18 固体流态化.ppt

1、2020/10/11,固体的流态化,1/19,1 流化床的基本概念,第十八讲 固体流态化技术,2 实际的流化现象,3 流化床的主要特性,4 流化床的操作范围,5 流化质量,2020/10/11,固体的流态化,2/19,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流态化。化学工业广泛 使用固体流态化技术以进行流体或固体的物理、化学加工，乃至颗粒的输送。,1 流化床的基本概念,如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的情况：,固定床阶段 如果流体通过床层的表观速度(即空塔速度)u较低，颗粒空隙中流体的实际流速u1小于颗

2、粒的沉降速度ut，则颗粒基本上静止不动，颗粒层为固定床。为保持固定床状态，理论上流体自下而上的最大表观速度为,2020/10/11,固体的流态化,3/19,流化床阶段 如果表观速度u大于上述固定床阶段的最大表观速度umax， 流体通过颗粒空隙的实际流速 u1大于颗粒的沉降速度 ut ，此时床内颗 粒将“浮起”，颗粒层将“膨胀”。颗粒床层的膨胀意味着床内空隙率 的增大。已知床层内流体的实际流速 u1与表观速度 u 有如下关系,由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观气速范围内悬浮于气流之中。这就是流化床之可能存在的物理基

3、础。,颗粒输送阶段 如果床层的表观速度 u 超过颗粒的沉降速度 ut ，则颗粒必将获得上升速度。此时颗粒将被流体带出器外，这是颗粒输送阶段。据此原理，可以实现固体颗粒的气力和液力输送。,显然，在流化床内，每一个表观速度有一个相应的空隙率。表观速度越大，空隙率也越大，而通过床层的实际流速不变，总是等于颗粒的沉降速度ut。,2020/10/11,固体的流态化,4/19,若在床层上部安装旋风分离器将带出的颗粒重新返回床层，从而在很 高的表观速度下仍可实现流固间的各种过程。此种方式称为载流床。,狭义流态化与广义流态化 狭义流态化专指上述第二阶段即流化床阶 段，广义流态化则泛指各种非固定床的流固系统，包

4、括载流床和气力输送。以下着重讨论狭义流态化。,2 实际的流化现象,以上讨论的是均匀颗粒的理想流化现象。实验发现实际的流化现象与上述有一定差异。从床内流体和颗粒的运动状况来看，实际存在着两类截然不同的流化现象,散式流化 这种流化现象一般发生于液-固系统。当表观流速达到某个临界值 umf时，颗粒摇摆而开始流化，称为起始流化，umf 称为起始流化速度。若表观流速继续增大，则进人流化床阶段。此时床层膨胀，颗粒均布于流体之中并作随机运动，忽上忽下，忽左忽右，造成床内固体颗粒充分混合。此种流化床的上界面比较清晰，如图5-21所示。散式流化床较接近上述的理想流化床。,聚式流化 这种流化现象一般发生于气-固系

5、统。当表观流速超过起始流化速度umf而开始流化后，床内就出现一些空穴，气体将优先取道穿过各个空穴至床层顶部逸出。由于过量的气体涌向空穴，该处流速较大，空穴顶部的颗粒被推开，其结果是空穴向上移动并在床的界面处“破裂”(图5-23)。,2020/10/11,固体的流态化,5/19,空穴的移动和合并，就其表面现象看来， 酷似气泡的运动。因此，聚式流化床有 时称为鼓泡流化床。这样，床内存在两 个相，可分别称之为气泡相与乳化相。乳化相内的状态接近于起始流化状态，其中的空隙率接近于起始流化时的空隙率。超过起始流化速度以上的气体量则相继经空穴(气泡相)而通过床层。,尽管常将空穴称为气泡，但应注意空穴与气泡之

6、间有本质的区别：气泡内的气体始终不变，而空穴中的气体则在不断更新。,聚式流化的床层上界面不如散式流化那样平稳，而是频繁的起伏波动。界面以上的空间也会有一定量的固体颗粒，其中一部分是由于颗粒直径过小，被气体带出；另一部分是由于“气泡”在界面处破裂而被抛出。流化床界面以下区域称为浓相区，界面以上的区域称为稀相区。,2020/10/11,固体的流态化,6/19,3 流化床的主要特性,液体样特性 从整体上看，流化床宛如沸腾着的液体，显示某些液体 样的性质，所以往往把流化床称为沸腾床。图5-24表示这些特性的概 况。其中固体颗粒的流出是一个具有实际意义的重要特性，它使流化床在操作中能够实现固体的连续加料

7、和卸料。,固体的混合 流化床内颗粒处于悬浮状态并不停地运动，从而造成床内颗粒的混合。特别是气固系统，空穴的上升推动着固体的上升运动，而另一些地方必有等量的固体作下降运动，从而造成床内固体颗粒宏观上的均匀混合。,2020/10/11,固体的流态化,7/19,如果在流化床内进行一个放热反应的操作，由于固体颗粒的强烈混合， 很易获得均匀的温度，这是流化床的主要优点。,气流的不均匀分布和气固的不均匀接触 在聚式流化中，大量的气体取道空穴通过床层而与固体接触甚少。反之，乳化相中的气体流速很低，与固体颗粒的接触时间很长。这种不均匀的接触对实际过程不利，是流化床的严重缺点。,气固流化床中气流的不均匀分布可能

8、导致以下两种现象,(1)腾涌或节涌 空穴在上升过程中会合并增大，如果床层直径较小而浓相区的高度较高，则空穴可能大至与床层直径相等的程度。此时空穴将床层分节，整段颗粒如活塞般的向上移动，部分颗粒在空穴四周落下，见图5-25(a)，或者在整个截面上均匀洒落，见图5-25(b)。这种现象称为腾涌或节涌。 流化床在操作时一旦发生腾涌，较多的颗粒被抛起和跌落造成设备震动，甚至将床内构件冲坏，流体动力损失也较大，一般应尽量予以避免。,2020/10/11,固体的流态化,8/19,(2)沟流 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通道上

9、升，而床层的其余部分仍处于固定床状态而未被流化(死床)。显然， 当发生沟流现象时，气体不能与全部颗粒良好接触，将使工艺过程严重恶化。,恒定的压降 床层一旦流化，全部颗粒处于悬浮状态。对床层作受力分析并应用动量守恒定律，不难求出流化床的床层压降为,(5-37),由式(5-37)可知，流化床的压降等于单位截面床内固体的表观重量(即重量浮力)，它与气速无关而始终保持定值。图5-26表示 的关系。,2020/10/11,固体的流态化,9/19,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 无需担心过大的压降。根据这一特点，在流化床操作时可以通过测量 床层压降以判断床层流化的优劣。如果床

10、内出现腾涌，压降有大幅度的起伏波动。若床内发生的沟流，存在局部未流化的死床，此时床层压降必较式(5-37)的计算值为低。图5-27、图5-28表示了这两种不正常情况下所测出的压降。,2020/10/11,固体的流态化,10/19,例5-4 床层固存量的近似估算 今有直径为1.2m的某气-固流化床，装有图5-29所示的压差计，中间 测压口位于分布板以上 m处，上测压口在床层界面以上。今测 得P为5.89kPa，总压降P为9.32kPa。试估计床界面高度L及床内催化剂量。,解 (1)床面高度L。压降与床层高度成正比，因此,(2)床内催化剂量,气体密度很小，若忽略颗粒所受浮力，由式(5-37)可得,

11、4 流化床的操作范围,起始流化速度 若床层由均匀颗粒组成，则起始流化时床层的表观速度umf为,(5-38),2020/10/11,固体的流态化,11/19,但实际流化床多由非均匀颗粒组成，上式显然不能适用。对非均匀颗 粒组成的床层可由下述方法求取起始流化速度。,设流化床的床层高度为L，床层空隙率为，则由式(5-37)可得,(5-39),式(5-39)即为图5-26中的BC线段。,又根据第4章所述的欧根方程，在小颗粒(Rep 20)条件下固定床压降为,(5-40),式(5-40)为图5-26中的AB线段，式中de为颗粒等体积当量直径。,起始流化点即为AB与BC之交点，此时式(5-39)与(5-4

12、0)中的L应为起始流化时的床高Lmf，应为床层起始流化时的空隙率mf。令式(5-39)与式(5-40)相等，可得起始流化速度为,(5-41),2020/10/11,固体的流态化,12/19,如果确知床层的起始流化空隙率mf及颗粒的球形度值，可利用式 (5-41)计算umf。但实际上mf和的可靠数据很难获得。实验发现， 对工业常见颗粒,(5-42),上述简化处理不适用于两种直径截然不同的颗粒所组成的床层，尤其当大颗粒直径与小颗粒直径之比大于6以上。此时，小颗粒可能已在大颗粒的空隙中流化，而大颗粒仍处于静止状态。 由式(5-42)计算所得的umf其偏差为34。当需要确知某系统的起始流化速度时，应通

13、过实验测定方为可靠。但此式提供了有关变量对umf的影响，当实验条件与操作情况不同时，可用来对实验结果进行修正。,例5-5 某气-固流化床反应器在623K、压强1.52105Pa条件下操作。此时气体的黏度为3.13105Pas，密度= 85kg/m3，催化剂颗粒直径为0.45mm，密度为1200kg/m3。为确定其起始流化速度，现用该催化剂颗粒及30的空气进行流化实验，测得起始流化速度为0.049m/s，求操作状态下的起始流化速度。,2020/10/11,固体的流态化,13/19,解 查得30下空气的黏度和密度分别为,实验条件下的雷诺数,Rep20，式(5-41)或式(5-42)可以适用，故操作

14、时的起始流化速度为,带出速度 当床层的表观速度达到颗粒的沉降速度时，大量颗粒将被流体带出器外，故流化床的带出速度为单个颗粒的沉降速度ut。一般说来，此表观速度为流化床操作范围的上限。 颗粒沉降速度的计算方法如5.2.2节所述。但须注意，对非均匀颗粒组成的床层，用来计算带出速度的颗粒直径应比床内绝大部分的颗粒直径要小。,2020/10/11,固体的流态化,14/19,对粒径较小的流化床，比较起始流化速度umf的计算式(5-42)与沉降速 度计算式(5-19)可知 。对大颗粒这一比值为8.61。故细 颗粒流化床较之粗颗粒可在更宽的流速范围内操作。 为充分发挥流化床内固体颗粒混合均匀这一优点，流化床

15、的实际操作速度通常为起始流化速度的若干倍，其具体数值应结合过程的工艺要求和操作经验予以选定。流化床实际操作速度与起始流化速度之比称为流化数。,例5-6 流化床的操作范围 某流化床反应器在900、常压下用空气焙烧矿粉，此矿粉的平均粒径为0.34mm，密度为4200kg/m3。若焙烧过程中气体的摩尔数不变，气体的性质可取该温度下干空气的性质，求此流化床的起始流化速度和带出速度。,解 已知p4200kg/m3，de0.34103m，900、常压下空气的密度为0.301kg/m3，黏度4.67105Pas。,(1)起始流化速度umf计算按式(5-42)得：,2020/10/11,固体的流态化,15/1

16、9,5 流化质量,流化质量反映了流化床内流体分布及流固两相接触的均匀程度。在气固流化床内，气体沿床层横截面的分布及气固两相的接触总是存在相当程度的不均匀性，即流化质量不高。这对流化床中气-固间的传热、传质及反应过程都是不利的。不少研究者对流化质量不高的原因作了分析，并进行了各种尝试以图提高流化质量。,Rep 20，以上计算有效。,(2)带出速度。设气-固相对运动处于阿伦区范围，则由式(5-7)和式(5-17)得：,由于2Rep500，原设成立。,验,2020/10/11,固体的流态化,16/19,床层的内生不稳定性 设有一正常操作的流化床，由于某种干扰在床 内某局部区域出现一个空穴。如果外界干

17、扰消失空穴也能跟着消失， 床层可恢复原状，则此操作状态是稳定的。然而，气固流化床却并 非如此。若床层某局部一旦出现空穴，该处床层密度及流动阻力必然减小，附近的气体便优先取道此空穴而通过。空穴处气体流量的急剧增加，可将空穴顶部更多颗粒推开，从而空穴变大，阻力进一步减小，产生恶性循环。这种恶性循环称为流化床层的内生不稳定性。这种内生不稳定性是导致流化质量不高的根源，它使床层内部产生大量空穴，严重时可能产生沟流和死床。,为抑制流化床的这一不利工程因素，通常采用以下几种措施。,(1)增加分布板的阻力 气体通过流化床的压降p由分布板压降pD和床层压降pB两部分组成，即,在不同径向位置，流化床的总压降是相

18、同的。假设床内某处出现空穴，该处局部床层压降pD减小，而位于此空穴下方分布板的局部压降pD必升高。由第1章可知，流体通过分布板的压降与流速平方成正比，即流速的较小变化要引起的较大变化。因此，对气流分布的均匀性而言，分布板压降是一个有利因素。,2020/10/11,固体的流态化,17/19,如果分布板的阻力pD远大于pB，则由空穴造成的床层压降pB的 局部变化对于气流分布的影响就很小。也就是说，分布板阻力越大， 抑制床层内生不稳定性的能力就越大，气流分布也就越均匀。,分布板的压降主要取决于开孔率(即开孔面积和空床截面之比)。大开孔率低压降的分布板流化稳定性差，而低开孔率、高压降的分布板有利于建立

19、良好的流化条件，但动力消耗大。因此开孔率须大小适当，既满足流化质量的要求，又较经济合理。一般分布板的设计使pD约占床层压降pB的10，且至少不低于3.4kPa。多数工业流化床分布板的开孔率约在0.41.4之间。常用的几种分布板形式见图5-30。,2020/10/11,固体的流态化,18/19,实验证明，分布板均匀布气的影响范围是有限的，一般在分布板以上 0.5m的区域之间。当床层较深时，气体将重新分配而与初始分布情 况无关。提高流化质量尚需从改进床层本身的均匀性着手。,(2)采用内部构件 流化床内部构件可分为水平挡板和垂直构件两类。 在流化床的不同高度上设置若干块水平挡板或挡网，对床层作横向分割，可打破上升的空穴，使空穴直径变小，气-固接触较为均匀。图5-31为常用的斜片式挡板结构。,床内设置水平挡板后阻碍了气体的轴