固体流态化技术

1、2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化1压力流体压力流体固体流态化：将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗固体流态化：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于流体的某些表观特性，这种流固接触状态称为固体粒具有类似于流体的某些表观特性，这种流固接触状态称为固体流态化。流态化。5.4 固体流态化技术固体流态化技术2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化2 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有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于流体的某些表观特性，这种流固接触的状态称为固体流类似于流体的某些表观特性，这种流固接触的状态称为固体流态

2、化。这种床层称为流化床。态化。这种床层称为流化床。 反应器、焙烧炉、干燥器等反应器、焙烧炉、干燥器等重力场中，颗粒处于流体介质中，颗粒与介质之间的相对速重力场中，颗粒处于流体介质中，颗粒与介质之间的相对速度度ut （设是层流状态，并规定重力的方向为正。）（设是层流状态，并规定重力的方向为正。） 18p2ptgdu 与流体介质运动与否没有关系。与流体介质运动与否没有关系。如果流体介质静止，则颗粒垂直向下的运动速度就是如果流体介质静止，则颗粒垂直向下的运动速度就是 ut 。5.4.1流化床的基本概念流化床的基本概念为什么颗粒能够悬浮于流体中呢？这要从颗粒的沉降速度、为什么颗粒能够悬浮于流体中呢？这

3、要从颗粒的沉降速度、流体的运动速度分析起。流体的运动速度分析起。观看录像2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化3 如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速 u1 运动起来，运动起来，则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）up (规定规定向上的方向为正）为向上的方向为正）为t1puuu u1ut颗粒空隙中流体的实际流速颗粒空隙中流体的实际流速u1 。颗粒的绝对。颗粒的绝对运动速度运动速度 up ，床层表观流速，床层表观流速u ，即空床流速。，即空床流速。其关系：其关系：考察单位床层截面上流体的体

4、积流量：考察单位床层截面上流体的体积流量：11uuqv uu 124DquV 流体流体空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化4（1）固定床阶段）固定床阶段t1puuu 如果流体介质静止或者上升流速如果流体介质静止或者上升流速u1 ，u1umf时，则出现时，则出现u1ut ,即即up0 ，则颗粒向，则颗粒向上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。床内的颗粒将床内的颗粒将“浮起浮起” ，颗粒层将，颗粒层将“膨胀膨胀”，床内空隙率，床内空隙率增大。增大。起始流化速度：起始流化速

5、度：umf=umax 此时此时 u1=ut（2）流化床）流化床bedfixedtmf uuut1uu uu 1如为均匀颗粒，其如为均匀颗粒，其ut 已知已知2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化7 uu 1t1uu又又可可能能出出现现0uuut1p 出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。t1uu 颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增大。当床层膨胀到一定程度大。当床层膨胀到一定程度，空隙率稳定在，空隙率稳定在某一数值上，空隙中流体的流速某一数值上，空隙中流体的流速u1 稳定于颗稳定于颗粒的粒的u

6、t 时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流化床化床 。（2）流化床）流化床 uu 1随着流体流量的增加随着流体流量的增加 和和 空隙率的减小，又出现空隙率的减小，又出现因此，在流化床的范围内，每一个表观气速因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率，对应一个空隙率，表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体通过空隙时的实际速度通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的不变，始终为颗粒的ut 。 u注意：注意：2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化8（2）流化床）流化床需要特别指出的是

7、，流化床原则上应有一个明需要特别指出的是，流化床原则上应有一个明显的上界面。在此界面之下的颗粒，显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut 。假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层而进入界面以上的空间，在该空间中（而进入界面以上的空间，在该空间中（=1.0）该颗粒的表观速度该颗粒的表观速度u即为其真实速度即为其真实速度u1 u=u1ut 故颗粒必然回落到界面上。故颗粒必然回落到界面上。流体流体由此可见，由此可见，流化床存在的基础流化床存在的基础是大量颗粒的群是大量颗粒的群居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调整

8、空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能存在的物理基础。存在的物理基础。2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化9很显然，如果将流体的流量（流速）逐渐减小，则将由流化床很显然，如果将流体的流量（流速）逐渐减小，则将由流化床转化为固定床。转化为固定床。如果流体（气体）流量继续增加，始如果流体（气体）流量继续增加，始终出现终出现u1ut的关系，始终的关系，始终up0 ，则颗粒被带出床外，此时，称为颗粒则颗粒被带出床外，此时，称为颗粒输送阶段。此时的流体表观速度输送阶段。此时的

9、流体表观速度u称称为带出速度。在带出状态下床截面上为带出速度。在带出状态下床截面上的空隙率即认为是的空隙率即认为是1.0 ，此时，此时u=u1 。显然，带出速度显然，带出速度u数值上等于数值上等于ut 。据。据此原理，可以实现固体颗粒的气力输此原理，可以实现固体颗粒的气力输送或液力输送。送或液力输送。流化床的操作范围：流化床的操作范围： umfut （3）颗粒输送阶段）颗粒输送阶段流体流体2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化105.4.2 实际的流化现象实际的流化现象散式流化散式流化 聚式流化（鼓泡流化）聚式流化（鼓泡流化） 两类两类散式流化散式流化 ： 一般发生于液一般发生于液固系

10、统固系统床内固体颗粒充分混合，流化床的上界面清晰，接近于理想流床内固体颗粒充分混合，流化床的上界面清晰，接近于理想流化床。化床。聚式流化聚式流化 ：一般发生于气：一般发生于气固系统固系统当表观气速超过起始流化速度当表观气速超过起始流化速度umf而开始流化后，床内出现一些而开始流化后，床内出现一些空穴，气体将优先取道穿过各个空穴至床层顶部逸出。由于空穴，气体将优先取道穿过各个空穴至床层顶部逸出。由于“气泡气泡”在界面处破裂，床层上界面频繁地起伏波动，界面以在界面处破裂，床层上界面频繁地起伏波动，界面以上的空间也会存在一定量的固体颗粒。流化床界面以上的区域上的空间也会存在一定量的固体颗粒。流化床界

11、面以上的区域称为稀相区，流化床界面以下的区域称为浓相区。称为稀相区，流化床界面以下的区域称为浓相区。2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化11AgmAmgPPp121 流体流体L1P2P 5.4.3 流化床的主要特性流化床的主要特性-恒定的总压降恒定的总压降流化床的横截面积流化床的横截面积A ,床层高度床层高度L ，床，床内所有颗粒的质量内所有颗粒的质量m ，颗粒的密度，颗粒的密度p流体的密度流体的密度，截面，截面1的压强的压强P1 ，截面，截面2的压强的压强P2 。 方向向上的力之和方向向上的力之和=方向向下的力之和方向向下的力之和如果忽略如果忽略浮力浮力AmgPP 21特别注意：总

12、床层高度上的压降近似等于单位特别注意：总床层高度上的压降近似等于单位截面床内固体颗粒的重量，与流体速度无关，截面床内固体颗粒的重量，与流体速度无关，是定值。但是，单位床层高度上的压降随着流是定值。但是，单位床层高度上的压降随着流体速度增加而减小。体速度增加而减小。mgAPgmAPp 21 总床层总床层高度上高度上的压降的压降2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化12例例54床层固存量的近似估计床层固存量的近似估计注意：在流化床的范围内，随着气体速度的增加，床层高度注意：在流化床的范围内，随着气体速度的增加，床层高度L逐逐渐增加，尽管总床的压降基本不变。但是，单位床层高度上的渐增加，尽管

13、总床的压降基本不变。但是，单位床层高度上的压降是变化（减小）的。压降是变化（减小）的。在某一各处均匀状态的流化床中，在某一各处均匀状态的流化床中，LL1Lf,Lf,11mmLLpp AgmpL Lf,2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化13 gLAgLAAgVAgVAgmAmgPpppbedpspf)(1)(1)(1)(1 根据第根据第4章中的欧根方程，对于小颗粒章中的欧根方程，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（5-40）（1）流化床的压降）流化床的压降 395 （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

14、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。5.4.4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 405 2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化14Xi-各种粒度的质量分数。各种粒度的质量分数。 p p gdu p2evmf3mf2mf-11502022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化15 p1650g)(dup

15、2emf 425 161P2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化16起始流化速度起始流化速度umf (5-42)式，最小带出速度式，最小带出速度ut ， 此速度范围称此速度范围称为为流化速度范围流化速度范围。流化床的实际操作速度与起始流化速度。流化床的实际操作速度与起始流化速度umf之比称为之比称为流化数流化数。P162 例例56流化床的操作范围流化床的操作范围tmf uu压力流体压力流体2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化17流化质量流化质量 是指流化床内流体分布及流是指流化床内流体分布及流-固两相接触的均匀程度。固两相接触的均匀程度。提高流化质量的措施：提高流化质量的措施

16、：1、增加分步板的阻力、增加分步板的阻力(达到流体分布均匀达到流体分布均匀)，2、采用内部构件、采用内部构件(设置水平挡板和垂直构件设置水平挡板和垂直构件,限制大尺度的空穴限制大尺度的空穴)，3、采用宽粒径分步的颗粒、采用宽粒径分步的颗粒(小颗粒带出小颗粒带出,经过旋风分离器收集后，经过旋风分离器收集后，再通入流化床中）。再通入流化床中）。4、采用细颗粒、较高气速的操作条件。、采用细颗粒、较高气速的操作条件。5.4.5 流化质量流化质量2022-3-3第5章 颗粒的沉降和固体流态化185.5 气力输送气力输送 （简介）（简介）利用气体在管内的流动来输送粉状固体的方法称为气力输送。利用气体在管内

17、的流动来输送粉状固体的方法称为气力输送。空气是最常用的输送介质，但若是输送易燃、易爆粉料时，则空气是最常用的输送介质，但若是输送易燃、易爆粉料时，则用惰性气体。用惰性气体。气力输送的主要优点：气力输送的主要优点：1、系统密闭，可避免物料飞扬，减少物料损失，同时改善了劳、系统密闭，可避免物料飞扬，减少物料损失，同时改善了劳动条件。动条件。2、输送管线不受地形限制，在无法铺设道路或安装输送机械的、输送管线不受地形限制，在无法铺设道路或安装输送机械的地方尤为适宜。地方尤为适宜。3、设备紧凑，易于实现连续化、自动化操作，便于同连续的化、设备紧凑，易于实现连续化、自动化操作，便于同连续的化工过程相衔接。工过程相衔接。4、在气力