固体流态化和气力输送.docx

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概念能够看出流态化是由固体颗粒和流体两种大体介质组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：广 气一固流态化 1 液一固L 气一液一固流态化技术近二、三十年来进展专门快，它被普遍地应用在制药、化工、炼油、食物加工等工 业领域，把握流态化的大体概念是超级必要的例如制药厂的造粒、干燥；化工厂的萘氧化制苯酎、 丙烯生产；炼厂的催化裂扮装置；食物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进程的一些大体概念第二节固体流态化一、流化床的大体概念一、流态化现象：当流体自下而上通过颗粒床层时，可能显现以下几种情形：a） 当流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的裂缝穿过这种情形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，颗粒位置也在必然区间进行调整，床层略有膨胀，但颗粒还 不能自由运动若是流速再继续升高，这时颗粒全数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，这种情形称为流化床，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5-13c所示图5-13不同流速下床层状态的转变在流化床时期，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，而且在很多方面都呈现类似液体的性质1） 当容器倾斜，床层上表面维持水平（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，因此在必然状态下，流化床层有必然的密度、导热系数、 比热和粘度等二、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若是流体自下而上通过颗粒床层，理想情形下通过床层的压降^PB与表观气速u的关系如图5-15 所示图5-15流化床△ PB-u关系(1) 固定床时期床层压降^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的关系斗=K，d)i 叫 (SI)L 8 38——床层间隙率，在固定床时期为定值；a——为比表面，颗粒尺寸一按时为定值当流速由A点增大至B点，床层开始膨胀，颗粒发生振动从头排列，但还不能自由运动，如 图5-15的BC段所示2) 流化床时期当流速进一步增至umf点时，床层开始流化，颗粒开始悬浮在流体中能够自由运动，床层受力 情形为:重力（向下）=LfA（1 -8河）?尸幺浮力（向上）=L A（l-8 ） Pgmf mf阻力=AAPB当几种力平稳时，即开始流化，即重力=浮力+阻力(SI)(SI)L A(1 -8 )p g = L A(1 -8 )pg + AAPmf mf P mf mf B整理后得：AP = Lf(1 -8 J( p p-p) g (5-30a)若是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(1-8)Ap = L 寸(1-8「ApAP = L(1-8)(pB P-p) g(5-30b)因此，L（1-8）等于定值，故竺不变，因此在气一固系统，Pp》p， p可忽略，（5-30b）变成AP^L (1-8) p Pg<4 = .'A(5-30c)即约等于单位面积床层的重量。

3）气流输送时期当流速继续增大至某一数值后，床层上界面消失，床层间隙率增大，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，由密相转变成稀相，这种状态称为气流输送，现在期的 起始点的速度称为带出速度或最大流化速度，以ut表示AP〜u关系将在下一节讨论3、实际流化床与理想状况的不同压降对流速的关系图，能够从宏观上粗略表示流化质量，专门是当不能用肉眼直接观测流化状 态时，能够凭借此图来判明设备内流化情形的好坏因此，分析实际流化床与理想状况的不同，能 够有助于了解床层的流化质量1） 当u>umf时，可能显现两种情形的流化床散式流态化：床层均匀膨胀，无气泡显现，床面稳固，常出此刻液一固系统聚示流态化：显现不持续的气泡相，床面波动，压降波动，常见于气一固系统「一 V时，为散式流态Fr f =一学 〉时，为聚式流态化mf gdp(2) 由于颗粒间的彼此接触，部份颗粒可能有架桥、嵌接等情形，在开始流化时，压降有可能比理论值大，曲线将通过一最大压降点而呈现一峰状，如图5-16所示log/图5-16颗粒架桥嵌接对压降的阻碍(3) 床层结构不均匀对压降的阻碍：现在可能显现部份流化，即床层中同时存在固定和流化区域，因此压降低于估量值， 而床层全数流化的速度ufs也将比估量的高，如图5-17所示。

图5-17床层结构不均匀对压降的阻碍、流化床的操作范围1、起始流化速度umf是从固定床转变成流化床时的速度，又称临界流化速度，是流化床操作的下限对固定床AP_ 矿2(1-8)2"^X1 — 上式也应适用于固定床和流化床的分界点，△P — K' O 2" 8mf " ""mfLmf8 3mf光”/-8/(Pp-P) g两式联立可求得 u = ~- - @~0g时 K '(1 -£ ) a 2 日对任意形状的颗粒，由第三章知a =—] (比表面)中dPy 1 *子- pi现在令关于滑腻球体式中的K' =5.0(Rep<2时，康采尼常数，P154)£ 3 中 2 d 2( p -p ) gUmf - 180(1-£ ) • 〃 九 (4-11)mf£ 3中2 180(1-£ f) — mfCmf称为最小流化系数现在心"0, Cmf=d2 (p — p) g u f = 0.00059 p(4-12)关于具有任意形状的颗粒，£间,9难以确信，一样采纳实验法确信Cmf值 李伐()综合许多实验数据取得Cmf与Rep的关系当 RepV5 时， C f = 0.0007R-0.063 ( 4-13)d 1.82[ p ( p - p )]0.94那么 u 寸=0.00923 — (4-14) 当Rep>5时，按(4-14)计算出的umf要进行修正=fG '"mfd u' p先由(4-14)计算出u'作为初值，由R =^^—查图4-9取得校正因子fG u f ep |H G mf确信umf最靠得住的方式是实测通过测得^P〜u关系，求umf 例 4-2，P204二、带出速度ut带出速度ut是流化床中流体速度的上限，是设计、操作的一个大体参数。

球形颗粒(当RepV2时)d2(p -p)g u 二―1p8 对非球形颗粒，可对球形颗粒的ut加以修正修正系数W= °-843l§ ^0.065一一球形度流化数可流化数F=u/umf:操作气速与起始流化速度之比一样流化床的流化数F在10~100之间，但关于细颗粒，由于床层中粒团的存在，高达1000以上仍能正常操作如催化裂扮装置的再生器u=〜sumf如例4-2计算得X 10-4m/s三、流化床的密相区和分离高度1、密相区高度与床层的间隙率密相床高L是流化床结构设计的重要参数在设计时床层中的固体颗粒加入量（藏量）是由工 艺条件决定的m与八L之间的关系为：m = AL f （1-£ f）p = AL（1-£）Pp （4-14）令R=卜 mf由(4-14)式有 二=—―mL 1 omf上，八 L ，，，—，—、，，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mf对气一固系统，阻碍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的阻碍2、分离高度（TDH） Transport Disengaging Height概念：由于床层气泡的破裂引发颗粒浓度沿轴相高度递减，当达到距床面某一高度后，颗粒浓度大体再也不随高度发生转变，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:^^^ = 5.385[(D)0.346( Pp ~PS )-0.393 R0.535 + 0.443]X 104d d p epR = dpU Pg d。

一_平均粒径ep 旦 P四、高速流态化1、概述当鼓泡流化床中的气速慢慢提高时，床层中气、固两相的非均匀性会慢慢减弱，进人湍流流化 区域后，气泡的破碎加重，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，那么颗粒的带出速度迅速增大，如没有颗粒的循环或补充，那么成为 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，那么 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围流太化相图：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)：气泡消失变成持续相，固体那么以粒团的形式形成浆状物结构若是不向 床层大量补充固体颗粒，那么在很短的时刻内会将全数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l MIE W 耶 300 4*KI 51". I m 册 7fl：i图 4-14 PB-u-GS关系形成快速床的条件：「细颗粒日 u>utJ Gs>0高速床的优势：(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(2) 气速高、生产能力高完成必然生产任务，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(3) 放大效应小(4) 气体反混小，大体上接近活塞流第三节气力输送一、气力输送及其优缺点概念：气力输送是在管道中使气体维持必然的速度，此速度足以使加入管道中的固体颗粒随同 气流一路运动并输送到指定地址输送介质：彳空气L 惰性气体(对输送易燃、易爆材料时)气力输送的要紧优势：(1) 系统密闭，可幸免粉尘飞扬，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址尤其适宜(3) 设备紧凑，易实现持续化、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) 对管道的磨损严峻分类： __稀相输送」 密度：P〈100kg/m3I 固气比：k=〜25 kg固体/kg气体密相输送 J 密度：P>100kg/m31_固气比：k=25。