固体流态化和气力输送.doc

第六章固体流态化和气力输送第一节概述流态化：流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触而转变成类似流体状态的操作由定义可以看出流态化是由固体颗粒和流体两种基本介质构成流体包括气体和液体因此流态化按流体介质分类可分为：r气一固流态化v液一固L气一液一固流态化技术近二、三十年来发展很快，它被广泛地应用在制药、化工、炼油、食品加工等工业领域，掌握流态化的基本概念是非常必要的例如制药厂的造粒、干燥；化工厂的萘氧化制苯酐、丙烯生产；炼厂的催化裂化装置；食品加工中的干燥及运输等本节是从颗粒与流体的相对运动来分析流态化过程的一些基本概念第二节固体流态化一、流化床的基本概念1、流态化现象：当流体自下而上通过颗粒床层时，可能出现以下几种情况：a）当流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙穿过这种情况已在第四章作过讨论,称为固定床，如图5-13a所示b）当流速继续增大，颗粒开始松动，颗粒位置也在一定区间进行调整，床层略有膨胀，但颗粒还不能自由运动如果流速再继续升高，这时颗粒全部悬浮在向上流动的气体或液体中，随着流速增大，床层高度也随之升高，这种情况称为流化床，如图5-13b所示c）当流速再升高达到某一极值时，流化床上界面消失，颗粒分散悬浮在气流中，被气流所带走,这种状态称为气流输送，如图(r)图5-13不同流速下床层状态的变化在流化床阶段，床层有一明显的上界面，这时称为密相流化床或称为床层的密相段，气一固系统的密相流化床，看起来很像沸腾着的液体，并且在很多方面都呈现类似液体的性质。

1）当容器倾斜，床层上表面保持水平（如图5-14a）；（2）两床层连通，它们的床层能自行调整至同一水平面（如图5-14b）；（3）床层中任意两点压力差大致等于此两点的床层静压头（如图5-14C）;4）流化床层也象液体一样具有流动性，如容器壁面开孔，颗粒将从孔口喷出并可像液体一样由一个容器流入另一个容器（如图5-14d）图5-14气体流化床类似于液体的性状由于流化床层具有液体的某些性质，因此在一定状态下，流化床层有一定的密度、导热系数、比热和粘度等2、压降与流速的关系表观气速（空管流速）：流量以空管截面积表示的流速如果流体自下而上通过颗粒床层，理想情况下通过床层的压降△Pb与表观气速u的关系如图5-15所示BCDUmflog△Pblogu图5-15流化床“Pb—u关系（1）固定床阶段床层压降厶Pb随流速的增加而增大，对应于图5-15的A—B段对细颗粒，它服从第四章式4-21所述的△Pb与u的关系週=ka_^uL；3匚一一床层空隙率，在固定床阶段为定值;a――为比表面，颗粒尺寸一定时为定值当流速由A点增大至B点，床层开始膨胀，颗粒发生振动重新排列，但还不能自由运动，如图5-15的BC段所示。

2）流化床阶段当流速进一步增至umf点时，床层开始流化，颗粒开始悬浮在流体中可以自由运动，床层受力情况为：浮力（向上）=LmfA（1-；"）©(SI)(SI)£mfLmf重力（向下）=LmfA（1一；mf）Jpg阻力=APb当几种力平衡时，即开始流化，即重力=浮力+阻力LmfA（1-mf）"pg=LmfA（1-；mf）g氏-PB整理后得：Pb-Lmf（^；mf）（订一，）g（5-30a）如果在临界点后流速继续增大，U>Umf时，由于颗粒的重量不变，即L（1-；）A〃p=Lmf（1-；mf）A「p因此，L（1-;）等于定值，故：PB不变，因此R二L（1-；）（p-'g）（5-30b）在气一固系统，'-p.，「可忽略，（5-30b）变为PbL（―J:\gAa=Wa（5-30c）即约等于单位面积床层的重量3）气流输送阶段当流速继续增大至某一数值后，床层上界面消失，床层空隙率增大，所有颗粒都悬浮在气流中并被气流带走，这时气流中颗粒浓度降低，由密相转变为稀相，这种状态称为气流输送，此阶段的起始点的速度称为带出速度或最大流化速度，以ut表示△P~u关系将在下一节讨论3、实际流化床与理想状况的差异压降对流速的关系图，可以从宏观上粗略表示流化质量，特别是当不能用肉眼直接观测流化状态时，可以凭借此图来判明设备内流化情况的好坏。

因此，分析实际流化床与理想状况的差异，可以有助于了解床层的流化质量1）当U>Umf时，可能出现两种情况的流化床散式流态化：床层均匀膨胀，无气泡出现，床面稳定，常出现在液一固系统聚示流态化：出现不连续的气泡相，床面波动，压降波动，常见于气一固系统F「mf2UmfgdpCv0.13时，为散式流态>1.5时，为聚式流态化log△Pb图5-16颗粒架桥嵌接对压降的影响(3) 床层结构不均匀对压降的影响：此时可能出现部分流化，即床层中同时存在固定和流化区域，因此压降低于预计值,而床层全部流化的速度Ufs也将比预计的高，如图5-17所示log△Pblogu图5-17床层结构不均匀对压降的影响、流化床的操作范围1、起始流化速度Umf是从固定床转变为流化床时的速度，又称临界流化速度，是流化床操作的下限对固定床•IKa2（1「）2九L上式也应适用于固定床和流化床的分界点,a2（1-；mf）2九mfLmf3mfPb九肝（1-F）（「p-'）g由于颗粒间的相互接触，部分颗粒可能有架桥、嵌接等情况，在开始流化时，压降有5-16所示可能比理论值大，曲线将通过一最大压降点而呈现一峰状，如图两式联立可求得3-mf(1-；mf)a2」对任意形状的颗粒,由第三章知a二dp（比表面）式中的K.5.0（Rep<2时，康采尼常数，P154）此时Umfm」2dpk'p-Jg对于光滑球体此时对于具有任意形状的颗粒,李伐(M.Leva)当RepV5时,当Rep>5时，按「180（仁；mf）f2=C180(1-；mf)mf；mf04—1.0,(4-11)Cmf称为最小流化系数Cmf=0.00059umf=0.00059dp°p一：)gmf，‘难以确定，一般采用试验法确定综合许多实验数据得到Cmf与Rep的关系。

Cmf=0.0007Re73Umf巾00923曙一犷I0.88-■0.6（4-14）计算出的Umf要进行修正dpUmf'(4-12)Cmf值4-13)(4-14)先由（4-14）计算出Umf作为初值，由Rep=pJ查图4-9得到校正因子fGUmf=fG，Umf确定Umf最可靠的方法是实测通过测得厶例4-2,P2042、带出速度ut带出速度Ut是流化床中流体速度的上限,P~u关系，求umf是设计、操作的一个基本参数球形颗粒（当RepV2时）Utd；(Dg18"对非球形颗粒，可对球形颗粒的Ut加以修正修正系数__球形度W=0.843lg/0.O65流化数F=U/Umf:操作气速与起始流化速度之比般流化床的流化数F在10~100之间，但对于细颗粒，由于床层中粒团的存在，流化数可u=0.8~1.2m/s高达1000以上仍能正常操作如催化裂化装置的再生器Umf如例4-2计算得5.9X10-4m/s三、流化床的密相区和分离高度1、密相区高度与床层的空隙率在设计时床层中的固体颗粒加入量（藏量）是由工密相床高L是流化床结构设计的重要参数艺条件决定的m与£,L之间的关系为：m二ALmf（1-；mf）'p-AL（1-；）订（4-14）由（4-14）式有LLmf1』4lOOpLiiifl10Z（1jq'50%逋*Sa*ft1'令R二丄Lmf膨胀比R=—:操作时密相床高和临界流化状态时的密相床高之比—f对气一固系统，影响床层膨胀比的因素较多，如颗粒物性，床尺寸，流体物性，表观气速等。

图4-10给出了床层和表观气速u对R的影响2、分离高度（TDH）TransportDisengagingHeight定义：由于床层气泡的破裂引起颗粒浓度沿轴相高度递减，当达到距床面某一高度后，颗粒浓度基本不再随高度发生变化，此高度称为输送分离高度，简称分离高度TDHTDH=f（颗粒物性、气体物性、结构尺寸、表观气速……）对FCC催化剂:TDHdpDP_P=5.385[浮）0.346（pg）q‘93R0p5350.443]104dPPgdpMgdp――平均粒径四、高速流态化1、概述当鼓泡流化床中的气速逐步提高时，床层中气、固两相的非均匀性会逐渐减弱，进人湍流流化区域后，气泡的破碎加剧，气泡尺寸较小而且较均匀，床层表现出近于均相的行为如气速进一步增高到超过颗粒的输送速度，则颗粒的带出速度迅速增大，如没有颗粒的循环或补充，则成为一气输床，床内悬浮颗粒的浓度不仅取决于气速，也与颗粒的加入速度有关如颗粒流率小，则呈稀相流动，如颗粒通过外旋风及料腿源源不断输回床中时，床中就会存在较高的颗粒浓度而成为快速床从湍流床到快速床，都属于高速流态化的范畴流太化相图：湍流床：在湍流床中，床层密度有所降低，气泡变的小而均匀，床层脉动变小，表现出较好的均匀性，固体的夹带量比鼓泡床要大得多，床层界面变的不清。

高速床（快速床）：气泡消失变成连续相，固体则以粒团的形式形成浆状物结构如果不向床层大量补充固体颗粒，则在很短的时间内会将全部床层内的颗粒夹带出去床层密度=f(u,Gs)pB随u的增大而减小，随Gs增大而增大IAOIDO5()图4-14pB—u—Gs关系形成快速床的条件：「细颗粒vU>Ut-Gs>0高速床的优点：(1) 气一固分散较好气一固之间接触良好，具有较好的传质、传热性能气速高、生产能力高完成一定生产任务，设备小而紧凑，所需催化剂藏量低，有利于催化剂活性的提高(2) 放大效应小4)气体反混小，基本上接近活塞流第三节气力输送一、气力输送及其优缺点定义：气力输送是在管道中使气体保持一定的速度，此速度足以使加入管道中的固体颗粒随同气流一起运动并输送到指定地点输送介质：十空气L惰性气体(对输送易燃、易爆材料时)气力输送的主要优点：(1) 系统密闭，可避免粉尘飞扬，减少物料损失，改善劳动条件(2) 输送管线不受地形限制，在无法铺设管道或安装输送机械的地方尤为适宜(3) 设备紧凑，易实现连续化、自动化操作(4) 输送量大，操作费用低(5) 应用范围宽，可进行干燥、粉碎、冷却、加热等操作中缺点：(1) 能耗相对较高(2) 对管道的磨损严重。

分类：稀相输送」密度：pv100kg/m3|固气比：k=0.1〜25kg固体/kg气体密相输送「密度：p>100kg/m3k=w固/w气固气比：k=25〜数百固气比：指单位质量气体所输送的固体量w固、w气一一kg/m2s二、密相输送（一）粘附滑移流动与充气流动密相流动厂粘附滑移流动：颗粒呈跳跃式滑动向下流动，颗粒之间比较紧密，此时易于出现架桥等事故齐充气流动：也称流化床流动，即使固体颗粒流化起来的流动，此时气一固流动的性「能较好，输送量比粘附滑移流动大的多密相流动的四种情况高压谊压低压在时的充弋濫动A,枯附滑科流殆图4-17（a）气固均向上运动由于固体向上运动，因此必须被流化起来，故只能是充气流动，不会出现粘附滑移流动（气体从高压到低压）（b）气体从高压到低压；固体从低压到高压可出现两种流动形态：△U>Umf时为充气流动△UVUmf时为粘附滑移。