固体流态化-中国石油大学化工原理

1、化工原理固体流态化与非均相物系的分离 班级：卓越11-2班姓名：徐 向 东韩 月 阳甄 宇匡 崇1.固体流态化1.1定义将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似流体的某些表观特性，此种流固接触状态称为固体流态化。1.2流态化分类1.2.1按流化状态分类（1）聚式流态化：气固流化床床层中存在气泡相和乳相，气泡中只有很少的或者没有固体颗粒存在，在乳相中颗粒的浓度要比气泡中大得多。气泡在上升过程中也会不断合并增大，致使床层出现较大的不稳定性。气泡上升最后冲出床层，床层表面有较大的波动，不时有固体颗粒被抛出，然后由于其重力落回床层。气固流化床在工业中应用的最多。气固流化系统基本上均呈聚式

2、流化状态。（2）散式流态化：床层处于散式流化态，床内无气泡产生，当床层膨胀时，固体颗粒之间的距离也随之增加。虽然固体颗粒和流化介质之间有相互强烈的扰动作用，但他们在流化介质中的分散程度也相对较为均匀，处于相对的稳定状态，所以也叫平稳流态化。多出现于液固流态化系统。1.2.2按流化介质分类（1）气固流态化：以气体为流化介质的流态化过程，使工业生产中使用的最多的流态化过程，如流化床锅炉燃煤生产蒸汽。（2）液固流态化：以液体为流化介质的流态化过程，在工业上用于湿法冶金、离子交换、生物化工、聚合反应和吸收等。（3）液气固三相流态化：以液体、气体为流化介质的流态化过程，流化床内存在有气液固三相。1.3流

3、态化在工业中的应用1.3.1物理过程中的应用1.3.1.1物料输送被流化的固体颗粒可以像流体一样流动，如图所示的气垫装置，它是由上下两个槽组成，中建由一层类似于筛网的多孔类或编织物隔开。这种输送装置消耗的能量适中，没有运动部件，适于输送干燥的细微颗粒。现用于水泥工业，纯碱工业，锅炉烟气所带出的飞灰、面粉和树脂的输送。1.3.1.2细粉的混合采用流态化技术可以较容易的将不同种类的粉末物料达到均匀混合。要将两种粉末混合只要将其流化，物料经上升管上升再经床层下降，经过多次循环之后即可到达均匀混合的目的。1.3.1.3熔融物料凝固成颗粒在尿素生产过程中，为了得到颗粒粒径比较合适的尿素颗粒，采用如图所示

4、的流化床，它是由数个在底部带有喷嘴的浅床所构成，熔融的尿素由喷嘴喷出，同时用冷空气助喷。另一股冷空气作为助喷介质。成品由设备的另一端导出，经过筛分，没有达到要求的颗粒被送到进口端重新加工。1.3.1.4吸附当需要从一个大流量的载体气体中分离出某种稀薄成分时，可以采用多级流化床作为吸附器和传统的移动床作为解析器的联合操作，所需要的成分周期的被吸附到活性炭颗粒上，然后再利用蒸汽将其释放。这种工艺适合于二硫化碳、丙酮、二氯甲烷、乙醇、乙酸乙酯等物质的分离和浓缩，以及从烟道气中分离微量的有害物质等。如从空气中回收CS2的工艺过程。对于易破碎的吸附颗粒，采用多级流化床减少其磨损是非常重要的。同时为了防止

5、颗粒的接卸磨损，利用流体力学原理来循环固体颗粒是更为可取的。1.3.2石油化工过程中的应用对于气固催化反应，在反应段需要严格控制温度。之所以有这样的要求是因为，在要求的温度范围以外可能会引起爆炸、产物收率下降或副产物增加、或者使催化剂的活性迅速降低而引起催化剂的频繁再生和更换。同时此类反应都是强烈的放热反应，热量不及时移去则温度难以控制。要达到控温要求，避免上述问题的产生，采用固定床反应器是难以完成的，采用流化床反应器就有其独特的优越性。1.3.2.1邻苯二甲酸酐在适当的催化剂和过量空气的存在下，萘被氧化成邻苯二甲酸酐，反应如下这个反应的特点是强放热反应，采用流化床操作，其温度可以控制在很窄的

6、范围内。液体萘经喷嘴直接喷入床层底部，压力为0.27MPa，进入床层后立即变为蒸汽并在床层中散开，床层温度因而容易控制。1.3.2.2流化催化裂化（FCC）在催化裂化过程中，当使重碳氢化合物气化，并与合适的催化剂接触就可以将其裂化为相对分子质量较低的化合物，且为吸热反应。反应后的催化剂表面会积炭，烧掉积炭使催化剂再生又为放热反应。要达到两者热量的相互弥补，又能顺利完成催化剂的再生，唯一有效的方法就是利用流化床固体颗粒循环系统，将催化剂作为热载体在两个设备中反复循环来完成。如下图所示的两种催化裂化流化床：1.3.3燃烧和焚化过程中的使用将劣质媒和粉状的油页岩用于传统的锅炉作为燃料是很困难的，为此

7、一些先进的国家开始致力于流态化燃烧的开发和研究。循环流化床锅炉有相当的优越性，石灰石和煤颗粒一起送入床层，被通过布风板的空气所流化。床层温度大约为8501000，在此温度下，大部分的硫可以与石灰石反应，从而起到脱硫作用。鉴于环境卫生的要求，城市固体废弃物必须几种处理，通常采用填埋或焚烧的方法。焚烧可以用排式炉，回转式窑和流化床焚烧炉。在流化床焚烧炉中，固体废物被粉碎后，送入床层，床层温度为800900。有机物在床层和稀相空间被热解并燃烧。所产生的烟气送入余热锅炉产生热水或蒸汽。流化床焚烧炉的结构与系统和流化床锅炉类似。由于城市垃圾中可能有大块的无机物，所以在设计其给料和排料系统时要特别注意。另

8、外，在烟气中除了硫、氮氧化物和灰尘外，还会含有二恶英，氯和重金属蒸汽，所以必须对烟气进行有效的净化。1.4流态化技术的优缺点1.4.1流态化技术的优点（1）流体和固体之间的传热和传质增强，床层温度均匀流化床中由于固体颗粒的强烈扰动，使得床层温度均匀一致。对于反应器来说，反应温度容易控制，增强了生产的安全性。适用于放热和吸热强烈的工艺过程。（2）床层与管壁的传热增强由于床内颗粒的强烈扰动与管壁之间的摩擦，致使床层与管壁之间的传热增强。（3）可以像流体一样大量输送由于固体颗粒在气体作用下，可以向流体一样自由流动。这就使得对固体颗粒进行大量加工成为可能。（4）便于实现过程的连续化和自动化流态化的特点

9、是可使固体颗粒呈流体状态运动，对于生产设备来说，固体颗粒的送入和取出就非常容易。适用于固体颗粒处理量很大或催化剂循环量较大的生产过程。（5）固体颗粒可以作为热载体1.4.2流态化技术的缺点（1）固体颗粒磨损大，损耗多对于气固流化床来说，由于固体颗粒的剧烈扰动，造成粒子的磨损，更多的细粒和粉尘被带出设备，增加了回收系统的负荷。（2）增加受热面的磨损在流化床内设有换热管束，由于较坚硬固体颗粒的剧烈扰动，对管壁会产生磨损。（3）反应效率下降在流化床内，由于固体颗粒的剧烈扰动，则造成严重的固体颗粒和流体沿轴向的返混。对反应器来说，由于返混，大量未反应的物料则被生成物所稀释，使传质推动力减小，导致反应过

10、程的转化率下降和选择性变差。同时，由于气泡的产生，气体在床层内停留时间分布不均匀，增加副反应的产生。而且会使催化剂的利用效率降低。2沉降在生产生活中的应用2.1离心沉降法的应用2.1.1离心沉降法检测水中藻类技术近年来, 水体富营养化现象越来越引起人们的重视, 特别是由此引发的水体中藻类大量繁殖, 严重干扰了供水企业的正常生产, 因此及时、准确地开展水中藻类的检测也日显重要。传统的藻类检测方法碘液固定沉降藻类计数法, 因检测用时在24小时以上, 而不能及时地提供水源水中藻类生长信息, 用于指导制水生产。本文介绍使用离心沉降的方法检测水中藻类, 从而在1小时内获得藻类结果数据的可靠方法。1材料与

11、方法1.1 材料离心机(最大容量100, 最高转速5000)、旋涡振荡器、显微镜(400倍)、镜台测微尺、浮游生物计数框(容积0.1, 面积200 2)、微量进样器(100)等。1.2 方法1.2.1 离心浓缩准确量取50 100水样于离心管, 4000离心10, 小心倒扣弃去上清液, 用滤纸吸去管口余水, 向管内加入少量生理盐水, 旋涡振荡洗下粘附在管壁的藻细胞, 定容至1 2(或数), 计算浓缩倍数, 此悬浊液用于下一步镜检。1.2.2 镜检计数取清洁干燥的浮游生物计数框与盖玻片, 用微量进样器加100充分摇匀的悬浊液, 小心盖上盖玻片, 在显微镜400 倍下按照藻细胞形态与色素体颜色镜检

12、计数, 观察视野数20 100个;使用镜台测微尺测量显微镜400倍下视野半径。如果镜检发现视野内藻类数量较少, 可适当调大离心浓缩(步骤1.2.1)时的取样量1.2.3 计算按 =2×1 × ×10000计算原水样品中藻细胞数。式中:计数框面积(2 );:400 倍放大下视野半径();1 :样品浓缩后定容体积();:计数框容积();:每片计数框各视野藻数总和;:计数的总视野数;0 :样品浓缩前体积();:每升样品中藻细胞数2.1.2离心沉降光透法测定纳米粉体粒径采用离心式光透仪研究了纳米粉体的粒径及其分布研究结果表明超声波最佳分散时间为，选用水乙醇作为分散介质，以

13、的六偏磷酸钠作为分散剂，样品测定效果最佳，粒度分布符合正态分布规律；同时进行了次平行实验，值的极差小于。该方法准确、可靠、简便、快速。亚微米、纳米级粉体的应用日益广泛，其粒子的大小和粒度分布是非常重要的衡量指标。目前测定纳米级粉体粒度的方法很多，使用的仪器、沉降介质、分散条件也多种多样，分析结果很难达到一致。如透射电镜观察法只能观测到极少的粒子，结果缺乏统计性；射线衍射线宽法只适用于晶态的纳米粒子平均晶粒度的测量；射线小角散射法反映的是超微粒子的原始尺寸，而不是内部晶粒的尺寸或外部超微粒子聚合体的尺寸；比表面法测定的结果往往由于粒子缝隙的存在而偏小等，以上方法都存在仪器昂贵、在工业测定中不易推

14、广的问题。采用价格便宜、操作方便的离心式光透仪测量纳米粉体，探讨了测定过程中超声波处理时间、不同分散介质和分散剂对测定结果的影响，优化了测量条件，力求准确测试粉体的粒径及其分布，并与透射电镜观察法的粒径检测结果进行比较，测量粒度的样品代表性好，重复性好，为同行及进出口纳米氧化物粉体粒度的测定提供了参考。实验步骤：溶液浓度过高或过低对粉体粒度测定有较大的影响，称取的粉体放入约的去离子水中，搅拌均匀后加一定量的（）溶液进行分散，超声，移入若干个小试管中，用2.1.3离心沉降式脱水机在煤泥脱水中的应用矿井水在煤炭工业中特指煤炭开采过程中从井下或露天矿排出井外的采煤废水由于井下排出的矿井水中含有大量的

15、煤尘、矸石粉末等杂质，随着水的澄清过程，矿井水中的悬浮物作为煤泥被分离出来，矿井水处理产生的煤泥具有含水率高、煤泥量大的特点解决矿井水处理产生的煤泥的有效措施是对污泥进行脱水减量化处理我国各煤炭企业煤泥处理一般采用机械脱水方式，而离心脱水机具有脱水效果好、脱水后煤泥含水率低、全封闭运行、自动化程度高、操作管理简便、调节灵活、设备体积小等优点，非常适宜在矿井水处理系统煤泥脱水中应用离心脱水机主要由转鼓、螺旋、差速系统、驱动系统及控制系统等组成（图）在高速旋转产生的离心力作用下，利用固液两相的密度差，加快固相的沉降速度，实现固液分离在实际运行中，污泥通过入料管道被送入转鼓内，螺旋和转鼓高速旋转产生

16、离心力，使污泥在转鼓和螺旋之间形成一个圆柱形液环层，比重较大的固体颗粒在液环层内由于离心力较大，向转鼓壁移动，并沉降到转鼓内壁形成泥渣层，再利用螺旋和转鼓的相对速度差把泥渣推向转鼓锥端，泥渣推出液面之后在离心力作用下脱水干燥，从而实现污泥脱水，脱水泥渣由螺旋推向排渣口排出，上清液从转鼓大端排出2.2重力沉降法的应用2.2.1重力沉降法测定沉淀碳酸钙的粒径沉淀碳酸钙的晶体形状有纺锤形、立方体、片状等等, 而无实际球形晶体, Stokes 定律则是以球形颗粒为研究对象而得出的结论, 因此为获得颗粒所遵循的共同规律, 总试图将非球形颗粒以某种当量球形的颗粒代表。不同形状、不同尺寸的颗粒, 当量球体的

17、直径是不相同的。本文中当量球体直径为速度当量直径, 即将任意形状的颗粒等效成与其具有相同沉降速度的球形颗粒, 下文中的直径均为该当量球体直径。重力沉降法测粒径是依据重力作用下在流体中不同粒径大小的颗粒其沉降速度不同, 大的颗粒沉降速度快, 而小的颗粒沉降速度慢, 因此测试的关键就在于如何准确测定颗粒的沉降速度。本方法沉降速度的测定是通过测定一定时间悬浮颗粒的浓度来实现的。因x-ray 的特殊光学特性, 选用x-ray 来测量, 既可准确测得悬浮液浓度又对沉降过程无任何干扰。测定时先将一稀释的、分散好的悬浮液在测试系统内循环, 使成均一体系, 在光学测定池中测起始浓度c0, 然后停止循环, 让颗

18、粒在没有任何干扰的情况下在光学测定池内自然沉降。依照Stokes 定律, 直径为D 的颗粒经过时间t 后, 沉降距离为h,其关系式为:D = K(h/t)1/2在h 点处通过x-ray 测得其浓度为c。我们知道, 所有比D 大的颗粒沉降速度为快, 颗粒已落到h 点下方, 而比D 小的颗粒仍悬浮于h 点上方。根据不同时间t i , 在同一点可测得不同浓度Ci , 则我们可以得到比Di 小的颗粒的重量百分数Pi= 100(Ci/C 0)通过计算机对Pi , Ci , Di 的数据处理, 我们可以得到粒径分布图, 由此我们可以根据不同的数据需求, 用计算机进行各种数据处理, 得到各种我们所需的结2.

19、2.2重力沉降法结合共烧结法制备YSZ 薄膜采用NiO-YSZ 阳极作基底, 利用YSZ 颗粒在悬浮液中会在自身重力作用下沉降的性质, 来制备YSZ 薄膜。探索在YSZ 悬浮液软物质体系中, 采用重力沉降和共烧结等物理和化学方法相结合的路线, 寻求工艺简单、成本低廉、适于大面积生产的, 用于中温区的YSZ 薄膜的制备工艺方案。2.2.3重力沉降原理在微粉和超细粉粒度分析中的应用近年来, 微粉与超细粉的粒度分析已经成为新型耐火材料研究与开发中一种不可缺少的手段。虽然目前市场上已有多种类型的粒度分析仪可供选用 , 但是新型的粒度分析仪价格昂贵, 而利用重力沉降原理进行颗粒粒度分析的KCT- 1 型

20、沉降天平等传统的分析仪器, 却具有测试范围广, 采样量大, 结果重现性好, 产品价格低廉等优势。研究表明: 采用沉降法检测超细矿粉具有较高的分析精度, 适用范围为80 1. 0微米, 其测定结果与目前流行且昂贵的激光粒度分析仪不差上下, 特别适合广大耐火材料生产企业使用。但是, 该类仪器对微粉和超细粉进行分析时, 要求具备较高的操作分析水平。2.2.4重力沉降法制备SiO2光子晶体实验中所用衬底为透过率较高的载玻片，首先将衬底用丙酮和酒精分别超声清洗三次，然后用去离子水洗涤，干燥。将清洗干净的衬底置于0.1 mol / L 的铬酸溶液中浸泡24 h，对衬底表面进行亲水改性处理，然后取出衬底，用

21、去离子水反复洗涤至干净，置入密闭烘箱烘干待用。采用Stober 方法制备出单分散的SiO2微球，实验中采用的微球直径分别为150 nm,220 nm 和280 nm。然后将单分散的微球注入丙酮溶剂中，超声分散配制成体积分数为5%的单分散SiO2微球溶液。将载玻片水平放置在盛有SiO2微球溶液的玻璃容器底部，容器置于密闭的环境中，使SiO2微球缓慢沉降，避免周围的振动干扰和空气中的杂质污染对微球的排列产生影响。实验中沉积的温度分别为25、35和40，待溶液中的溶剂挥发完，即可在衬底上得到SiO2光子晶体。将制备得到的样品置于100的烘箱中6-8 h，除去样品中残留的水分和有机物。3.过滤在生产生

22、活中的应用3.1过滤在生活的应用3.1.1空气过 滤 器 的 过 滤 机 理 拦截效应 空气过滤器滤料中的纤维排列错综复杂,当空气中的尘埃粒子在运动中接触到滤料纤维表面时,在滤料和尘埃之间的范德华力作用下被滤料粘住。惯性效应 空气过滤器中滤料纤维排列复杂,空气通过滤料时气流流线遇障转折,空气 中的尘埃微粒在惯性力的作用下脱离流线撞击到滤料纤维表面而沉积下来。粒子越大,惯性力越大,被滤料纤维阻碍的可能性越大,过滤效率越好。扩散效应 小颗粒粉尘做无规则布朗运动,颖粒越小布朗运动越明显,常温下0.1um的微粒每秒钟扩散距离达到17um,这个距离比纤维间距大几倍到十几倍,这就使微粒有更大的机会沉积下来

23、。小于0.1um的颗粒,主要作布朗运动,越小越容易被除去；大于0.5um的颗粒主要作惯性运动,越大越容易被除去；0.1-0.5um之间的颗粒,扩散和惯性效果都不明显,较难除去。重力效应 微粒通过纤维层时,在重力作用下微粒脱离流线而沉积下来。一般来说对0.5um以下的微粒重力作用可 以忽略不计。静电效应静电主要有两方面影响：一是静电作用使粉尘改变流线轨迹而沉积下来 ；二是静电作用使粉尘更牢固地粘在滤料纤维表面上,静电作用在不增加过滤器阻力的情况下能有效地改善过 滤器 的过滤效率。膜过谁的机理 与传统纤维过滤不同,膜过滤以表面过滤为机理,过滤过程只发生在膜的表面,聚集在膜表面的粉尘颗粒很容易被清除

24、,每次反吹后压降能恢复到初始状态,所以使用寿命较长。在过滤的开始阶段,过滤阻力主要集中在膜的表面部分,因此膜的微观结构对过滤阻力有非常重要 的影响,膜的选择对于过滤效率非常重要。膜过滤技术具有很高的收尘能力,因此在空气过滤领域具有重要意义。3.2过滤在生活的应用3.2.1用于洁净室空气净化系统 这是空气过滤技术的主要应用方向。洁净室一般可分为两类 工业洁净室和生物洁净室。工业洁净室主要用于某些对空气洁净度要求较高的生产工艺,这主要包括电子工业、航天、胶片、光学仪器和精密机械等。生物洁净室不仅对室内的含尘浓度有要求,还对细菌数量有要求。通过高效过滤器可将附着在尘粒上的细菌一并滤去,这主要包括食品工业、手术室、制药厂、生物实验室。3.2.2用于普通空调系统 普通空调系统一般在空调机组设置粗效空气过滤器,要求稍高的也还在粗效空气过滤器后设置中效空气过滤器。普通家庭使用，主要包括家用空调和空气净化器等。家用空调所用的过滤材料大多是普通塑料机织滤网,孔隙较大,仅