流化床的基本原理

.,將大量固體顆粒懸浮于運動的流體之中，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。反應器、焙燒爐、干燥器等,重力場中，顆粒處于流體介質(zhì)中，顆粒與介質(zhì)之間的相對速度ut（設是層流狀態(tài)，并規(guī)定重力的方向為正。）,與流體介質(zhì)運動與否沒有關系。,如果流體介質(zhì)靜止，則顆粒垂直向下的運動速度就是ut。,流化床的基本原理,為什么顆粒能夠懸浮于流體中呢？這要從顆粒的沉降速度、流體的運動速度分析起。,.,如果顆粒鄰近的流體介質(zhì)以方向向上的流速u1運動起來，則顆粒的絕對速度（表觀速度）（以固定點為參照點）up(規(guī)定向上的方向為正）為,u1,顆?？障吨辛黧w的實際流速u1。顆粒的絕對運動速度up，床層表觀流速u，即空床流速。其關系：考察單位床層截面上流體的體積流量：,空隙率即等于橫截面上空隙面積的分率。,.,（1）固定床階段,隨著上升流體流量的增大，u1增大，當達到u1=ut時，顆粒的表觀速度up=0。當u1稍微大于ut時，顆粒便會上升，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。,.,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=umax,如果是均一的顆粒，其ut可以計算出,.,當流體的空床流速uumf時，則出現(xiàn)u1ut,即up0，則顆粒向上運動。同時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)空隙率增大。,起始流化速度：umf=umax此時u1=ut,（2）流化床,如為均勻顆粒，其ut已知,.,出現(xiàn)暫時的顆?；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，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)，每一個表觀氣速u對應一個空隙率，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的實際速度u1不變，始終為顆粒的ut。,.,（2）流化床,需要特別指出的是，流化床原則上應有一個明顯的上界面。在此界面之下的顆粒，u1=ut。假設某個懸浮的顆粒由于某種原因離開了床層而進入界面以上的空間，在該空間中（=1.0）該顆粒的表觀速度u即為其真實速度u1u=u1ut故顆粒必然回落到界面上。,由此可見，流化床存在的基礎是大量顆粒的群居。群居的大量顆?？梢酝ㄟ^床層的膨脹以調(diào)整空隙率，從而能夠在一個相當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。,.,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)u1ut的關系，始終up0，則顆粒被帶出床外，此時，稱為顆粒輸送階段。此時的流體表觀速度u稱為帶出速度。在帶出狀態(tài)下床截面上的空隙率即認為是1.0，此時u=u1。顯然，帶出速度u數(shù)值上等于ut。據(jù)此原理，可以實現(xiàn)固體顆粒的氣力輸送或液力輸送。,流化床的操作范圍：umfut,（3）顆粒輸送階段,.,三、Reh氣-固兩相接觸操作圖,1、顆粒的阻力與顆粒的有效重力比值范圍示意圖,2、Reh氣固兩相操作圖,二、懸浮顆粒的阻力系數(shù),.,回顧與總結(jié),固定床流速較低時，顆粒靜止不動，流體只在顆粒之間的縫隙中通過料層高度不變實際流速線形增長通風阻力隨風速的平方關系增大,2.流化床顆粒不再由布風板所支持，而全部由流體的摩擦力所承托。此時，對于單個顆粒來講，可在床層中自由運動；就整個床層而言，具有了許多類似流體的性質(zhì)流態(tài)化。此時：料層膨脹，床高增加顆粒間實際空氣流速保持不變料層阻力變化不大，由托起的顆粒質(zhì)量決定,.,5.3流態(tài)化特征與Geldart顆粒分類,5.3.1流態(tài)化的基本特征5.3.2最小流態(tài)化速度5.3.3最小鼓泡速度5.3.4流態(tài)化氣泡特征5.3.5Geldart顆粒分類,.,5.3.1流態(tài)化的基本特征,流態(tài)化曲線床層孔隙率（或床層高度）、壓降與流體表觀流速的關系曲線。,.,流體通過流化床的阻力流體通過顆粒床層的阻力與流體表觀流速（空床流速）之間的關系可由實驗測得。圖是以空氣通過砂粒堆積的床層測得的床層阻力與空床氣速之間的關系。由圖可見，最初流體速度較小時，床層內(nèi)固體顆粒靜止不動，屬固定床階段，在此階段，床層阻力與流體速度間的關系符合歐根方程；當流體速度達到最小流化速度后，床層處于流化床階段，在此階段，床層阻力基本上保持恒定。,.,1、有明顯的臨界流態(tài)化點和臨界流態(tài)化速度;2、流態(tài)化床層的壓降為一常數(shù);,3、有平穩(wěn)的流態(tài)化界面;4、流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下,都具有一個代表性的均勻值,不因床層內(nèi)的位置而變化。,理想流化床的特點:,.,實際流化床的特點:,固定床與流化床分界點所對應的流體表觀流速。,請同學們總結(jié)出實際流化床的特點？,臨界流態(tài)化速度,.,臨界流化狀態(tài)（速度）流體的流速達到顆粒受到的阻力=重力-浮力顆粒懸浮在流體中,床層壓降的理論值,5.3.2最小流化速度,確定方法可由實驗測定，即通過p-u關系曲線確定?？捎媒朴嬎惴ㄇ蟮昧烤V分析或相似理論法。1、細顆粒2、粗顆粒3、有不良流態(tài)化現(xiàn)象發(fā)生時,.,根據(jù)第4章中的歐根方程，對于小顆粒(Rep20）又可以利用固定床壓降的計算式（5-32）,（1）流化床的壓降,（2）固定床的壓降,此時，床層壓降既符合固定床計算式，又符合流化床計算式。,設流化床的床層高度為L，床層空隙率為，則此時，床層壓降既符合固定床計算式，又符合流化床計算式。,流化床的操作范圍,1、起始流化速度umf,.,5.3.3最小鼓泡速度,.,氣泡的尾渦與尾跡1、氣泡的產(chǎn)生與運動與顆粒的性質(zhì)、風板、流化床的尺寸有關；2、相同的顆粒，相同的流化速度、相同的深寬比具有相同氣泡與顆粒流型；3、尾渦與尾跡的產(chǎn)生,常見的三種氣泡尺寸定義(1)投影尺寸db；(2)氣泡弓玄尺寸dbh；(3)體積尺寸dbv；,5.3.4流態(tài)化氣泡特征,氣泡的尺寸與速度(1)床層高度增加，氣泡增加；(2)流態(tài)化速度增加，氣泡增加；(3)氣泡間存在合并長大過程，同時大氣泡可分裂為許多小氣泡；(4)流化床存在最大平衡氣泡尺寸,.,氣泡暈,單個氣泡：頂部球形，尾部內(nèi)凹。在尾部由于壓力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了進去。形成局部渦流尾渦,在氣泡上升途中，不斷有一部分粒子離開這一區(qū)域，另一部分粒子又補充進去。這樣，就把床層下部的粒子夾帶上去，促進了整個床層粒子的循環(huán)和混合。所以氣泡是床層運動的動力。,氣泡外形成一層不與乳相中流體相混合的區(qū)域。這一層為氣泡云，在其中，氣泡內(nèi)的氣體與固體顆粒獲得了有效的接觸，得到反應。氣泡越大，氣泡的上升速度越快，氣泡云也就越薄，氣泡云的作用也就減弱。,氣泡云和尾渦都在氣泡之外，可合稱為泡暈。,.,1、是床層運動的動力，加劇氣-固兩相相對運動；,2、造成床層內(nèi)顆粒的劇烈攪拌，使流化床具有很高的顆粒與氣體、床料與表面的換熱速率，因此流化床具有等溫的特征；,4、降低流化床氣固接觸效率；,5、上升到床層表面破碎時，將大量顆粒拋入床層上方，使流化床顆粒損失。,.,5.3.5Geldart顆粒分類,.,5.4流化態(tài)技術(shù)的應用,一、流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)中的應用,1、化學反應過程濕法冶金中：流態(tài)化浸出和洗滌、流態(tài)化離子交換火法冶金：沸騰焙燒（ZnS精礦）沸騰氯化（鈦鐵礦精礦）,2、物理過程：顆粒分級流態(tài)化洗滌流態(tài)化干燥（噴霧干燥）物料輸送：最典型的是顆粒物料的氣力