 防止沸涌现象的措施：实际操作中应采用适宜的床层高度/床径之比值，以及适宜的操作气速。2、沟流现象 在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可在床内局部地方形成沟流。此时，大量气体经过局部地区的沟道上升，如图示，而床层的其余部分处于固定床状态而未被流化。 的关系为 低于单位面积上的净重力。沟涌现象的出现主要与颗粒的特性和气体分布板有关。颗粒过细、密度过大，易于粘结的颗粒，以及气体在分布板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。综上所述，通过观察流化床的压强降及其变化情况可以判断流化床操作是否正常。3.5.6、 流化床的操作范围 流化床的流速 一、起始流化速度 1、实测法 一般用空气作流化介质测得 曲线（如前图）直接读数，若实际操作流化介质不同于空气时， 则 2、计算法 由于临界点是固定床与流化床的交叉点，所以临界点的压强降既符合流化床的规律也符合固定床的规律。 小颗粒，一般 ， 则由欧根公式第一项与 联立求得。 若