固体流态化—颗粒.ppt

流体流体—固体颗粒间的运动与流态化固体颗粒间的运动与流态化•1．本章学习目的．本章学习目的 •通过本章学习能够利用流体力学原理实现非均相物系分离（包括沉降分离和过滤分离），掌握过程的基本原理、过程和设备的计算及分离设备的选型•建立固体流态化的基本概念2. 本章应掌握的内容本章应掌握的内容 （1）颗粒及颗粒床层特性（2） 固体流态化现象 注意学习对复杂的工程问题进行简化处理的思路和方法 •一．混合物的分类一．混合物的分类 •自然界的大多数物质为混合物混合物分为两类：•1．均相混合物．均相混合物　　若物系内各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物如溶液及混合气体属于此类均相混合物组分的分离采用传质分离方法 2．非均相混合物．非均相混合物 •由具有不同物理性质（如尺寸、密度差别）的分散物质（分散相）和连续介质（连续相）所组成的物系称为非均相物系或非均相混合物显然，非均相物系中存在相界面，且界面两侧物料的性质不同二．非均相混合物分离方法的分类二．非均相混合物分离方法的分类 三．非均相混合物分离的目的三．非均相混合物分离的目的 •（1）收集分散物质例如收取从气流干燥器或喷雾干燥器出来的气体以及从结晶器出来的晶浆中带有的固体颗粒，这些悬浮的颗粒作为产品必须回收；又如回收从催化反应器出来的气体中夹带的催化剂颗粒以循环使用。

再如某些金属冶炼过程中，有大量的金属化合物或冷凝的金属烟尘悬浮在烟道气中，收集这些烟尘不仅能提高该种金属的收率，而且是提炼其它金属的重要途径•（2）净化分散介质某些催化反应，原料气中夹带有杂志会影响触媒的效能，必须在气体进反应器之前清除催化反应原料气中的杂质，以保证触媒的活性•（3）环境保护与安全生产为了保护人类生态环境，消除工业污染，要求对排放的废气、废液中的有害物质加以处理，使其达到规定的排放标准；很多含碳物质与金属细粉及空气混合会形成爆炸物，必须除去这些物质以消除爆炸的隐患颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性 •1.学习目的学习目的 •通过学习掌握确定颗粒、颗粒床层特性参数以及流体流速床层压降的计算方法•2．本知识点的重点．本知识点的重点 •球形颗粒和非球形颗粒的大小和特性参数的计算，特别是非球形颗粒球形度及体积当量直径的计算•颗粒群粒度分布及平均粒径的计算•床层孔隙率、比表面积及压降的计算•3．本知识点的难点．本知识点的难点 •本知识点无难点一．单一颗粒的特性一．单一颗粒的特性 •表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小（体积）及表面积•（一）球形颗粒（一）球形颗粒•不言而喻，球形颗粒的形状为球形，其尺寸由直径d来确定，其它有关参数均可表示为•直径d的函数，诸如•体积•表面积•比表面积（单位颗粒体积具有的表面积）•d――球形颗粒的直径，m；S――球形颗粒的表面积，m2； V――球形颗粒的体积，m3；a――颗粒的比表面积，m2/m3。

•（二）非球形颗粒（二）非球形颗粒 •非球形颗粒必须有两个参数才能确定其特性，即球形度和当量直径•1．球形度．球形度φS •颗粒的球形度又称形状系数，它表示颗粒形状与球形的差异，定义为与该颗粒体积相等的球体的表面积除以颗粒的表面积，即•φS＝ 式中•φS――颗粒的球形度或形状系数，无因次；S――与该颗粒体积相等的球体的表面积，m2；SP――颗粒的表面积，m2 由于同体积不同形状的颗粒中，球形颗粒的表面积最小，因此对非球形颗粒，总有φS﹤1，颗粒的形状越接近球形，φS越接近1；对球形颗粒，φS＝1•2．颗粒的当量直径．颗粒的当量直径 •工程中，经常将非球形颗粒以某种“当量”的球形颗粒来代替，以使非球形颗粒的某种特性与球形颗粒等效，这一球粒的直径为当量直径当量直径表示非球形颗粒的大小根据不同方面的等效性，通常有两种表示方法；•（1）等体积当量直径 颗粒的等体积当量直径为与该颗粒体积相等的直径，即•de= 式中•de――颗粒的等体积当量直径，m；VP――颗粒的体积，m3。

•（2）等比表面积当量直径 即与非球形颗粒比表面积相等的直径为该颗粒的等比表面积当量直径有• 式中•――颗粒的等比表面积当量直径，m； •颗粒的等体积当量直径和等比表面积当量直径之间的关系：• φsde•所以说，非球形颗粒的等比表面积当量直径一定小于其等体积当量直径•用上述的形状系数及当量直径便可表述非球形颗粒的特性，即非球形颗粒的特性非球形颗粒的特性  表3-2 泰勒标准筛孔 径孔 径目 数（英寸）μm目 数（英寸）μm3468101420350.2630.1850.1310.0930.0650.0460.03280.016466804699332723621651116883341748651001502002704000.01160.00820.00580.00410.00290.00210.0015295208147104745338二、颗粒群的特性二、颗粒群的特性 • 工业中遇到的颗粒群可分为两类：若颗粒群是由大小不同的粒子组成的集合体，称为非均一性粒子或多分散性粒子；而将具有同一粒径的颗粒群称为单一性或单分散性粒子。

显然，多分散性粒子才需讨论其粒度分布和平均参数•1．颗粒群的粒度分布．颗粒群的粒度分布• 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量称为粒度分布颗粒粒度的测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电感应法、激光衍射、动态光散射法等，这里介绍筛分法• 筛分是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度分成两个或多个不同粒级产品的过程它是机械分离方法分离固－固混合物的操作筛分时，筛面上有筛孔，尺寸小于筛孔尺寸的物料通过筛孔，称为筛下产品，其质量称为筛过量；尺寸大于筛孔尺寸的物料被截留在筛面上，称为筛上产品，其质量称为筛余量若用n层筛面，可得n+1种产品• 筛分分析是在一套标准筛中进行的，标准筛的筛网为金属丝网，各国标准筛的规格不尽相同，常用的泰勒制是以每英寸边长的孔数为筛号，称为目例如100目的筛子表示每英寸筛网上有100个筛孔表3-2是泰勒标准筛的目数和对应孔径的节录•2．粒群的平均直径．粒群的平均直径•停留在第i层筛网上的颗粒的平均直径dpi>值可按di-1>和di>的算术平均值计算，即•根据各号筛网上截留的颗粒质量，可以计算出直径为dpi>的颗粒占全部样•品的质量分率xi>，再根据实测的各层筛网上的颗粒质量分率，按下式可•计算出颗粒群的平均直径为• 式中 •――颗粒群的平均直径，m；• ――粒径段内颗粒的质量分率；• >――被截留在第i层筛网上的颗粒的平均直径,m。

•3．颗粒的密度．颗粒的密度•单位体积内粒子的质量称为密度，其单位为kg/m3若粒子的体积不包括颗粒之间空隙，则称为粒子的真密度，用ρS>表示；若粒子所占体积包括颗粒之间空隙，则称为堆积密度或表观密度，用ρb>表示设计颗粒贮存设备时，应以堆积密度为准三．颗粒床层的特性三．颗粒床层的特性 •（一）床层的空隙率一）床层的空隙率•床层中颗粒之间的空隙体积与整个床层体积之比称为空隙率（或称空隙度），以ε表示，即•式中•ε－床层的空隙率，m3/m3；• 空隙率的大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床层直径的比值、床层的填充方式等因素有关• 对颗粒形状和直径均一的非球形颗粒床层，其空隙率主要取决于颗粒的球形度和床层的填充方法 非球形颗粒的球形度越小，则床层的空隙率越大由大小不均匀的颗粒所填充成的床层，小颗粒可以嵌入大颗粒之间的空隙中，因此床层空隙率比均匀颗粒填充的床层小• 粒度分布越不均匀，床层的空隙率就越小；颗粒表面愈光滑，床层的空隙率亦愈小因此，采用大小均匀的颗粒是提高固定床空隙率的一个方法• 空隙率在床层同一截面上的分布是不均匀的，在容器壁面附近，空隙率较大；而在床层中心处，空隙率较小。

器壁对空隙率的这种影响称为壁效应壁效应使得流体通过床层的速度不均匀，流动阻力较小的近壁处流速较床层内部大改善壁效应的方法通常是限制床层直径与颗粒直径之比不得小于某极限值若床层的直径比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略• 床层的空隙率可通过实验测定• 一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层的空隙率大致在0.47～0.7之间 • 均匀的球体最松排列时的空隙率为0.48，最紧密排列时的空隙率为0.26•（二）床层的自由截面积（二）床层的自由截面积• 床层截面上未被颗粒占据的流体可以自由通过的面积，称为床层的自由截面积• 小颗粒乱堆床层可认为是各向同性的各向同性床层的重要特性之一是其自由截面积与床层截面积之比在数值上与床层空隙率相等同床层空隙率一样，由于壁效应的影响，壁面附近的自由截面积较大•（三）床层的比表面积（三）床层的比表面积•床层的比表面积是指单位体积床层中具有的颗粒表面积（即颗粒与流体接触的表面积）如果忽略床层中颗粒间相互重叠的接触面积，对于空隙率为ε的床层，床层的比表面积ab(m2/m3)与颗粒物料的比表面积a具有如下关系：•ab＝a(1-ε )床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即•式中• ――颗粒的堆积密度，kg/m3；• ――颗粒的真实密度，kg/m3。

四四. 流体通过固定床流动的压力降流体通过固定床流动的压力降 •1．床层的简化模型．床层的简化模型• 细小而密集的固体颗粒床层具有很大的比表面积，流体通过床层的流动多为爬流，流动阻力基本上为粘性摩擦阻力，同时使整个床层截面速度的分布均匀化为解决流体通过床层的压力降计算问题，在保证单位床层体积表面积相等地前提下，将颗粒床层内实际流动过程大幅度加以简化，以便可以用数学方程式加以描述• 经简化而得到的等效流动过程称之为原真实流动过程的物理模型• 简化模型是将床层中不规则的通道假设成长度为L，当量直径为　 的一组平行细管，并且规定：•（1）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；•（2）细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积• 以1m3床层体积为基准，细管的当量直径可表示为床层空隙率ε及比表面积ab的函数，即对球形颗粒而言•2．流体通过床层压降的数学描述．流体通过床层压降的数学描述•根据前述简化模型，流体通过一组平行细管流动的压降为•　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—流体通过床层的压降，•Pa; L—床层高度，m；• deb－床层流道的当量直径，m； 　　　　　　　　•u1－流体在床层内的实际流速，m/s；　　 •u1与按整个床层截面计算的空床流速u的关系为即为流体通过固定床压降的数学模型，式中的 为流体通过床层流道的摩擦系数，称为模型参数，其值由实验测定。

固体流态化技术固体流态化技术•（一）流态化现象（一）流态化现象 •当流体以不同速度由下向上通过固体颗粒床层时，根据流速的不同，可能出现以下几种情况•首先讨论均匀颗粒组成的理想流化床•1．固定床阶段．固定床阶段　　当流体空塔速度较低时，颗粒所受的曳力较小，能够保持静止状态，流体只能穿过静止颗粒之间的空隙而流动，这种床层称为固定床，如图片3-30(a)所示，床层高度为L0不变 •保持固定床状态的流体最大空塔速度为 •式中•ε----固定床的空隙率，m3/m3；ut----颗粒的带出速度，即沉降速度，m/s•2．流化床阶段．流化床阶段(1) 临界流化状态 当流体空塔速度u稍大于 时，颗粒床层开始松动，颗粒位置也在一定区间内开始调整，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由运动，床层的这种情况称为初始流化或临界流化，所示，此时床层高度为Lmf，空塔气速称为初始流化速度或临界流化速度，以umf表示 •（2）流化床 当颗粒间流体的实际速度u1(=u/ε)等于颗粒的沉降速度ut时，固体颗粒将悬浮于流体中作随机运动，床层开始膨胀、增高，空隙率也随之增大，此时颗粒与流体之间的摩擦力恰好与其净重力相平衡此后床层高度将随流速提高而升高，但颗粒间的实际流速恒等于ut，这种床层具有类似于流体的性质，故称为流化床。

•原则上，流化床有个明显的上界面•（3）稀相输送床阶段 若流速再升高达到某一极限时（u1＞ut），流化床的上界面消失，颗粒分散悬浮于气流中，并不断被气流带走，这种床层称为稀相输送床，颗粒开始被带出的速度称为带出速度，其数值等于颗粒在该流体中的沉降速度•（4）狭义流化床和广义流化床 狭义流化床特指上述第二阶段（即流化床阶段），广义流化床泛指非固定阶段的流固系统，其中包括流化床、载流床、气力或液力输送•（二）实际流化床中两种不同流化形式（二）实际流化床中两种不同流化形式•1．散式流化．散式流化•　　在流态化时，通过床层的流体称为流化介质散式流化的特点是固体颗粒均匀地分散在流化介质中，接近于理想流化床，故亦称均匀流化随流速增大，床层逐渐膨胀而没有气泡产生，颗粒间的距离均匀增大，床层高度上升，并保持稳定的上界面通常，两相密度差小的系统趋向于散式流化，故大多数液－固流化属于“散式流化”•2．聚式流化．聚式流化•　　对于密度差较大的气－固流化系统，一般趋向于形成聚式流化在气－固系统的流化床中，超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层，上升至床层上界面时破裂，这些气泡内可能夹带有少量固体颗粒。

此时床层内分为两相，一相是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连续相，称为乳化相；另一相则是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相由于气泡在床层中上升时逐渐长大、合并，至床层上界面处破裂，因此，床层极不稳定，上界面亦以某种频率上下波动，床层压降也随之相应波动•（三）流化床的主要特（三）流化床的主要特性性•1．流化床恒定的压降．流化床恒定的压降•（1）理想流化床•在理想情况下，流体通过颗粒床层时，克服流体阻力产生的压降与空塔气速之间的关系如图(3-31)所示，大致可分为以下几个阶段：①固定床阶段 ②流化床阶段 与C点对应的流速称为临界流化速度umf 它是最小流化速度 相应的床层空隙率称为临界空隙率emf•　　①固定床阶段此时气速较低，床层静止不动，气体通过床层的空隙流动，随气速的增加，气体通过床层的摩擦阻力也相应增加如图3-30中AB段所示•　②流化床阶段 当流速继续增大超过C点时，床层开始松动，颗粒重排，床层空隙率增大，逐渐地颗粒开始悬浮在流体中自由运动，床层的高度亦随气速的提高而增高，但整个床层的压力降仍保持不变，仍然等于单位面积的床层净重力 •流化阶段中床层的压力降，可根据颗粒与流体间的摩擦力恰与其净重力平衡的关系求出，即••式中 Lmf――开始流化时床层的高度。

•随着流速的增大，床层高度和空隙率e都增加，而Dp维持不变，压降不随气速改变而变化是流化床的一个重要特征根据这一特点，可通过测定床层压降来判断流化质量优劣整个流化床阶段的压力降为••（2）实际流化床•实际流化床的情况比较复杂，其Dp-u关系曲线如图(3-32)所示它与理想流化床Dp-u曲线的主要区别是：•　①在固定床区域AB和流化床区域DE之间有一个“驼峰”BCD，这是因为固定床的颗粒间相互挤压，需要较大的推动力才能使床层松动，直至颗粒达到悬浮状态时，压降Dp便从“驼峰”段降到水平段DE段，此后降基本不随气速而变，最初的床层愈紧密，“驼峰”段越陡峭•　②由于流化床阶段Dp保持不变，压降线DE应为水平线，而实际流化床中DE线右端略微向上倾斜这是由于气体通过床层时的压强降除绝大部分用于平衡床层颗粒的重力外，还有很少一部分能量消耗于颗粒之间的碰撞及颗粒容器壁之间的摩擦•　③在图3-31中还可见到DE线的上下各有一条虚线，这是气体流化床压力降的波动范围，而DE线是这两条线的平均值在气泡运动、长大、破裂的过程中产生压力降的波动•2．类似于液体的特点．类似于液体的特点•　在流化床中，气、固两相的运动状态就象沸腾的液体，因此流化床也称为沸腾床。

如图(3-33)所示流化床具有液体的某些性质，如具有流动性，无固定形状，随容器形状而变，可从小孔中喷出，从一个容器流入另一个容器；具有上界面，当容器倾斜时，床层上界面将保持水平，当两个床层联通时，它们的上界面自动调整至同一水平面；比床层密度小的物体被推入床层后会浮在床层表面上这种类似于液体的特性使操作易于实现连续化和自动化•3．床层内固体颗粒的均匀混合．床层内固体颗粒的均匀混合•　流化床内的固体颗粒处于悬浮状态并不停地运动，这种颗粒的剧烈运动和均匀混合使床层基本处于全混状态，整个床层的温度、组成均匀一致，这一特征使流化床中气固系统的传热大大强化，床层的操作温度也易于调控但颗粒的激烈运动使颗粒间和颗粒与固体器壁间产生强烈的碰撞与摩擦，造成颗粒破碎和固体壁面磨损；同时当固体颗粒连续进出床层时会造成颗粒在床层内的停留时间不均，导致固体产品的质量不均•　显然，流态化技术有优点也有缺点，掌握流态化技术，了解其特性，应用时扬长避短，可以获得更好的经济效益（四）流化床的不正常现象（四）流化床的不正常现象•腾涌现象主要出现在气-固流化床中若床层高度与直径之比值过大，或气速过高，或气体分布不均时，会发生气泡合并现象。

当气泡直径长到与床层直径相等时，气泡将床层分为几段，形成相互间隔的气泡层与颗粒层颗粒层被气泡推着向上运动，到达上部后气泡突然破裂，颗粒则分散落下，这种现象称为腾涌现象出现腾涌时，Dp-u曲线上表现为Dp在理论值附近大幅度的波动这是因为气泡向上推动颗粒层时，颗粒与器壁的摩擦造成压降大于理论值，而气泡破裂时压降又低于理论值•2．沟流现象．沟流现象•沟流现象是指气体通过床层时形成短路，大部分气体穿过沟道上升，没有与固体颗粒很好地接触由于部分床层变成死床，颗粒不是悬浮在气流中，故在Dp-u图上表现为低于单位床层面积上的重力，如图3-35所示•沟流现象的出现主要与颗粒的特性和气体分布板的结构有关粒度过细、密度大、易于粘连的颗粒，以及气体在分布板处的初始分布不均，都容易引起沟流（五）流化床的操作范围（五）流化床的操作范围•要使固体颗粒床层在流化状态下操作，必须使气速高于临界气速umf，而最大气速又不得超过颗粒带出速度•1．临界流化速度．临界流化速度umf•确定临界流化速度主要有两种方法，即实验测定法和关联式计算法•（1）实验测定法•测试装置如图3-35所示利用这套装置可测定固体颗粒床层从固定床到流化床，再从流化床回到固定床时压降与气体流速之间的相互关系，得到如图3-31的曲线，曲线上C’点所对应的流速即为临界流化速度。

•　　测定时常用空气作流化介质，实际生产时根据其所用的介质及其它条件加以校正设 为以空气为流化介质时测定的临界流化速度，则实际生产中的临界流化速度umf可用下式推算：式中 •ρ ----实际流化介质密度，kg/m3；•ρa----空气密度，kg/m3；•m----实际流化介质粘度，Pa·s；•ma----空气的粘度，Pa·s•（2）关联式计算法•对于单分散性固体颗粒，其临界流化速度为••对于多分散性粒子床层，则需通过关联计算•由于临界点是固定床到流化床的转折点，所以，临界点的压力降既符合流化床的规律也符合固定床的规律•当颗粒直径较小时，颗粒床层雷诺数Reb一般小于20时，•床层的临界空隙率emf的数据常常不易获得，对于许多不同系统，发现存在以下经验关系，即••可将此二经验关系式分别得到计算umf的两个近似式•对于小颗粒•对于大颗粒•2．带出速度．带出速度•颗粒带出速度即颗粒的沉降速度，各种情况下的沉降速度公式见知识点3-2•值得注意的是，计算umf时要用实际存在于床层中不同粒度颗粒的平均直径dp，而计算ut时则必须用具有相当数量的最小颗粒直径•3．流化床的操作范围．流化床的操作范围•　流化床的操作范围，可用比值ut/umf的大小来衡量，该比值称为流化数。

对于均匀的细颗粒，可得•ut/umf＝91.7　对于大颗粒，可得ut/umf＝8.62　　•　研究表明，上述两个上下限值与实验数据基本相符，ut/umf比值常在10～90之间ut/umf比值是表示正常操作时允许气速波动范围的指标，大颗粒床层的ut/umf值较小，说明其操作灵活性较差三三. 提高流化质量的措施提高流化质量的措施 •　　流化质量是指流化床均匀的程度，即气体分布和气固接触的均匀程度流化质量不高对流化床的传热、传质及化学反应过程都非常不利聚式流化床中影响流化质量的因素很多，其中包括设备因素（高径比、直径、床层高、分布板等）、流固密度差、固相物性（ρs即粘附性）及流体物性（ρ及μ等）•聚式流化床中空穴的存在造成流化床内生的不稳定性、从而导致沟流、节涌，引起流化质量不高•（一）分布板应有足够的流动阻力（一）分布板应有足够的流动阻力•　在流化床中，分布板的作用除了支撑固体颗粒、防止漏料外，还有分散气流使气体得到均匀分布但一般分布板对气体分布的影响通常只局限在分布板上方不超过0.5m的区域内，床层高度超过0.5m时，必须采取其它措施，改善流化质量•单层多孔板结构简单，便于设计和制造，但气流方向与床层垂直，易使床层形成沟流；小孔易于堵塞，停车时易漏料。

多层孔板能避免漏料，但结构稍微复杂凹形多孔分布板能承受固体颗粒的重荷和热应力，还有助于抑制鼓泡和沟流侧流式分布板如图3-38所示，在分布板的孔上装有锥形风帽（锥帽），气流从锥帽底部的侧缝或锥帽四周的侧孔流出目前这种带锥帽的分布板应用最广，效果也最好，其中侧缝式锥帽采用最多填充式分布板如图3-39所示，它是在直孔筛板或栅板和金属丝网层间铺上卵石石英沙卵石这种分布板结构简单，能够达到均匀布气的要求•（二）设备内部构件（二）设备内部构件•在床层中设置某种内部构件以后，能够抑制气泡长大并破碎大气泡，从而改善气体在床层中的停留时间分布、减少气体返混和强化两相间的接触•挡网、挡板和垂直管束都是工业流化床广泛采用的内部构件当气速较低时可采用挡网，它是用金属丝制成的，常采用网眼为15×15mm和25×25mm两种规格•我国目前通常采用百叶窗式的挡板，这种挡板大致分为单旋挡板和多旋挡板两种类型，以单旋挡板用的最多•（三）粒度分布（三）粒度分布•　颗粒的特性，尤其是颗粒的尺寸和粒度分布对流化床的流动特性有重要影响采用小粒径、宽分布的颗粒特别是细粉能起“润滑”作用，可提高流化质量经验表明，能够达到良好流化的颗粒尺寸在20～500μm范围内。

•　近几年来，细颗粒高气速流化床在化工中得到重视和应用它不仅提供了气固两相较大的接触面积，而且增进了两相接触的均匀性，从而有利于提高反应转化率和床内温度均匀性同时，高气速还可减小设备直径。