流體化固定床

壓力流體固體流態(tài)化：將大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體之中，從而使顆粒具有類似于流體的某些表觀特性，這種流固接觸狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。5.4固體流態(tài)化技術(shù)2/4/20231第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化將大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體之中，從而使顆粒具有類似于流體的某些表觀特性，這種流固接觸的狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。這種床層稱為流化床。反應(yīng)器、焙燒爐、干燥器等重力場(chǎng)中，顆粒處于流體介質(zhì)中，顆粒與介質(zhì)之間的相對(duì)速度ut

（設(shè)是層流狀態(tài)，并規(guī)定重力的方向?yàn)檎?。）與流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)與否沒有關(guān)系。如果流體介質(zhì)靜止，則顆粒垂直向下的運(yùn)動(dòng)速度就是ut

。5.4.1流化床的基本概念為什么顆粒能夠懸浮于流體中呢？這要從顆粒的沉降速度、流體的運(yùn)動(dòng)速度分析起。觀看錄像2/4/20232第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化如果顆粒鄰近的流體介質(zhì)以方向向上的流速u1

運(yùn)動(dòng)起來，則顆粒的絕對(duì)速度（表觀速度）（以固定點(diǎn)為參照點(diǎn)）up(規(guī)定向上的方向?yàn)檎閡1ut顆?？障吨辛黧w的實(shí)際流速u1

。顆粒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度

up

，床層表觀流速u

，即空床流速。其關(guān)系：考察單位床層截面上流體的體積流量：流體空隙率即等于橫截面上空隙面積的分率。2/4/20233第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化（1）固定床階段如果流體介質(zhì)靜止或者上升流速u1

，u1<ut隨著上升流體流量的增大，u1增大，當(dāng)達(dá)到u1=ut時(shí)，顆粒的表觀速度up=0。當(dāng)u1

稍微大于ut時(shí)，顆粒便會(huì)上升，發(fā)生由固定床向流化床的轉(zhuǎn)化。顆粒的直徑一定，在流體介質(zhì)中的沉降速度ut

一定。2/4/20234第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化保持固定床狀態(tài)的最大空床氣速umax床層形態(tài)由固定床向流化床轉(zhuǎn)換的臨界條件：umax為維持固定床狀態(tài)的最大表觀氣速。起始流化速度：umf=umaxut如果是均一的顆粒，其ut

可以計(jì)算出2/4/20235第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化

當(dāng)流體的空床流速u>umf時(shí)，則出現(xiàn)u1>ut,即up＞0，則顆粒向上運(yùn)動(dòng)。同時(shí)引起床層空隙率的改變（增加）。床內(nèi)的顆粒將“浮起”，顆粒層將“膨脹”，床內(nèi)空隙率ε增大。起始流化速度：umf=umax

此時(shí)u1=ut（2）流化床ut如為均勻顆粒，其ut

已知2/4/20236第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化出現(xiàn)暫時(shí)的顆?；芈洮F(xiàn)象，又出現(xiàn)床層空隙率減小。顆粒再次上升，床層又膨脹，空隙率再次增大。當(dāng)床層膨脹到一定程度，空隙率穩(wěn)定在某一數(shù)值上，空隙中流體的流速u1

穩(wěn)定于顆粒的ut

時(shí)，顆粒懸浮于流體中，便形成了流化床。（2）流化床隨著流體流量的增加和空隙率的減小，又出現(xiàn)因此，在流化床的范圍內(nèi)，每一個(gè)表觀氣速u對(duì)應(yīng)一個(gè)空隙率，表觀氣速越大，空隙率也越大。只要顆粒懸浮狀態(tài)，表明流體通過空隙時(shí)的實(shí)際速度u1不變，始終為顆粒的ut

。2/4/20237第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化（2）流化床需要特別指出的是，流化床原則上應(yīng)有一個(gè)明顯的上界面。在此界面之下的顆粒，u1=ut

。假設(shè)某個(gè)懸浮的顆粒由于某種原因離開了床層而進(jìn)入界面以上的空間，在該空間中（ε=1.0）該顆粒的表觀速度u即為其真實(shí)速度u1

u=u1＜ut

故顆粒必然回落到界面上。流體由此可見，流化床存在的基礎(chǔ)是大量顆粒的群居。群居的大量顆?？梢酝ㄟ^床層的膨脹以調(diào)整空隙率，從而能夠在一個(gè)相當(dāng)寬的表觀速度范圍內(nèi)懸浮于流體之中。這就是流化床之可能存在的物理基礎(chǔ)。2/4/20238第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化很顯然，如果將流體的流量（流速）逐漸減小，則將由流化床轉(zhuǎn)化為固定床。如果流體（氣體）流量繼續(xù)增加，始終出現(xiàn)u1＞ut的關(guān)系，始終up＞0，則顆粒被帶出床外，此時(shí)，稱為顆粒輸送階段。此時(shí)的流體表觀速度u稱為帶出速度。在帶出狀態(tài)下床截面上的空隙率即認(rèn)為是1.0，此時(shí)u=u1

。顯然，帶出速度u數(shù)值上等于ut

。據(jù)此原理，可以實(shí)現(xiàn)固體顆粒的氣力輸送或液力輸送。流化床的操作范圍：umf~ut

（3）顆粒輸送階段流體2/4/20239第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化5.4.2實(shí)際的流化現(xiàn)象散式流化聚式流化（鼓泡流化）兩類散式流化：一般發(fā)生于液—固系統(tǒng)床內(nèi)固體顆粒充分混合，流化床的上界面清晰，接近于理想流化床。聚式流化：一般發(fā)生于氣—固系統(tǒng)當(dāng)表觀氣速超過起始流化速度umf而開始流化后，床內(nèi)出現(xiàn)一些空穴，氣體將優(yōu)先取道穿過各個(gè)空穴至床層頂部逸出。由于“氣泡”在界面處破裂，床層上界面頻繁地起伏波動(dòng)，界面以上的空間也會(huì)存在一定量的固體顆粒。流化床界面以上的區(qū)域稱為稀相區(qū)，流化床界面以下的區(qū)域稱為濃相區(qū)。2/4/202310第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化流體

5.4.3流化床的主要特性----恒定的總壓降流化床的橫截面積A,床層高度L，床內(nèi)所有顆粒的質(zhì)量m，顆粒的密度ρp流體的密度ρ，截面1的壓強(qiáng)P1

，截面2的壓強(qiáng)P2

。方向向上的力之和=方向向下的力之和如果忽略浮力特別注意：總床層高度上的壓降近似等于單位截面床內(nèi)固體顆粒的重量，與流體速度無關(guān)，是定值。但是，單位床層高度上的壓降隨著流體速度增加而減小?？偞矊痈叨壬系膲航?/4/202311第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化例5－4床層固存量的近似估計(jì)注意：在流化床的范圍內(nèi)，隨著氣體速度的增加，床層高度L逐漸增加，盡管總床的壓降基本不變。但是，單位床層高度上的壓降是變化（減小）的。在某一各處均勻狀態(tài)的流化床中，2/4/202312第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化根據(jù)第4章中的歐根方程，對(duì)于小顆粒(Rep＜20）又可以利用固定床壓降的計(jì)算式（5-40）（1）流化床的壓降（2）固定床的壓降此時(shí)，床層壓降既符合固定床計(jì)算式，又符合流化床計(jì)算式。設(shè)流化床的床層高度為L(zhǎng)，床層空隙率為ε，則此時(shí)，床層壓降既符合固定床計(jì)算式，又符合流化床計(jì)算式。5.4.4流化床的操作范圍1、起始流化速度umf2/4/202313第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化Xi----各種粒度的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2/4/202314第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化2/4/202315第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化起始流化速度umf

(5-42)式，最小帶出速度ut

，此速度范圍稱為流化速度范圍。流化床的實(shí)際操作速度與起始流化速度umf之比稱為流化數(shù)。P162例5－6流化床的操作范圍壓力流體2/4/202316第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化流化質(zhì)量是指流化床內(nèi)流體分布及流---固兩相接觸的均勻程度。提高流化質(zhì)量的措施：1、增加分步板的阻力(達(dá)到流體分布均勻)，2、采用內(nèi)部構(gòu)件(設(shè)置水平擋板和垂直構(gòu)件,限制大尺度的空穴)，3、采用寬粒徑分步的顆粒(小顆粒帶出,經(jīng)過旋風(fēng)分離器收集后，再通入流化床中）。4、采用細(xì)顆粒、較高氣速的操作條件。5.4.5流化質(zhì)量2/4/202317第5章顆粒的沉降和固體流態(tài)化5.5氣力輸送（簡(jiǎn)介）利用氣體在管內(nèi)的流動(dòng)來輸送粉狀固體的方法稱為氣力輸送?？諝馐亲畛Ｓ玫妮斔徒橘|(zhì)，但若是輸送易燃、易爆粉料時(shí)，則用惰性氣體。氣力輸送的主要優(yōu)點(diǎn)：1、系統(tǒng)密閉，可避免物料飛揚(yáng)，減少物料損失，同時(shí)改善了勞動(dòng)條件。2、輸送管線不受地形限制，在無法鋪設(shè)道路或安裝輸送機(jī)械的地方尤為適宜。3、設(shè)備緊湊，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、自動(dòng)化操作，便于同連續(xù)的化工過程相銜接。4、在氣力