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1、第一章第一章 流态化流态化 流态化流态化是流体（气体或液体）流过微粒固体而相互接触是流体（气体或液体）流过微粒固体而相互接触并在一定条件下使之转变成类似流体状态的操作。并在一定条件下使之转变成类似流体状态的操作。 固体流态化现象很早就被人们发现，但应用于工业生产，固体流态化现象很早就被人们发现，但应用于工业生产，是在本上世纪二十年代开始于德国温克勒煤气发生炉。是在本上世纪二十年代开始于德国温克勒煤气发生炉。 目前流态化技术已广泛应用于矿业、冶金、化工、医目前流态化技术已广泛应用于矿业、冶金、化工、医药以及食品等许多部门。药以及食品等许多部门。 在硅酸盐工业也得到了广泛应用，尤其是水泥工业，在硅
2、酸盐工业也得到了广泛应用，尤其是水泥工业，如如固体颗粒的输送、生料仓库的空气搅拌、流态化烘干、固体颗粒的输送、生料仓库的空气搅拌、流态化烘干、窑外分解技术等窑外分解技术等都是与固体流态化技术密切相关的。都是与固体流态化技术密切相关的。 流态化现象具有其独特的特性，特别是流态化现象具有其独特的特性，特别是气体流化床气体流化床。气。气体流化床又具有较高的工业价值，水泥工业中采用的几乎都体流化床又具有较高的工业价值，水泥工业中采用的几乎都是气体流化床。是气体流化床。流态化床干燥器流态化床干燥器第一节第一节 基本概念基本概念 21345流体入口流体出口一、固体流态化的形成、固体流态化的形成如图如图1
3、1所示，有一圆柱形的容所示，有一圆柱形的容器器1 1，下部设有多孔板（分布器），下部设有多孔板（分布器）2 2，用来支承固体粒子，并使流，用来支承固体粒子，并使流体沿截面分布均匀。体沿截面分布均匀。堆放在分布器上的固体粒子堆放在分布器上的固体粒子称为床层。流体（气体或液体）称为床层。流体（气体或液体）由进口由进口3 3进入，从排出口进入，从排出口4 4排出。排出。在床层底部与圆筒容器顶部在床层底部与圆筒容器顶部之间连接一之间连接一U U型压差计型压差计5 5，用以，用以测定床层的压差。测定床层的压差。图图1-2 流化管示意图流化管示意图1.流化管；流化管；2多孔板（分布多孔板（分布器）；器）；
4、3流体入口管；流体入口管；4流流体出口管；体出口管；5压差计。压差计。当流体向上流过颗粒床层时，其床层压降（当流体向上流过颗粒床层时，其床层压降（PP）、）、床层高度（床层高度（H H）、孔隙率（）、孔隙率（）与流体表观流速（）与流体表观流速（u u）的关系如图的关系如图2 2所示。所示。表观流速（表观流速（u u）是指假想流体通过流化床整个截是指假想流体通过流化床整个截面（不考虑堆积固体粒子）时的截面平均流速（也面（不考虑堆积固体粒子）时的截面平均流速（也称空塔速度或空管速度），用称空塔速度或空管速度），用u u表示。表示。u=V/A (m/s)式中：式中：V V通过流化床的流体体积流量，通
5、过流化床的流体体积流量，m m3 3/s/s；A A流化床的截面积，流化床的截面积，m m2 2。uutumfaaabbccccP压差P高度L孔隙率图1-3 、L、P与u的关系图（对数坐标）由图可见，根据床层由图可见，根据床层高度高度L L、床层阻力、床层阻力PP及床层中颗粒的运动及床层中颗粒的运动状态（状态（）随表观流）随表观流速的变化，表明流化速的变化，表明流化状态的形成可分为三状态的形成可分为三个阶段：个阶段：1 1、固定床阶段、固定床阶段固定床阶段：固定床阶段：当流体以较低的速度通过床层时，当流体以较低的速度通过床层时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙通过。颗粒静止不动，流体只在颗
6、粒之间的缝隙通过。而当表观流速增大时，固体颗粒之间的排列可能而当表观流速增大时，固体颗粒之间的排列可能有些松动，或床层有所松动，但因固体颗粒的相有些松动，或床层有所松动，但因固体颗粒的相互接触，床层高度没有什么变化，床层整体没有互接触，床层高度没有什么变化，床层整体没有明显的运动，这一阶段称之为固定床层阶段。明显的运动，这一阶段称之为固定床层阶段。 固定床阶段的特点：固定床阶段的特点：p床层孔隙率为一常数；床层孔隙率为一常数；p流速增大时，压力降也随之增加。流速增大时，压力降也随之增加。2 2、流化床阶段、流化床阶段 流化床阶段：流化床阶段：当表观速度继续增加，达到一定值（如当表观速度继续增加
7、，达到一定值（如图中图中b b点）时，床层开始松动和膨胀，当床层的压降点）时，床层开始松动和膨胀，当床层的压降达到了单位床层面积上颗粒的重力值：达到了单位床层面积上颗粒的重力值：gLfs001（N/m2） 时，固体颗粒被流体吹起而悬浮于流体中，且自由地时，固体颗粒被流体吹起而悬浮于流体中，且自由地在各个方向作剧烈运动。当表观流速继续增加时，床在各个方向作剧烈运动。当表观流速继续增加时，床层颗粒运动加剧，且作上下翻滚运动，整个床层具有层颗粒运动加剧，且作上下翻滚运动，整个床层具有类似流体的性质，这时类似流体的性质，这时床层处于流化状态床层处于流化状态，这一阶段，这一阶段称为称为流化阶段流化阶段，
8、如图中，如图中bcbc段。段。流化床阶段的特点：流化床阶段的特点：随表观速度的增加，孔隙率增加；随表观速度的增加，孔隙率增加；床层高度床层高度L L也随之增加；也随之增加；但，床层压降但，床层压降PP却不变。即不增加流动所需的功。却不变。即不增加流动所需的功。临界流化点：临界流化点：图中图中b b点是固定床阶段和流化床阶段的分点是固定床阶段和流化床阶段的分界点，叫做临界流化点。界点，叫做临界流化点。临界流态化速度：临界流态化速度：b b点所具有的表观速度点所具有的表观速度u u是形成流态是形成流态化的最低速度，叫做临界流态化速度（化的最低速度，叫做临界流态化速度（u umfmf）。）。临界流态
9、化速度与固体颗粒的大小、形状、密度、临界流态化速度与固体颗粒的大小、形状、密度、流体的性质以及床层的流体力学条件有关。流体的性质以及床层的流体力学条件有关。3、流体输送阶段、流体输送阶段当表观速度继续当表观速度继续增加到某一极限值增加到某一极限值后，固体颗粒应被流体后，固体颗粒应被流体带出容器。在工业上，利用这种性质，将固体颗粒象输送带出容器。在工业上，利用这种性质，将固体颗粒象输送流体一样用管道来输送，这一阶段称之为流体一样用管道来输送，这一阶段称之为流体输送阶段流体输送阶段。极限流速：极限流速：图中图中c c点为进入流体输送阶段的起始点，该点点为进入流体输送阶段的起始点，该点所对应的表观速
10、度称为极限流速，以所对应的表观速度称为极限流速，以u ut t表示。表示。u ut t在传统的流化床设计和操作中也是一个很重要的参数。在传统的流化床设计和操作中也是一个很重要的参数。一般来说，形成流化床的流体的表观速度应该在临界流化一般来说，形成流化床的流体的表观速度应该在临界流化速度和极限流化速度之间。即速度和极限流化速度之间。即u umfmfu uu ut t。讨论：讨论：上述流化状态是一个理想状态，对于理想状态流化床上述流化状态是一个理想状态，对于理想状态流化床来说可归结为以下几个特征：来说可归结为以下几个特征：有一个明显的临界流化点和临界流化速度有一个明显的临界流化点和临界流化速度u
11、umfmf，当，当流速达到时流速达到时u umfmf，整个颗粒床层才开始流化；，整个颗粒床层才开始流化；流化床的压力为一个常数；流化床的压力为一个常数；具有一个平稳的流态化上界面；具有一个平稳的流态化上界面；流化床层的孔隙，在任何流速下，都具有一个代流化床层的孔隙，在任何流速下，都具有一个代表性的均匀值，并不因为在流化床内的位置而变化。表性的均匀值，并不因为在流化床内的位置而变化。二、流态化类似于流体的性质二、流态化类似于流体的性质固体流化床层，很象沸腾的流体，同时在许多方面呈现固体流化床层，很象沸腾的流体，同时在许多方面呈现出类似的性质。出类似的性质。p具有液体的浮力性质：具有液体的浮力性质
12、：一个体积大而轻的物体，一个体积大而轻的物体，能够很容易地压入床层能够很容易地压入床层中，一松手又浮于表面中，一松手又浮于表面上。上。p具有流体的流动性能：当容器倾斜时，床层表面会保具有流体的流动性能：当容器倾斜时，床层表面会保持水平；如果将两个流化床联通，被流化的颗粒会从高持水平；如果将两个流化床联通，被流化的颗粒会从高的床层向低的床层流动，并趋于一致；固体颗粒还可以的床层向低的床层流动，并趋于一致；固体颗粒还可以从开有小孔的容器中喷出，并可象液体那样具有良好的从开有小孔的容器中喷出，并可象液体那样具有良好的流动性能。流动性能。p具有良好的流体力具有良好的流体力学性质：流化床中任学性质：流化
13、床中任意两点的压差，大致意两点的压差，大致等于这两点间床层的等于这两点间床层的静压头。静压头。利用上述流化床类似流体的性质，可以设计出许多不利用上述流化床类似流体的性质，可以设计出许多不同的气（液）体和固体的接触方式，使气（液）同的气（液）体和固体的接触方式，使气（液）固固两相密切接触，从而两相密切接触，从而使许多物理和化学过程快速进行使许多物理和化学过程快速进行，或或使固体颗粒进行快速输送使固体颗粒进行快速输送。三、散式流态化、聚式流态化及流化床中的三、散式流态化、聚式流态化及流化床中的不正常现象不正常现象（一）散式流态化与聚式流态化（一）散式流态化与聚式流态化1 1、流化介质、流化介质流化
14、床内使颗粒床层流化的流体称为流化介质。它可流化床内使颗粒床层流化的流体称为流化介质。它可以是气体或液体。以是气体或液体。用气体作为流化介质的流化床称为气体流化床。用气体作为流化介质的流化床称为气体流化床。用液体作为流化介质的流化床称为液体流化床。用液体作为流化介质的流化床称为液体流化床。2 2、散式流态化、散式流态化液体流化床较接近于理想状态，当流速达到临界流化速液体流化床较接近于理想状态，当流速达到临界流化速度以上时，流化床内部均匀而且平稳。度以上时，流化床内部均匀而且平稳。床层高度随流速加大而升高，而且具有一定的上界面。床层高度随流速加大而升高，而且具有一定的上界面。在正常情况下，观察不到
15、显著的鼓泡和不均匀现象，这在正常情况下，观察不到显著的鼓泡和不均匀现象，这样的流态化称为样的流态化称为散式流态化散式流态化（或称为（或称为均一流态化均一流态化或或平稳平稳流态化流态化）。）。3 3、聚式流态化、聚式流态化对于气体流化床，当气体速度超过临界流化速度时，就对于气体流化床，当气体速度超过临界流化速度时，就会由于气泡的出现而导致很大的不稳定性。会由于气泡的出现而导致很大的不稳定性。表现在流化态没有一个固定的上界面，而以每秒几次的表现在流化态没有一个固定的上界面，而以每秒几次的频率上下波动，床层阻力也随之上下波动。频率上下波动，床层阻力也随之上下波动。若在波动范围内取平均值，仍可近似地认
16、为其床层阻力若在波动范围内取平均值，仍可近似地认为其床层阻力不随流速的改变而变化，床层高度并不比临界流化状态不随流速的改变而变化，床层高度并不比临界流化状态下高很多，这种流态化称为下高很多，这种流态化称为聚式流态化聚式流态化（也称（也称非均一流非均一流态化态化，或，或鼓泡流态化鼓泡流态化）。）。对于聚式流态化，同时存在着两种聚集状态（相）：对于聚式流态化，同时存在着两种聚集状态（相）：另一种是空隙率相对较高的（如处于流化床上层的）另一种是空隙率相对较高的（如处于流化床上层的）疏相疏相（或称（或称稀相稀相）。）。 一种是空隙率低的（如处于流化床的下层）一种是空隙率低的（如处于流化床的下层）密相密
17、相（或称为（或称为浓相浓相）；）；无论是气体还液体的流化床，只要流化床有一个无论是气体还液体的流化床，只要流化床有一个清清晰的上界面晰的上界面，都可以认为是，都可以认为是密相流化床密相流化床；而当表观流速超过根限流速时，整个床层都被气体而当表观流速超过根限流速时，整个床层都被气体带出，带出，上界面消失上界面消失，这种流化床即为，这种流化床即为稀相流化床稀相流化床。4 4、讨论、讨论（1）一般来讲，）一般来讲，液液固固形成的流态化为形成的流态化为散式流态化散式流态化，气气固固形成的流态化为形成的流态化为聚式流态化聚式流态化。（2）散式与聚式的差别在于固体与流化床介质的密度）散式与聚式的差别在于固
18、体与流化床介质的密度差差 fs，当，当 fs很大时，很大时， 就就形成聚式流态化形成聚式流态化；若；若 fs相对较小，相对较小，即即形成散式流态化形成散式流态化。（3）当用高压气体作流态化介质时，所形成的流态化）当用高压气体作流态化介质时，所形成的流态化也可为散式流态化。也可为散式流态化。（4）常用的判别流态化类型的判据表达式为：）常用的判别流态化类型的判据表达式为：当当 100RetmfffsmfmfDLFr 时时为为散式流态化散式流态化；当当 100RetmfffsmfmfDLFr 时时为为聚式流态化聚式流态化。mfFr式中，式中，为临界状态下弗鲁特准数为临界状态下弗鲁特准数gduFrpm
19、fmf2mfu临界状态下流体表观流速，临界状态下流体表观流速，m/sm/s；pd固体颗粒直径，固体颗粒直径，m m； g g重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2； mfRe为临界状态下的雷诺准数：为临界状态下的雷诺准数： ffmfpmfuud/Ref流体密度，流体密度，kg/mkg/m3 3； fu流体粘度，流体粘度，PaPas s；s固体颗粒密度，固体颗粒密度，kg/mkg/m3 3；mfL临界状态下床层厚度，临界状态下床层厚度，m m；tD流化床直径，流化床直径，m m。（二）气（二）气固（聚式）流化床中的不正常现象固（聚式）流化床中的不正常现象气气固流化床比较复杂，常出现一些不正常
20、的流固流化床比较复杂，常出现一些不正常的流化现象，使操作不稳定，降低过程的效率，严重化现象，使操作不稳定，降低过程的效率，严重时会使产品毁坏或使设备损坏。时会使产品毁坏或使设备损坏。沟流死床腾涌n最常见的不正常现象有：最常见的不正常现象有：1 1、沟流和死床、沟流和死床（1 1）沟流与死床）沟流与死床 当气流速度超过临界速度时，局部床层可能并没有被流化，另当气流速度超过临界速度时，局部床层可能并没有被流化，另一部分床层已被气流以吹成一条一部分床层已被气流以吹成一条孔渠（沟流）孔渠（沟流）。气流沿整个截面分。气流沿整个截面分布极不均匀，有的部分仍处于颗粒堆积的固定床状态，这些尚未流布极不均匀，有
21、的部分仍处于颗粒堆积的固定床状态，这些尚未流化的部分就称为化的部分就称为死床死床。（2 2）出现沟流或死床的危害）出现沟流或死床的危害 出现沟流时，显然气出现沟流时，显然气固之间接触不良，相间传递及反应过程固之间接触不良，相间传递及反应过程不能很好进行，从而降低了设备的效能。不能很好进行，从而降低了设备的效能。在此条件下，死床部分往往有使产品烧结的危险。在此条件下，死床部分往往有使产品烧结的危险。 产生沟流后，由于气体短路使床层的阻力低于临界流化床的产生沟流后，由于气体短路使床层的阻力低于临界流化床的床层阻力，其差值的大小就表示沟流严重的程度。床层阻力，其差值的大小就表示沟流严重的程度。（3
22、3）引起沟流或死床的原因）引起沟流或死床的原因 固体颗粒的性质、气体流速、床层的几何尺寸、固体颗粒的性质、气体流速、床层的几何尺寸、分布板的形状以及容器内部结构等。分布板的形状以及容器内部结构等。 试验表明，颗粒过细而湿，易于结成团；床试验表明，颗粒过细而湿，易于结成团；床层太薄，气速过低或分布不均匀以及分布器结构层太薄，气速过低或分布不均匀以及分布器结构不合理均容易产生沟流。不合理均容易产生沟流。（1 1）腾涌）腾涌 在气在气固流化床中，由于固体物料的强烈搅动，不可避免固流化床中，由于固体物料的强烈搅动，不可避免地产生一些气泡，这些气泡在上升过程中不断增大，当床层地产生一些气泡，这些气泡在上
23、升过程中不断增大，当床层足够高时，气泡可能汇合长大到接近容器直径。这时气泡就足够高时，气泡可能汇合长大到接近容器直径。这时气泡就会象活塞一样将上面的颗粒层向上推动，并到达一定高度后会象活塞一样将上面的颗粒层向上推动，并到达一定高度后落下，有时床层甚至被气泡截成若干段，这种现象叫做落下，有时床层甚至被气泡截成若干段，这种现象叫做“腾腾涌涌”或或“气截气截”。（2 2）危害）危害：产生腾涌时，床层阻力波动很大，温度分面不均匀，使过程产生腾涌时，床层阻力波动很大，温度分面不均匀，使过程很难稳定地进行。固体颗粒被严重磨损并被气体大量带出，很难稳定地进行。固体颗粒被严重磨损并被气体大量带出，设备的生产能
24、力降低，严重时，设备零件也会被冲击损坏。设备的生产能力降低，严重时，设备零件也会被冲击损坏。（3 3）造成腾涌的原因：）造成腾涌的原因：试验研究表明，颗粒尺寸大，床层高度试验研究表明，颗粒尺寸大，床层高度H H和直径和直径D D之比之比过大，以及气速较高均易产生腾涌。过大，以及气速较高均易产生腾涌。通常当通常当H/DH/D1 1、设备较大（、设备较大（D D1m1m）而且内部设置构）而且内部设置构件时，腾涌现象不易产生。件时，腾涌现象不易产生。例例1：P4【例【例1-1】【例【例1-1】试确定用高压饱和蒸气做流化介质时，】试确定用高压饱和蒸气做流化介质时，煤粉所形成的流态化的形态。煤粉所形成的
25、流态化的形态。已知：已知：2/,/022. 0),(104 . 3,150,1054.210,/1500553tmfmffppDLsmUsPamdPapmkg【解【解】 查表得：查表得：p=210.54105Pa时，饱和蒸汽密度时，饱和蒸汽密度mdmkgpt00015. 0/1 .20133289. 000015. 081. 9)022. 0(52.19104 . 31 .201022. 000015. 0Re225pmfmfttmfpmfgduFrUd10093.82246. 652.193289. 0)()()(Re(246. 61 .2011 .2011500，所以，所以已知已知tmft
26、tpmfmftmfttpDLFrDL说明压力很高的情况下，气体是可以形成散式流态化的。但是，在通说明压力很高的情况下，气体是可以形成散式流态化的。但是，在通常情况下常情况下p/t很大很大,导致导致 ,一般情况下大于一般情况下大于100,所以在常压情况下所以在常压情况下,气体流化床很难形成散式流态气体流化床很难形成散式流态化化.)()()(Re(tmfttpmfmfDLFr（一）固体颗粒的特征参数（一）固体颗粒的特征参数1 1、平均粒径、平均粒径 在流态化的研究中，主要根据颗粒分析结果，用质量平均在流态化的研究中，主要根据颗粒分析结果，用质量平均粒径表示。即：粒径表示。即：piipdxd1式中：
27、式中： ix颗粒粒径为颗粒粒径为pid时的质量分率；时的质量分率； pid颗粒在频率图上的粒径颗粒在频率图上的粒径 pd全部颗粒的平均粒径。全部颗粒的平均粒径。 （1 1）表面形状系数）表面形状系数 在工业生产中，固体颗粒形状一般都是不规刚的，为了使研在工业生产中，固体颗粒形状一般都是不规刚的，为了使研究过程中的问题得到简化，通常假设为球形颗粒，然后将所究过程中的问题得到简化，通常假设为球形颗粒，然后将所得结论用表面形状系数加以修正。颗粒表面形状系数得结论用表面形状系数加以修正。颗粒表面形状系数s的定义为：的定义为：两者体积相等颗粒表面积圆球表面积sss对于球形颗粒，对于球形颗粒，=1=1；其
28、他形状颗粒，；其他形状颗粒，0 01 1。表面形状系数均由实验得出，或由有关手册查得。表面形状系数均由实验得出，或由有关手册查得。当数据缺乏时，可以作如下考虑：当数据缺乏时，可以作如下考虑：u正方形颗粒，正方形颗粒， u圆柱形颗粒，圆柱形颗粒， u不规则形状颗粒，不规则形状颗粒， s=0.806=0.806；s=0.833=0.8330.8680.868； 可近似取可近似取s=0.9=0.9。 （2 2）比表面积）比表面积比表面积比表面积a a定义为：定义为：固体颗粒体积固体颗粒表面积a若为单一颗粒，则：若为单一颗粒，则：pspspddda66/32若为固体颗粒群，则：若为固体颗粒群，则：ps
29、pspdddna161/6/32式中：式中：a单颗粒的比表面积，单颗粒的比表面积，m m2 2/m/m3 3；a a颗粒群的比表面积，颗粒群的比表面积，m m2 2/m/m3 3；pd颗粒平均粒径，颗粒平均粒径，m m；s颗粒表面形状系数；颗粒表面形状系数；n n颗粒数目；颗粒数目；颗粒群的孔隙率。颗粒群的孔隙率。 在流化床中，在流化床中，孔隙率孔隙率是指单位床层体积内空隙体积的份是指单位床层体积内空隙体积的份额。或者说是流化床中空隙体积与床层总体积之比。额。或者说是流化床中空隙体积与床层总体积之比。 颗粒处在堆积状态时的孔隙率称为颗粒处在堆积状态时的孔隙率称为堆积孔隙率。堆积孔隙率。 固体颗
30、粒若为均一球形颗粒，当任意堆积时，其孔隙率在固体颗粒若为均一球形颗粒，当任意堆积时，其孔隙率在0.360.360.40.4之间。之间。 若为大小均匀但表面不规则的颗粒，其孔隙率要比球形颗若为大小均匀但表面不规则的颗粒，其孔隙率要比球形颗粒的大些；而大小不均匀的颗粒堆积时的孔隙率又要比均匀颗粒的大些；而大小不均匀的颗粒堆积时的孔隙率又要比均匀颗粒的小些。粒的小些。根据孔隙率的定义，具体可按下式计算：根据孔隙率的定义，具体可按下式计算：VVVVVVVPP10式中：式中：0V颗粒间的空隙体积，颗粒间的空隙体积，m m3 3；V V流化床内床层体积，流化床内床层体积，m m3 3；pV颗粒真实体积，颗
31、粒真实体积，m m3 3。在物料处于堆积状态时，堆积孔隙可按下式计算：在物料处于堆积状态时，堆积孔隙可按下式计算：ppVV11式中：式中：固体颗粒堆积时的假密度，固体颗粒堆积时的假密度，kg/mkg/m3 3；p固体颗粒真实密度，固体颗粒真实密度，kg/mkg/m3 3。流化床内颗粒被流化后床层孔隙率是描述流化性能的一个重流化床内颗粒被流化后床层孔隙率是描述流化性能的一个重要参数。但其值的精确测量是很困难的，通常用专门的测试要参数。但其值的精确测量是很困难的，通常用专门的测试仪器进得测定。仪器进得测定。气气固聚式流化床中，粗颗粒和细颗粒的流化特性有固聚式流化床中，粗颗粒和细颗粒的流化特性有明显
32、的差异。粗颗粒与细颗粒的区别与气固之间的密明显的差异。粗颗粒与细颗粒的区别与气固之间的密度差值度差值fp有关。有关。1 1、过细颗粒、过细颗粒 一般平均粒径在一般平均粒径在20m20m以下属于过细颗粒，通常不考虑这以下属于过细颗粒，通常不考虑这种粒径的颗粒用于流态化操作。种粒径的颗粒用于流态化操作。2 2、过粗颗粒、过粗颗粒 平均粒径在平均粒径在50m50m以上的颗粒属于过粗颗粒，它多半只能以上的颗粒属于过粗颗粒，它多半只能用于进行喷动床的操作。用于进行喷动床的操作。3 3、粗颗粒、粗颗粒所谓所谓“粗颗粒粗颗粒”，它属于，它属于P7P7图图1-71-7中的中的B B区，即区，即92102250
33、00pfppfpdd和 两条线之间的区域，通常粒径主要在两条线之间的区域，通常粒径主要在4040500m500m范围内，范围内，气气固密度差为固密度差为140014004000kg/m4000kg/m3 3。这类颗粒所形成的流化床称。这类颗粒所形成的流化床称为为鼓泡床。鼓泡床。 气速一旦超过临界流态化速度时床层即形成两相，即气泡相气速一旦超过临界流态化速度时床层即形成两相，即气泡相和乳化相。和乳化相。颗粒绝大部分存在于乳化相；乳化相内气体以临界流颗粒绝大部分存在于乳化相；乳化相内气体以临界流化速度通过，剩余部分的气体以气泡形式通过床层，构成气泡相。化速度通过，剩余部分的气体以气泡形式通过床层，
34、构成气泡相。在一定条件下气泡相内气体不断地和乳化相内的气体进行交换。在一定条件下气泡相内气体不断地和乳化相内的气体进行交换。 所谓所谓“细颗粒细颗粒”，它属于图中的，它属于图中的A A区，一般粒径在区，一般粒径在2020100m100m之间，气之间，气固密度差小于固密度差小于1400 kg/m1400 kg/m3 3。 此类颗粒的流化状态表现为：首先在气速较低时，散式流态化；此类颗粒的流化状态表现为：首先在气速较低时，散式流态化；随着气速的升高，当达到一定气速时，床层膨胀开始偏离散式流态随着气速的升高，当达到一定气速时，床层膨胀开始偏离散式流态化，进入鼓泡流态化阶段。随着气速的进一步升高，在一
35、定速度时，化，进入鼓泡流态化阶段。随着气速的进一步升高，在一定速度时，床层开始由鼓泡流态化向湍流流态化转变，床层界面开始变得模糊床层开始由鼓泡流态化向湍流流态化转变，床层界面开始变得模糊不清，从床层顶部带出的固体量增加。当气速继续增大时，床层的不清，从床层顶部带出的固体量增加。当气速继续增大时，床层的颗粒带出速率大增，若要使得床层保持一定的孔隙，必须不断地向颗粒带出速率大增，若要使得床层保持一定的孔隙，必须不断地向床层底部补充与带出料率相同的物料量，从而形成床层底部补充与带出料率相同的物料量，从而形成快速流态化快速流态化。 适当调节固体循环是可以保持快速流态化床内有足够高的颗适当调节固体循环是
36、可以保持快速流态化床内有足够高的颗粒浓度。粒浓度。 当气速再加至终端速度后，快速流态化被破坏而进入稀相输当气速再加至终端速度后，快速流态化被破坏而进入稀相输送状态。送状态。一、流化床的压降一、流化床的压降固定床流化床压差（Pa）夹带开始孔隙率增大临界速度图图1-9 1-9 气体流化床压降与气体表观速度的关系气体流化床压降与气体表观速度的关系1 1、理论关系式、理论关系式 前面所讨论的图前面所讨论的图2 2所示流体表示与压降的关系，是理所示流体表示与压降的关系，是理想的流化曲线。实际上气体流化床中的压降与气体表观想的流化曲线。实际上气体流化床中的压降与气体表观速度的关系并非如此简单。图速度的关系
37、并非如此简单。图4 4为均匀粒径的砂粒以空气为均匀粒径的砂粒以空气为流化介质时，其压降和气流速度的关系。当气流速度为流化介质时，其压降和气流速度的关系。当气流速度较低时，处于固定床层阶段，此时床层的压降与流速近较低时，处于固定床层阶段，此时床层的压降与流速近似呈正比关系，随着气体流速的增加，床层压降有一最似呈正比关系，随着气体流速的增加，床层压降有一最大值（大值（pmaxpmax），其值比床层静压稍大。当流速再增加），其值比床层静压稍大。当流速再增加时，床层的孔隙率由（固定床孔隙率）增至（临界流态时，床层的孔隙率由（固定床孔隙率）增至（临界流态化的孔隙率），而压降降至床层的静压，从而进入了流化
38、的孔隙率），而压降降至床层的静压，从而进入了流化床阶段。这种现象叫做床层化床阶段。这种现象叫做床层“解锁解锁”，其原因是床层，其原因是床层从固定床转变为流化床时存在着从固定床转变为流化床时存在着“惯性惯性”。若气流速度。若气流速度继续增加，其压降几乎保持不变。这可就流化床力的平继续增加，其压降几乎保持不变。这可就流化床力的平衡关系分析如下：衡关系分析如下： 当床层达到流化床阶段时，固体颗粒所受的力为向的流体的当床层达到流化床阶段时，固体颗粒所受的力为向的流体的（PP）和浮力）和浮力f f，以及向下的重力（，以及向下的重力（W W），如图所示。当固体），如图所示。当固体颗粒被气流吹起并悬浮于气流
39、中时，则所受之力呈平衡状态，颗粒被气流吹起并悬浮于气流中时，则所受之力呈平衡状态，即：即：WfPA式中：式中：PP流化床压降，流化床压降，PaPa；A A流化床断面积，流化床断面积，m m2 2；f f浮力，浮力，N N；W W重力，重力，N N。由上式可得到：由上式可得到：gALgALPApf11化简后得：化简后得：gLPfp1式中：式中：L L床层厚度，床层厚度，m m。若在气体流化床中，且工作压力不太高时，由于若在气体流化床中，且工作压力不太高时，由于fp则上式可以简化为：则上式可以简化为：（1-101-10） gLPP1 （1-101-10） 由上式可以看出，其压降近似等于单位面积床层
40、所受的重力，由上式可以看出，其压降近似等于单位面积床层所受的重力，也就是床层的静压强。也就是床层的静压强。2 2、实验关系式、实验关系式在大量实验的基础上，得到的最常用的固定床层压降公式如下：在大量实验的基础上，得到的最常用的固定床层压降公式如下：323232/,175.11150mNduduLPpsfmmpsmmmm（1-111-11）式中：式中：mP固定床压降，固定床压降，PaPa；mL固定床层厚度，固定床层厚度，m m；m固定床孔隙率；固定床孔隙率；u u-流体表观速度，流体表观速度，m/sm/s；s颗粒形状系数；颗粒形状系数；pd颗粒直径。颗粒直径。3 3、讨论、讨论l 当颗粒为非均一
41、直径时，以平均直径代替，（当颗粒为非均一直径时，以平均直径代替，（1-111-11）式仍可使）式仍可使用。用。l 式（式（1-111-11）中右边第一项为粘性损失，第二项为惯性损失。）中右边第一项为粘性损失，第二项为惯性损失。l 当雷诺数小于一定值时，粘性损失占重要地位，而惯性损失可当雷诺数小于一定值时，粘性损失占重要地位，而惯性损失可以忽略。即：以忽略。即：当当 时，式（时，式（1-111-11）可）可以简化为：以简化为：20/ffpepudR3232/,1150mNduLPpsmmmml当雷诺数大到一定值时，惯性损失占主导地位，而粘性损失可以忽当雷诺数大到一定值时，惯性损失占主导地位，而粘
42、性损失可以忽略，即：当略，即：当 时，式（时，式（1-111-11）可以简化为：）可以简化为： 1000/ffpepudR323/,175. 1mNduLPpsfmmmml 当雷诺数为当雷诺数为202010001000之间时，必须使用式（之间时，必须使用式（1-111-11）。）。l 在固定床与流化床交界点处，固定床的压降即可代表流化床在固定床与流化床交界点处，固定床的压降即可代表流化床的压降。的压降。1 1、临界速度的理论计算、临界速度的理论计算 如前所述，固定床到达临界状态时，其压降为流化床压降，因而如前所述，固定床到达临界状态时，其压降为流化床压降，因而联立式（联立式（1-101-10）
43、和式（）和式（1-111-11），并用临界流化时的各参数值代替相应），并用临界流化时的各参数值代替相应各值得到临界流化速度满足的关联式如下：各值得到临界流化速度满足的关联式如下：233223115075. 1ffptpffmfpmfsmfffmfpmfsugduuduud当当 20Ref时，上式可以简化为：时，上式可以简化为： mfmfffppsmfgudu115032当当 1000Ref时，则简化为：时，则简化为： 3275. 1mfffppsmfgdu上列诸式中的上列诸式中的 是临界状态下的孔隙率，在没有实验数是临界状态下的孔隙率，在没有实验数据时可用下列两式估算：据时可用下列两式估算：
44、mf111141322mfsmfmfs和P10P10表表1-11-1中列出了某些物料的中列出了某些物料的mf数据，可供参考。数据，可供参考。2 2、临界速度的经验公式、临界速度的经验公式 关于临界速度的计算，还有许多经验公式，这些公式是关于临界速度的计算，还有许多经验公式，这些公式是在一定条件下经过大量试验后归纳而得，都有一定局限性，在一定条件下经过大量试验后归纳而得，都有一定局限性，所以在流化床的设计中，最好是采用同类型流化床的实际测所以在流化床的设计中，最好是采用同类型流化床的实际测定数据。定数据。3 3、临界速度的实际测定、临界速度的实际测定 实际测定临界流化速度具体方法如下：为了克用解
45、锁的干扰，通实际测定临界流化速度具体方法如下：为了克用解锁的干扰，通常用降低速度使床层自流态床缓慢复至固定床，同时记录下相应常用降低速度使床层自流态床缓慢复至固定床，同时记录下相应的气体速度和床层压降，在双对数坐标下标绘得到图所示的曲线。的气体速度和床层压降，在双对数坐标下标绘得到图所示的曲线。然后，按固定床区规律和流态化床区规律各画延长线（不计中间然后，按固定床区规律和流态化床区规律各画延长线（不计中间数据），这两条直线的交点即是临界流化点数据），这两条直线的交点即是临界流化点B B，其横坐标对应的，其横坐标对应的值即为临界流化速度值即为临界流化速度 。图中的。图中的 分别为起始流化速度分别
46、为起始流化速度和气固流态化速度，对于粒度分布较窄的床层，两者应很接近。和气固流态化速度，对于粒度分布较窄的床层，两者应很接近。mfutfbfuu 和ABCubfumfutf床层压降流化速度图1-11 临界流化速度的实测法图中： 起始流化速度； bfu完全流化速度。 tfu例：例：P10【1-2】 前已述及，流体速度大于临界流化速度，小于极限速度时才前已述及，流体速度大于临界流化速度，小于极限速度时才能形成流化床。当流体达到极限速度以上时，便达到流体输送能形成流化床。当流体达到极限速度以上时，便达到流体输送或快速流态化阶段，此时大量固体颗粒彼此被流体带出，流体或快速流态化阶段，此时大量固体颗粒彼
47、此被流体带出，流体的极限速度等于颗粒沉降时的终端速度，可用下式计算：的极限速度等于颗粒沉降时的终端速度，可用下式计算：2134dtfpptCgdu式中：式中：tu极限速度或终端速度，极限速度或终端速度，m/sm/s；dC阻力系数。阻力系数。 阻力系数是雷诺数和固体颗粒表面形状系数的函数，通常阻力系数是雷诺数和固体颗粒表面形状系数的函数，通常以实验方法求得。以实验方法求得。2RepdCpRes 对于任意形状固体颗粒，其终端速度可用对于任意形状固体颗粒，其终端速度可用P11P11图图1-121-12求取。图求取。图中一族曲线表明了中一族曲线表明了和和在颗粒表面形状系数在颗粒表面形状系数不同时的函数
48、关系。不同时的函数关系。pRe2RepdC该曲线图的横坐标为雷诺数该曲线图的横坐标为雷诺数，纵坐标为，纵坐标为。其中：其中：fffppudRe23234ReffpfppdgdC（不含速度项）（不含速度项）tu2RepdCspRetu在解定在解定时，首先根据已知数求出时，首先根据已知数求出值，然值，然查得雷诺数查得雷诺数值，值，值。值。后从图中根据表面形状系数后从图中根据表面形状系数再根据雷诺数反求出终端速度再根据雷诺数反求出终端速度例：例：1 1、P11P11【例【例1-31-3】2 2、P11P11【例【例1-41-4】一、流化床内的传热一、流化床内的传热1 1、流化床的床层温度、流化床的床
49、层温度流化床内的传热有两大特征：流化床内的传热有两大特征：（1）床层温度分布均匀）床层温度分布均匀无论在水平方向还是在垂直方向几乎都是均匀一致的。无论在水平方向还是在垂直方向几乎都是均匀一致的。 原因：原因：这是由于流化床内的流体一般为湍流流动，并且固体这是由于流化床内的流体一般为湍流流动，并且固体颗粒在流化床层中实际上具有相当大的循环速度，粒子发生颗粒在流化床层中实际上具有相当大的循环速度，粒子发生强烈的扰动的结果。强烈的扰动的结果。 对于欲加热或冷却的固体颗粒，即使是大量地加入到流化对于欲加热或冷却的固体颗粒，即使是大量地加入到流化床中，在稳定操作条件下其床层内的温度一般波动变化不大。床中
50、，在稳定操作条件下其床层内的温度一般波动变化不大。因此在流化床中可以使所有粒子的温度保持在过程所需要的范因此在流化床中可以使所有粒子的温度保持在过程所需要的范围内，故适用于反应过程需要均一的温度或对于热敏感性物质围内，故适用于反应过程需要均一的温度或对于热敏感性物质的处理。的处理。 此外流化床易于实现自动化操作和控制，这就是流化床此外流化床易于实现自动化操作和控制，这就是流化床在工业上得到广泛应用的主要原因。在工业上得到广泛应用的主要原因。 例：例：水泥生产中的流态化分解炉水泥生产中的流态化分解炉MFCMFC，在正常流态化状态下，在正常流态化状态下床内温度均匀，很少出现局部过热或结皮或堵塞现象