5 气固两相系统

1、5.1 流态化的基本特征5.2 最小流态化速度5.3 最小鼓泡速度5.4 流态化气泡特征5.5 Geldart 颗粒分类5.6 流化床反应器的结构5.7 流化床的高度与直径5 气气-固两相系统固两相系统5.1 5.1 流态化的基本特征流态化的基本特征流态化曲线流态化曲线床层孔隙率（或床层高度）、压降与流体表观流床层孔隙率（或床层高度）、压降与流体表观流速的关系曲线。速的关系曲线。流体通过流化床的阻力流体通过流化床的阻力 流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空床流速）之间的关系可由实验测得。 下图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力与空床气速之间的关系。由图可见，最初流体速度较小时，床层内

2、固体颗粒静止不动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合欧根方程；当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段，床层阻力基本上保持恒定。1 1、有明显的临界流态化点和临、有明显的临界流态化点和临界流态化速度界流态化速度; ;2 2、流态化床层的压降为一常数、流态化床层的压降为一常数; ;3 3、有平稳的流态化界面、有平稳的流态化界面; ;4 4、流态化床层的空隙率在任何流速下、流态化床层的空隙率在任何流速下, ,都具有一个代都具有一个代表表性的均匀值性的均匀值, ,不因床层内的位置而变化。不因床层内的位置而变化。理想流化床的特点理想流化床的特点:实际流化床的特点实

3、际流化床的特点:固定床与流化床分界点所对应的流体表观流速。固定床与流化床分界点所对应的流体表观流速。请同学们总结出实际流化床的特点请同学们总结出实际流化床的特点？临界流态化速度临界流态化速度临界流化状态（速度）临界流化状态（速度） 流体的流速达到颗粒受到的阻力流体的流速达到颗粒受到的阻力= =重力重力- -浮力浮力 颗粒悬浮在流体中颗粒悬浮在流体中 床层压降的理论值床层压降的理论值gAlpAp)(1 (5.2 5.2 最小流化速度最小流化速度确定方法确定方法 可由实验测定，即通过可由实验测定，即通过p-up-u关系曲线确定。关系曲线确定。 可用近似计算法求得可用近似计算法求得量纲分析或相似理论

4、法。量纲分析或相似理论法。1 1、细颗粒、细颗粒2 2、粗颗粒、粗颗粒3 3、有不良流态化现象发生时、有不良流态化现象发生时 gLAgLAAgVAgVAgmAmgPpppbedpspf)(1)(1)(1)(1 根据上节中的欧根方程，对于小颗粒根据上节中的欧根方程，对于小颗粒(Rep20）又可以利用固）又可以利用固定床压降的计算式（定床压降的计算式（5-32）（1）流化床的压降）流化床的压降675（2）固定床的压降）固定床的压降此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。 设流化床的床层高度为设流化床的床层高度为L，床层空隙率为，床

5、层空隙率为，则此时，床层，则此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。流化床的操作范围流化床的操作范围1、起始流化速度、起始流化速度umf udLp2ev232f1150 5.3 5.3 最小鼓泡速度最小鼓泡速度 对于小颗粒，对于小颗粒，u= uu= umfmf时，散式流化床时，散式流化床u uu umbmb时，鼓泡流化床时，鼓泡流化床347. 006. 045)716. 0exp(07. 2vmbdxu 与颗粒的平均尺寸有关与颗粒的平均尺寸有关 与颗粒的尺寸分布有关与颗粒的尺寸分布有关 对于大颗粒，对于大颗粒，u= uu= umfmf时

6、，聚式流化床时，聚式流化床气泡的尾涡与尾迹气泡的尾涡与尾迹 1 1、气泡的产生与运动与颗粒的性质、风板、流化床的尺寸、气泡的产生与运动与颗粒的性质、风板、流化床的尺寸有关；有关； 2 2、相同的颗粒，相同的流化速度、相同的深宽比具有相同、相同的颗粒，相同的流化速度、相同的深宽比具有相同气泡与颗粒流型；气泡与颗粒流型；3 3、尾涡与尾迹的产生、尾涡与尾迹的产生常见的三种气泡尺寸定义常见的三种气泡尺寸定义 (1)(1)投影尺寸投影尺寸d db b； (2) (2) 气泡弓玄尺寸气泡弓玄尺寸d dbhbh； (3) (3) 体积尺寸体积尺寸d dbvbv； 5.4 5.4 流态化气泡特征流态化气泡特

7、征气泡的尺寸与速度气泡的尺寸与速度 (1)(1)床层高度增加，气泡增加；床层高度增加，气泡增加； (2) (2) 流态化速度增加，气泡增加；流态化速度增加，气泡增加； (3) (3) 气泡间存在合并长大过程，同时大气泡可分裂为许多小气泡；气泡间存在合并长大过程，同时大气泡可分裂为许多小气泡； (4) (4) 流化床存在最大平衡气泡尺寸流化床存在最大平衡气泡尺寸 气泡晕气泡晕 单个气泡：顶部球单个气泡：顶部球形，尾部内凹。在尾形，尾部内凹。在尾部由于压力比近旁稍部由于压力比近旁稍低，使一部分粒子被低，使一部分粒子被卷了进去。形成局部卷了进去。形成局部涡流涡流尾涡尾涡 在气泡上升途中，不断有一部分

8、粒子离开这一区域，另一部分粒子又在气泡上升途中，不断有一部分粒子离开这一区域，另一部分粒子又补充进去。这样，就把床层下部的粒子夹带上去，促进了整个床层粒补充进去。这样，就把床层下部的粒子夹带上去，促进了整个床层粒子的循环和混合。所以气泡是床层运动的动力。子的循环和混合。所以气泡是床层运动的动力。 气泡外形成一层不与乳相中流体相混合的区域。这一层为气泡云，在气泡外形成一层不与乳相中流体相混合的区域。这一层为气泡云，在其中，气泡内的气体与固体颗粒获得了有效的接触，得到反应。气泡越其中，气泡内的气体与固体颗粒获得了有效的接触，得到反应。气泡越大，气泡的上升速度越快，气泡云也就越薄，气泡云的作用也就减

9、弱。大，气泡的上升速度越快，气泡云也就越薄，气泡云的作用也就减弱。 气泡云和尾涡都在气泡气泡云和尾涡都在气泡之外，可合称为泡晕。之外，可合称为泡晕。1 1、是床层运动的动力，加剧气、是床层运动的动力，加剧气- -固两相相对运动；固两相相对运动； 气泡的作用气泡的作用3 3、参与传质，使反应物：气泡相、参与传质，使反应物：气泡相 乳相；乳相； 产物：乳相产物：乳相 气泡相气泡相2 2、造成床层内颗粒的剧烈搅拌，使流化床具有很高、造成床层内颗粒的剧烈搅拌，使流化床具有很高的颗粒与气体、床料与表面的换热速率，因此流化床的颗粒与气体、床料与表面的换热速率，因此流化床具有等温的特征；具有等温的特征； 4

10、 4、降低流化床气固接触效率；、降低流化床气固接触效率； 5 5、上升到床层表面破碎时，将大量颗粒抛入床层上、上升到床层表面破碎时，将大量颗粒抛入床层上方，使流化床颗粒损失。方，使流化床颗粒损失。 5.5 Geldart 5.5 Geldart 颗粒分类颗粒分类 1 1、C C组颗粒组颗粒 2 2、A A组颗粒组颗粒 3 3、B B组颗粒组颗粒 4 4、D D组颗粒组颗粒5.6 5.6 流化床反应器的结构流化床反应器的结构n流化床反应器类型流化床反应器类型按固体颗粒是否在系统内循环分按固体颗粒是否在系统内循环分 (1)(1)单器流化床单器流化床 (2)(2)双器流化床双器流化床按床层的外型分按

11、床层的外型分 (1)(1)圆筒形圆筒形 (2)(2)圆锥形圆锥形 按床层中是否置有内部构件分按床层中是否置有内部构件分 (1)(1)自由床自由床 (2)(2)限制床限制床 按反应器内层数的多少分按反应器内层数的多少分 (1)(1)单层单层 (2)(2)多层多层 n 工业生产中常见流化床反应器形式n 工业生产中常见流化床反应器形式n 工业生产中常见流化床反应器形式n流化床反应器结构反应器主体扩大段扩大段分离段分离段浓相段浓相段锥底锥底锥底：一般锥角为90或60作用：对进入气体起预分布作用、卸催化剂。 床层（浓相段）：床高与催化剂的装填量、气速有关，是反应器的有效体积。通常催化剂填充层的静止高度与

12、流化床直径的比值很少超过1，一般接近于1。分离段扩大段n 流化床反应器结构 包括气体预分布器和气体分布板。其作用是使气体均匀分布，以形成良好的初始流化条件，同时支承固体颗粒。以下为常见气体分布板形式： 凹型筛孔板 单个直孔泡帽 气体分布装置：泡帽侧缝分布板 泡帽侧孔分布板 气体分布装置条形侧缝分布板直孔泡帽分布板 气体预分布器同心圆锥壳式分布器帽式分布器充填式分布器开口式分布器弯管式分布器 气体预分布器 包括档网、档板和填充物等。 作用：破碎气体在床层中产生的大气泡，增大g-s相间的接触机会，减少返混，从而增加反应速度和提高转化率。 外旋挡板 内部构件多旋挡板内旋挡板 内部构件 浓相区（床层）

13、高度：床层上界面以下的床层高度。浓相区（床层）高度：床层上界面以下的床层高度。ssmfmfALAL)1 ()1 (物料衡算：11mfmfLL得：gLpsf)(1(由：5. 7 流化床的高度与直径流化床的高度与直径 (1) 流化床的高度流化床的高度 高度高度=浓相区高度浓相区高度+稀相区高度稀相区高度浓相区浓相区稀相区稀相区150)(22gdksv令：ukLLmfmf31则： 稀相区高度稀相区高度（分离高度分离高度 ）：浓相区上界面到稀相区颗粒浓度浓相区上界面到稀相区颗粒浓度 恒定处的距离。恒定处的距离。1150)(322gdusv得： 分离高度取决于颗粒的粒度分布、颗粒的密度和气体的密度、分离

14、高度取决于颗粒的粒度分布、颗粒的密度和气体的密度、粘度及结构尺寸和气速。粘度及结构尺寸和气速。 目前，尚无可靠的计算公式。目前，尚无可靠的计算公式。 气速愈大，分离高度愈大。气速愈大，分离高度愈大。(2) 流化床的直径流化床的直径 确定好流化床的操作气速后，即可根据气体的处理量确定流化确定好流化床的操作气速后，即可根据气体的处理量确定流化床所需的直径床所需的直径D D 。uVD4 V - 气体的处理量，气体的处理量，m3/s ； u - 流化床的实际操作气速，流化床的实际操作气速，m/s。 流化床反应器的工艺计算流化床反应器的工艺计算 要求：确定床径和床高要求：确定床径和床高 确定床内构件确定

15、床内构件 计算传热面积计算传热面积 n直径 反应器主体直径D1 v0-操作条件下的气体体积流量扩大段直径D2 vd-扩大段的气体体积流量 0014uvDtduvD41n流化床的高度总高度分： 床层（浓相段）高度hf 分离段（稀相段）高度h1 扩大段高度h2 锥底高度h3浓相段高度hf床层高度由静床高h0和膨胀比R确定 或h0=u u：气体停留时间其中催化剂体积VS和催化剂质量GS 的确定方法与固定床相同。 22044DGDVhBSS3.扩大段高度h2 经验取：h2=D24.锥底高h3 一般锥角=60度或90度 H=hf+h1+h2+h322113ctgDh 1、化学反应过程、化学反应过程湿法冶金中：流态化浸出和洗涤、流态化离子交换湿法冶金中：流态化浸出和洗涤、流态化离子交换火法冶金：沸腾焙烧（火法冶金：沸腾焙烧（ZnS精矿）沸腾氯化（钛铁精矿）沸腾氯化（钛铁矿精矿）矿精矿）2、 物理过程：物理过程：颗粒分级颗粒分级流态化洗涤流态化洗涤流态化干燥（喷雾干燥）流态化干燥（喷雾干燥）物料输送：最典型的是颗粒物料的气力输送物料输送：最典型的是颗粒物料的气力输送 1、优点、优点 易于连续化和自动控制。易于连续化和自动控制。 相际混合均匀，温度均匀。相际混合均匀