固體流態(tài)化和氣力輸送

1、 固體流態(tài)化和氣力輸送第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化第三節(jié)第三節(jié) 氣力輸送氣力輸送第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述固體流態(tài)化固體流態(tài)化 將大量固體顆粒懸浮于運動的流體之中，從而使顆粒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流體的某些表觀特性，這種流固接觸狀態(tài)稱固體具有類似流體的某些表觀特性，這種流固接觸狀態(tài)稱固體流態(tài)化。流態(tài)化。 1942 1942年美國成功地將流態(tài)化技術(shù)應用到石油加工工業(yè)年美國成功地將流態(tài)化技術(shù)應用到石油加工工業(yè)的催化反應上，使催化裂化由間歇操作變?yōu)檫B續(xù)操作，大的催化反應上，使催化裂化由間歇操作變?yōu)檫B續(xù)操作，大大提高了設備的生產(chǎn)能力，以后又在石

2、油化工、冶金及原大提高了設備的生產(chǎn)能力，以后又在石油化工、冶金及原子能工業(yè)等部門應用范圍日益擴大，已成為我國石油加工子能工業(yè)等部門應用范圍日益擴大，已成為我國石油加工工業(yè)部門中的重要技術(shù)。工業(yè)部門中的重要技術(shù)。高低并列提升管催化裂化裝置高低并列提升管催化裂化裝置優(yōu)點：優(yōu)點： 顆粒劇烈攪拌，床層各部分溫度均勻，避免了顆粒劇烈攪拌，床層各部分溫度均勻，避免了局部過熱；局部過熱； 流化層中常用流化層中常用2020100m100m的粒子，因此床層中的粒子，因此床層中固體或氣體與固體的接觸表面積大，利于傳熱、固體或氣體與固體的接觸表面積大，利于傳熱、傳質(zhì)速率的提高；傳質(zhì)速率的提高； 床層中顆粒的運動猶如

3、流體，易于從裝置輸入床層中顆粒的運動猶如流體，易于從裝置輸入和輸出，使過程連續(xù)化；和輸出，使過程連續(xù)化；第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述缺點：缺點： 粒子攪拌劇烈，無法保證流體與粒子間的逆流接觸及軸粒子攪拌劇烈，無法保證流體與粒子間的逆流接觸及軸向的溫度與濃度梯度，對傳質(zhì)、傳熱及化學反應不利；向的溫度與濃度梯度，對傳質(zhì)、傳熱及化學反應不利； 由于床中粒子的混合作用，無法將新鮮粒子與失活粒子由于床中粒子的混合作用，無法將新鮮粒子與失活粒子完全分開；完全分開； 顆粒之間、顆粒與器壁之間的碰撞磨損嚴重，生成的細顆粒之間、顆粒與器壁之間的碰撞磨損嚴重，生成的細粉易被氣體帶出，加大了損失量，同時要求具有較高效率

4、粉易被氣體帶出，加大了損失量，同時要求具有較高效率的除塵設備；的除塵設備； 流化床反應器中流體流速與固體粒子性質(zhì)有關(guān)，許可變流化床反應器中流體流速與固體粒子性質(zhì)有關(guān)，許可變化范圍較窄?；秶^窄。第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化一、流化床的不同階段一、流化床的不同階段固定床階段：固定床階段： 空床氣速（表觀速度）空床氣速（表觀速度）u u 低；低； 實際流速實際流速u um m沉降速度沉降速度u ut t ； 顆粒靜止不動，床層高度不顆粒靜止不動，床層高度不變變流化床流化床階段：階段： 表觀速度表觀速度u u 曳力重力，床曳力重力，床層開始流化層開始流化床層空隙率床層

5、空隙率； 實際流速實際流速u um m = = 顆粒沉降速度顆粒沉降速度u ut t 時，時，顆粒懸浮于流體中，形成流化床；顆粒懸浮于流體中，形成流化床； 顆粒彼此脫離，做不規(guī)則運動，但顆粒彼此脫離，做不規(guī)則運動，但不脫離床層，床層有明顯上界面。不脫離床層，床層有明顯上界面。第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化流化床存在的基礎是大量顆粒的流化床存在的基礎是大量顆粒的群居。群居的大量顆粒通過床層群居。群居的大量顆粒通過床層的膨脹調(diào)整空隙率，從而在一個的膨脹調(diào)整空隙率，從而在一個相當寬的氣速范圍內(nèi)懸浮于氣流相當寬的氣速范圍內(nèi)懸浮于氣流之中，這是流化床能夠存在的物之中，這是流化床能夠存在的物理基礎。理

6、基礎。顆粒輸送階段：顆粒輸送階段： 實際速度實際速度u um m 顆粒沉降速度顆粒沉降速度u ut t， 顆粒被帶出顆粒被帶出 氣力輸送階段氣力輸送階段第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化二、流化床的流化類型二、流化床的流化類型散式流態(tài)化（散式流態(tài)化（Particulate fluidizationParticulate fluidization）特征：顆粒分散均勻，隨流速增加特征：顆粒分散均勻，隨流速增加床層均勻膨脹，床內(nèi)空隙率均勻增床層均勻膨脹，床內(nèi)空隙率均勻增加，床層上界面平穩(wěn)，壓降穩(wěn)定、加，床層上界面平穩(wěn)，壓降穩(wěn)定、波動很小。波動很小。一般流一般流- -固兩相密度差較小的體系固兩相密度差

7、較小的體系呈現(xiàn)散式流態(tài)化特征，如液呈現(xiàn)散式流態(tài)化特征，如液- -固流固流化床?；病?第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化聚式流態(tài)化聚式流態(tài)化（Aggregative fluidizationAggregative fluidization）：特征：特征：s s，形成氣，形成氣泡，長大并破裂，床層波泡，長大并破裂，床層波動劇烈，膨脹程度不大，動劇烈，膨脹程度不大，上界面起伏不定。上界面起伏不定。一般出現(xiàn)在流一般出現(xiàn)在流- -固兩相密度差較固兩相密度差較大的體系，如氣大的體系，如氣- -固流化床。固流化床。第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化鼓泡鼓泡流態(tài)化流態(tài)化聚式與散式流態(tài)化的判斷：聚式與散式流態(tài)

8、化的判斷：氣氣- -固流態(tài)化與液固流態(tài)化與液- -固流態(tài)化并不是區(qū)分聚式與散固流態(tài)化并不是區(qū)分聚式與散式流態(tài)化的唯一依據(jù)，在一定的條件下氣式流態(tài)化的唯一依據(jù)，在一定的條件下氣- -固床固床可以呈現(xiàn)散式流態(tài)化可以呈現(xiàn)散式流態(tài)化( (密度小的顆粒在高壓氣體密度小的顆粒在高壓氣體中流化中流化) )或者液或者液- -固床呈現(xiàn)聚式流態(tài)化固床呈現(xiàn)聚式流態(tài)化( (重金屬顆重金屬顆粒在水中流化粒在水中流化) )行為。行為。第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化100mfppmfmfDReLFr100mfppmfmfDReLFr2mfpmfgudFr散式流態(tài)化散式流態(tài)化聚式流態(tài)化聚式流態(tài)化臨界流化條件下的弗魯?shù)聰?shù)臨

9、界流化條件下的弗魯?shù)聰?shù)根據(jù)流根據(jù)流- -固兩相的性質(zhì)及流化床穩(wěn)定性理論，固兩相的性質(zhì)及流化床穩(wěn)定性理論，B.BomeroB.Bomero 和和I.N.JohansonI.N.Johanson 提出了如下的準數(shù)群判據(jù)：提出了如下的準數(shù)群判據(jù)： 第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化mfL臨界流化床層高度，臨界流化床層高度，D D 為床層直徑為床層直徑 mfpmfpud)(Re臨界流化條件下顆粒的雷諾數(shù)臨界流化條件下顆粒的雷諾數(shù)三、流化床的主要特性類似于液體的特性：類似于液體的特性：(c)(d)(a)(b)pL(e)uuuuuu輕物輕物浮起浮起床面床面呈水平呈水平壓強符合流體靜力學壓強符合流體靜力學流

10、動性流動性連通床面趨連通床面趨于水平于水平第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化固體顆粒劇烈運動與迅速混合：固體顆粒劇烈運動與迅速混合： 強烈的碰撞與摩擦：強烈的碰撞與摩擦： 固體顆粒上升，必有等量顆粒下降，使顆粒均固體顆粒上升，必有等量顆粒下降，使顆粒均勻混合，但導致停留時間不均，固體產(chǎn)品的質(zhì)勻混合，但導致停留時間不均，固體產(chǎn)品的質(zhì)量不均；量不均；顆粒之間、顆粒與器壁之間的碰撞磨損嚴重，顆粒之間、顆粒與器壁之間的碰撞磨損嚴重，生成的細粉易被氣體帶出，加大了損失量；生成的細粉易被氣體帶出，加大了損失量；第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化氣流的不均勻分布與氣固床層的不均勻氣流的不均勻分布與氣固床層的

11、不均勻接觸接觸聚式流化床的不正常操作聚式流化床的不正常操作溝流：溝流： 床層中出現(xiàn)氣溝；床層中出現(xiàn)氣溝； 床層部分流化，部分形成床層部分流化，部分形成“死床死床”； 氣體與顆粒不能良好接觸，氣體與顆粒不能良好接觸， 工藝過程嚴重惡化；工藝過程嚴重惡化； 流化部分空隙率大，床層壓降較正常時低。流化部分空隙率大，床層壓降較正常時低。第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化粒徑：顆粒直徑小，易內(nèi)聚成較大粒團；粒徑：顆粒直徑小，易內(nèi)聚成較大粒團；粒子的形狀與密度：粒子的形狀與密度： 球型度球型度，密度，密度P P易發(fā)生溝流；易發(fā)生溝流；粒子的濕度：濕度粒子的濕度：濕度顆粒易粘結(jié)顆粒易粘結(jié)易發(fā)生溝流；易發(fā)生溝

12、流；流體分布板設計不完善，或升氣孔太少。流體分布板設計不完善，或升氣孔太少。影響溝流程度的主要因素：影響溝流程度的主要因素：第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化節(jié)涌（騰涌，節(jié)涌（騰涌，lugginglugging）：）：氣泡匯合占滿床層，床層波動，壓降波動；氣泡匯合占滿床層，床層波動，壓降波動； 床層穩(wěn)定性下降，磨損嚴重。床層穩(wěn)定性下降，磨損嚴重。第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化 顆粒粒徑大，顆粒、流體密度差大；顆粒粒徑大，顆粒、流體密度差大； 流體空床氣速大，分布板開孔大易形成大氣泡；流體空床氣速大，分布板開孔大易形成大氣泡； 床層高徑比過大。床層高徑比過大。注：注：節(jié)涌與溝流都會使氣節(jié)涌與

13、溝流都會使氣固兩相接觸不充分、不均勻、固兩相接觸不充分、不均勻、流化質(zhì)量不高，使傳熱、傳質(zhì)和化學反應效率下降。流化質(zhì)量不高，使傳熱、傳質(zhì)和化學反應效率下降。第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化引起節(jié)涌的原因：引起節(jié)涌的原因：恒定的壓降：恒定的壓降：gAmAmgPssss)()(流化床的截面積床層顆粒受到的浮力床層顆粒重量gggAmPssssss)(1(L)(A)1(LA)(定值定值第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化VVsV空隙率V為床層體積VS為固體顆粒體積loglogP Plogulogu圖：圖：ABAB段：固定床階段，段：固定床階段， P u 1 KuP起始流起始流化速度化速度B B點：顆粒

14、開始流化點：顆粒開始流化 u umfmfBCBC段：流化床階段，段：流化床階段，L L，P P 恒定；恒定；CDCD段：氣力輸送段，顆粒逐漸減少，段：氣力輸送段，顆粒逐漸減少， P P下降下降空管流動阻力空管流動阻力說明：說明：由由BCBC段減小流體速度，壓降返回線段減小流體速度，壓降返回線B BA A，有，有明顯轉(zhuǎn)折，且明顯轉(zhuǎn)折，且P PABABP PA AB B ；PP = = 單位床層橫截面積內(nèi)固體顆粒的表觀重量單位床層橫截面積內(nèi)固體顆粒的表觀重量（重量（重量- -浮力），與速度無關(guān)，為定值；浮力），與速度無關(guān)，為定值；流化床操作范圍：流化床操作范圍： 臨界流化速度臨界流化速度 u um

15、fmf u u帶出速度帶出速度u ut t；第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化可由可由P P 數(shù)值的變化了解床層是否流化，數(shù)值的變化了解床層是否流化，穩(wěn)定性和正常性：穩(wěn)定性和正常性： 起伏Slog ulog pBlog ulog pbbW Ap正常值（聚式流化）溝流低于正常值：節(jié)涌波動劇烈：恒定：流化正常 PPP第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化四、流化床的操作范圍起始流化速度起始流化速度u umf mf 流化床操作的下限：流化床操作的下限：實驗測定：實驗測定：B B點（點（ABAB與與BCBC段的交點）；段的交點）；第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算：經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式計算：流化床壓降

16、：流化床壓降： gLPs)1)(小固體顆粒固定床壓降（小固體顆粒固定床壓降（R ReP eP 1010）-康采尼康采尼(Kozeng)(Kozeng)公式：公式： uLdP232)-(1180P（A A）（B B）起始流化時，（起始流化時，（A A）（）（B B）（）（L=LL=Lmfmf ，mfmf），則：），則：gsPd)()-180(1u2mf3mfmf第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化說明：說明：該式適用于該式適用于R ReP eP 1010的起始流化速度的計算；的起始流化速度的計算； 對非球形顆粒：引入對非球形顆粒：引入（將式中（將式中d dP P 用用ddP P 代替）；代替）；

17、不均勻顆粒：引入比表面積平均直徑（邵特直徑）；不均勻顆粒：引入比表面積平均直徑（邵特直徑）； 球形顆粒球形顆粒mf mf =0.4=0.4，則上式可寫為：，則上式可寫為： 空床速度-u udRPePgsPd)(00059. 0u2mf第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化帶出速度帶出速度u ut t流化床操作的上限：流化床操作的上限：u ut t = = 顆粒在流體中的沉降速度顆粒在流體中的沉降速度操作范圍：操作范圍：u umfmfuuuut t 的最小粒徑?jīng)Q定由不希望被帶出的顆粒由平均直徑?jīng)Q定tmfuu流化數(shù)流化數(shù)N N ：N N = =實際操作流體速度實際操作流體速度/ /起始流化速度起始流化

18、速度= =u/uu/umfmf第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化五、流化床高度及分離高度膨脹比膨脹比R R ：11mfmfLLR密相區(qū)高度密相區(qū)高度L L與床層空隙率與床層空隙率： 散式流化具有空隙率隨流化數(shù)均勻變化的規(guī)律；散式流化具有空隙率隨流化數(shù)均勻變化的規(guī)律； 聚式流化乳化相的空隙率幾乎不變，床層膨脹主聚式流化乳化相的空隙率幾乎不變，床層膨脹主要由氣泡相的膨脹所引起。聚式流化床膨脹比是一要由氣泡相的膨脹所引起。聚式流化床膨脹比是一個較難確定的參數(shù)。個較難確定的參數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化分離高度（分離高度（ H H 或或 TDHTDH）：）： （Transport Disengaging HeightTransport Disengaging Height）LTDH床高氣體中顆粒的濃度 固體顆粒濃度達定值的固體顆粒濃度達定值的這一點距離床層上界面的這一點距離床層上界面的距離。距離。 流化床膨脹高度以上顆流化床膨脹高度以上顆?？梢砸揽恐亓Τ两祷芈淞？梢砸揽恐亓Τ两祷芈涞母叨鹊母叨鹊诙?jié)第二節(jié) 固體流態(tài)化固體流態(tài)化說明：說明： 即使設備出口再高也不能減少顆粒的帶出量，即使設備出口再高也不能減少顆粒的帶出