流态化PPT课件

-,1,第五章流态化及气力输送,-,2,流态化技术的应用,物理过程：干燥、移热、气力输送、包涂、吸附,合成反应：苯酐、醋酸乙烯、丁稀氧化脱氢制丁二烯、顺丁烯二酸酐（马来酸酐）、乙烯氧氯化制二氯乙烷,矿石焙烧：硫铁矿焙烧、铁矿石的预还原、贫铁矿磁化焙烧、氧化铝煅烧、石灰石煅烧,能源化工（石油、煤和生物质）：催化裂化、重油裂化、费托合成、煤（生物质）燃烧或气化,核化工、生物化工、环境化工等,-,3,干燥,-,4,移热,-,5,能源（石油、煤炭和生物质）加工,流化催化裂化过程FCC,-,6,煤（和生物质）的燃烧,-,7,固体颗粒流态化(Fluidization),流态化(流化床)：颗粒在流体中悬浮或随其一起流动。强化颗粒与流体间的传热、传质与化学反应特性。,流态化过程及流化床操作范围,流态化过程床层压降及床高变化曲线,初始流态化：临界流化速度umf临界空隙率mf颗粒被气流带出：带出速度u（=ut）,流化床操作范围：临界流化速度umf与带出速度之间,-,8,流化床的形成及流化相图,流体通过颗粒层的三个阶段,-,9,当流体速度介于上述两者之间，成为流化床。,流化床,-,10,流化床阶段,床层受力情况为：重力（向下）=（SI）浮力（向上）=（SI）阻力=当几种力平衡时，即开始流化，即重力=浮力+阻力=整理后得：,-,11,uumf时，由于颗粒床层的重量不变，即因此，等于定值，故不变在气固系统，p，可忽略,-,12,临界流化速度,umf是流化床的特性，是固定床变为流化床的一个转折点。可由实验测定的pbu曲线得到较准确的值。初始流化时，床层内颗粒群（注意不是单颗粒）所受的曳力、浮力与重力相平衡，即流体通过床层的阻力pb等于单位床层面积上颗粒所受的重力与浮力之差,因该状态下床层压降也符合欧根方程，将其与上式联立并用（AdeV）代替dea，可得,-,13,临界流化速度,当deV较大，umf对应的Rep1000时，左侧第一项可忽略，,注意：计算umf的准确程度及可靠范围取决于关联式本身。应充分估计umf计算值的误差。最好以实验测定为准。,颗粒几何性质及床层mf可用经验式估算,当deV较小，umf对应的Rep0.35mmH2O)可使气体初始分布均匀，以抑制气泡的生成和沟流的发生。,多孔板,风帽,管式,内部构件：阻止气泡合并或破碎大气泡。宽分布粒度：宽分布粒度的细颗粒可提高床层的均化程度。床层振动：气流脉动：,-,20,聚式与散式流态化的判断,散式流态化（Particulatefluidization）：,特征：颗粒分散均匀，随着流速增加床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定、波动很小。散式流态化是较理想的流化状态。一般流-固两相密度差较小的体系呈现散式流态化特征，如液-固流化床。,聚式流态化（Aggregativefluidization）：,特征：颗粒分布不均匀，床层呈现两相结构。即颗粒浓度与空隙率分布较均匀且接近初始流化状态的连续相(乳化相)和以气泡形式夹带着少量颗粒穿过床层向上运动的不连续相(气泡相)。又称鼓泡流态化。一般出现在流-固两相密度差较大的体系，如气-固流化床。,-,21,聚式与散式流态化的判断,气-固流态化与液-固流态化并不是区分聚式与散式流态化的唯一依据，在一定的条件下气-固床可以呈现散式流态化(密度小的颗粒在高压气体中流化)或者液-固床呈现聚式流态化(重金属颗粒在水中流化)行为。,散式流态化,聚式流态化,临界流化条件下的弗鲁德数，D为床径,根据流-固两相的性质及流化床稳定性理论，B.Bomero和I.N.Johanson提出了如下的准数群判据：,-,22,流化床床层高度及分离高度,流化数,散式流化具有空隙率随流化数均匀变化的规律聚式流化乳化相的空隙率几乎不变，床层膨胀主要由气泡相的膨胀所引起。聚式流化床膨胀比是一个较难确定的参数。,床层的流化状态和流化质量与流化数有很大关系,实际操作流速与临界流化速度之比u/umf,膨胀比R,流化床的膨胀高度L与临界流化高度之比,-,23,流化床床层高度及分离高度,分离高度H或TDH（TransportDisengagingHeight）：流化床膨胀高度以上颗粒可以依靠重力沉降回落的高度。超过这一高度后颗粒将被带出。TDH的确定对流化床气体出口位置的设计具有重要意义。,-,24,广义流态化体系,对高流化数(数百)下的操作，可在床顶设置旋风分离器将随气流带出的颗粒(utu)回收并返回床内。广义流态化体系：包括密相层、稀相段和颗粒输送段。,例：流态化催化裂化装置：原料油高温气化后与催化剂颗粒在提升管内形成高速并流向上的稀相输送，23秒即可完成原料油的催化裂解反应。催化剂经旋风离器分离后由下行管进入再生器，被从底部送入的空气流化再生，停留时间约为712分钟。,-,25,气力输送(Pneumatictransport),气力输送：在密闭的管道中借用气体(最常用的是空气)动力使固体颗粒悬浮并进行输送。输送对象：从微米量级的粉体到数毫米大小的颗粒。优点：效率高；全密闭式的输送既可保证产品质量、又可避免粉体对环境的污染；容易实现管网化和自动化；可在输送过程中同步进行气固两相的物理和化学加工(颗粒干燥、表面包裹、气固反应等)。缺点：能耗高，设计和操作不当易使颗粒过度碰撞而磨蚀、破碎，同时造成管道和设备的磨损。,-,26,气力输送(Pneumatictransport),气源,颗粒进料与加速段,稳定输送段,气固分离装置,-,27,垂直气力输送管内流型,气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图,颗粒-流体两相的流体动力学特征常表现为流型转变,垂直气力输送,影响参数：气体流速敏感参数：输送管内的压降,系统动力消耗评价指标用来表征流型,稀相输送与密相输送,均相,轻微团聚,聚团,节涌,-,28,气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图,水平气力输送,输送中重力的作用方向与流动方向垂直，使颗粒保持悬浮的不再是曳力、而是水平流动的气流对颗粒产生的升力，因此管内流型（主要是密相）也有所不同。,均匀稀相,颗粒堆积,“沉寂”速度,“沙丘”流,水平“拴塞”,-,29,气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图,气力输送装置的压降包括输送段压降、除尘装置压降和系统内各管件、阀件压降。,pf气体与管壁的摩擦损失pa颗粒加速所需的惯性压降pr使颗粒悬浮并上升的重力压降pi颗粒自身及与管壁的碰撞与摩擦压降,直管输送段压降p,-,30,两相模型,流体相,把流体和颗粒看作具有相互作用的两相，在微元长度L内，分别以流体相和颗粒相为控制体进行动量衡算，得到,颗粒相,u,c气相与颗粒相在管内的平均流速mg,mp气相和颗粒相在控制体内的质量,若微元管段内的空隙率为，则,颗粒相,流体相,-,31,两相模型,气相对颗粒相的曳力Fd：对粒径为dp的颗粒,两相滑移速度,流体相摩擦阻力Ff,g：假定管内自由截面分率与相等，则,而将颗粒相的摩擦阻力Ff,p表达为,压降梯度对两相的作用力Fp,g和Fp,p分别表达为,-,32,两相模型,以上各式中所有动力学参数及颗粒相摩擦系数p直接与管内空隙率有关。气力输送中固体加料速率和两相的流速都直接影响空隙率的大小。,气力输送加料比,颗粒质量流率为G，流体质量流率为w，则,粗略估算时常以加料比判断流型，例如有人将=15作为密相输送与稀相输送的分界线。实际上，即使加料比相同，两相的物性或流速不同，气力输送管道中固体颗粒的真实体积密度并不一样。,或以体积流率之比来表达则为,-,33,两相模型,在均匀分布条件下，空隙率与颗粒流速c、气体实际流速u1的关系为,气固两相间的相互作用力Fd是两相模型的核心，目前要预测其大小尚有许多困难，因此限制了两相模型的实际应用。,-,34,拟均相法,将两相视为一体来考察则不用考虑两相间的相互作用Fd，使问题得到简化(在稀相输送条件下与实际情况相符)。稳定输送段，颗粒、流体两相的加速度都为零时：,水平输送前两项可略去,颗粒流速c可用IGT(InstituteofGasTechnology)修正式计算：,Konno&Saito计算公式,式中：流体相的摩擦系数p颗粒相的摩擦系数,-,35,气力输送的类型及装置,稀相输送（15）负压体系：一般为稀相输送,-,36,气力输送的类型及装置,正压体系：低压：100kPa；中压：300kPa；高压：1000kPa,-,37,气力输送的类型及装置,组合体系：,-,38,气力输送的类型及装置,气力输送系统风机的选用,风机特性曲线与流型图上的压降特性曲线适配。如图，加料量为G1时，风机II和风机I均能满足稀相输送的操作条件。加料量增加到G2时，风机I已不能满足稀相输送的条件。加料量增加