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1、第三章 固体流态化技术第1页，本讲稿共27页流态化技术是流态化技术是20世纪四十年代化工原理上的重大发现，世纪四十年代化工原理上的重大发现，运用非常广泛。运用非常广泛。大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，颗粒具有类似大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，颗粒具有类似 于流体的表观特性，这种流固接触状态称为于流体的表观特性，这种流固接触状态称为固体流态化固体流态化。二次大战后，石油催化裂化的催化剂再生，原来是通空气使二次大战后，石油催化裂化的催化剂再生，原来是通空气使表面炭层烧除，易发生危险，用流化技术后得到改进，石油加表面炭层烧除，易发生危险，用流化技术后得到改进，石油加工得到发展。工得到发展。第2
2、页，本讲稿共27页第3页，本讲稿共27页一、流化床的基本概念一、流化床的基本概念1、流态化的理论根据、流态化的理论根据单颗粒运动单颗粒运动悬浮 上浮下沉uut第4页，本讲稿共27页2、流态化机理通过调节气速，改变床层的空隙率，使床层处于流态化。固定床阶段 流化床阶段 颗粒输送阶段第5页，本讲稿共27页此时流体的真正速度 u u0 固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷却、干燥、吸附、煅烧和气却、干燥、吸附、煅烧和气 固反应等过程中。固反应等过程中。第6页，本讲稿共27页3、流化床存在的基础、流化床存在的基础大量颗粒群居大量颗粒群居 颗粒
3、能在相当宽范围内悬而不走，离开群体的个别颗粒上升后，速度将减小，则会回落。第7页，本讲稿共27页二、实际流化现象二、实际流化现象 聚式流化聚式流化 气-固系统 存在空穴（气泡）的移动和合并 空穴破裂 界面起伏 界面以下 浓相区界面以上 稀相区流态化按其性状的不同，可以分成两类，流态化按其性状的不同，可以分成两类，即散式流态化和聚式流态化。即散式流态化和聚式流态化。散式流化散式流化 液-固系统 固体颗粒均匀分布、上界面清晰 聚式流化床 散式流化床 第8页，本讲稿共27页三、流化床的主要特性三、流化床的主要特性1 1、液体样特性、液体样特性2 2、固体颗粒的均匀混合、固体颗粒的均匀混合流化床的主要
4、优点 流化床的一般特性第9页，本讲稿共27页腾涌现象的特征，就是气泡直径大到与床径相等，将床层分为几段，变成一段气泡和一段颗腾涌现象的特征，就是气泡直径大到与床径相等，将床层分为几段，变成一段气泡和一段颗粒的相互间隔状态。此时颗粒层被气泡像活塞一样向上推动，达到一定高度后气泡破裂，引起粒的相互间隔状态。此时颗粒层被气泡像活塞一样向上推动，达到一定高度后气泡破裂，引起部分颗粒的分散下落。腾涌发生时，床层的均匀性被破坏，使气固相的接触不良，严重影响产部分颗粒的分散下落。腾涌发生时，床层的均匀性被破坏，使气固相的接触不良，严重影响产品的产量和质量，并且器壁磨损加剧，引起设备的振动。品的产量和质量，并
5、且器壁磨损加剧，引起设备的振动。产生的原因：出现腾涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压降大于理论值，而气泡破产生的原因：出现腾涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压降大于理论值，而气泡破裂时又低于理论值，即压降在理论值上下大幅度波动。一般来说，床层越高、容器直径越小、裂时又低于理论值，即压降在理论值上下大幅度波动。一般来说，床层越高、容器直径越小、颗粒越大、气速越高，越容易发生腾涌现象。颗粒越大、气速越高，越容易发生腾涌现象。处理方法：在床层过高时，可以增设挡板以破坏气泡的长大，避免腾涌发生。处理方法：在床层过高时，可以增设挡板以破坏气泡的长大，避免腾涌发生。3、气流的不均匀分布和气、气流的
6、不均匀分布和气-固的不均匀接触固的不均匀接触 P174第10页，本讲稿共27页沟流对反应过程的影响：沟流现象发生时，大部分气体没有沟流对反应过程的影响：沟流现象发生时，大部分气体没有与固体颗粒很好接触就通过了床层，这在催化反应时会引起催与固体颗粒很好接触就通过了床层，这在催化反应时会引起催化反应的转化率降低。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造化反应的转化率降低。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿命和效率。命和效率。第11页，本讲稿共27页流化床床层压降=（重量-浮力）/单位床截面积 流化
7、阶段，压降与气速无关，始终保持定值4、恒定的压降、恒定的压降流化床的重要优点固定床 流化床 带出开始 C B A 起始流化速度 D（带出速度）表观速度 Pu流体通过颗粒床层的压降第12页，本讲稿共27页推导：推导：即：流化床层阻力即：流化床层阻力=单位面积床层中颗粒的总重力，单位面积床层中颗粒的总重力，因此流化床阶段，床层压降基本恒定。因此流化床阶段，床层压降基本恒定。流化床阶段，近似认为颗粒处于动态平衡。第13页，本讲稿共27页流化床的优缺点比较流化床的优缺点比较 颗粒混合均匀床层温度差小具有流动性便于输送恒定压降可使用小颗粒优点：优点：小颗粒 大（比表面积），则阻力大。对固定床则不同，第1
8、4页，本讲稿共27页 流动不均匀（空穴的存在引起），催化剂利用率、反应器利用率较低。催化剂破碎严重（相互碰撞引起），损失大。（一般需配套良好的旋风分离器）缺点：缺点：主要用途：主要用途：强放热反应催化剂再生细颗粒干燥FCC 第15页，本讲稿共27页四、流化床的操作范围四、流化床的操作范围因为床层的非均匀性，不能简单以颗粒直径求起始流化速度 umf原因在于：1、起始流化速度、起始流化速度 umf 流化床操作范围下限流化床操作范围下限第16页，本讲稿共27页二者压降相等 起始流化点为固定床阶段与流化床阶段之交点Umf为流化为流化床操作范围床操作范围下限下限固定床 流化床 带出开始 C B A 起始
9、流化速度 D（带出速度）表观速度 logPlog u第17页，本讲稿共27页常见小颗粒的起始流化速度常见小颗粒的起始流化速度 umf：（非均匀颗粒）如颗粒直径相差 6 倍以上，当大颗粒起动，而小颗粒已被带走；公式不适用于粒径变化很大的颗粒床层。此公式计算的 umf 偏差较大（34%），实际 umf 应以实验测定值为准；但公式提供了影响 umf 的变量，当实验条件与操作条件不同时，可用来对实验结果进行修正。第18页，本讲稿共27页流化数（操作范围）=流化床实际操作速度/起始流化速度小颗粒操作范围 大颗粒操作范围 流化床操作范围上限流化床操作范围上限小颗粒大颗粒2、带出速度、带出速度固定床 流化床
10、 带出开始 C B A 起始流化速度 D（带出速度）表观速度 logPlog u第19页，本讲稿共27页【例【例3-11】某流化床在常压、】某流化床在常压、20下操作，固体颗粒群的直径下操作，固体颗粒群的直径范围为范围为50175mm，平均颗粒直径为，平均颗粒直径为98mm，其中直径大于，其中直径大于60mm的颗粒不能被带出，试求流化床的初始流化速度和带出的颗粒不能被带出，试求流化床的初始流化速度和带出速度。其它已知条件为：固体密度为速度。其它已知条件为：固体密度为1000kg/m3，颗粒的球形度，颗粒的球形度为为1，初始流化时床层的空隙率为，初始流化时床层的空隙率为0.4。解：查表得解：查表
11、得20空气的粘度空气的粘度0.0181 mPas、密度密度1.205kg/m3。（1）允许最小气速就是用平均直径计算的）允许最小气速就是用平均直径计算的umf。假设颗粒的雷。假设颗粒的雷诺数诺数Reb20，由式，由式3-94可以写出其临界流化速度为可以写出其临界流化速度为p177第20页，本讲稿共27页校核雷诺数校核雷诺数由于不希望夹带直径大于由于不希望夹带直径大于60mm的颗粒，因此最大气速不的颗粒，因此最大气速不能超过能超过60mm的颗粒的带出速度的颗粒的带出速度ut。假设颗粒沉降属于滞流。假设颗粒沉降属于滞流区，其沉降速度用斯托克斯公式计算，即区，其沉降速度用斯托克斯公式计算，即第21页
12、，本讲稿共27页（3）流化数）流化数颗粒沉降速度和临界流化速度之比为颗粒沉降速度和临界流化速度之比为29:1，最大颗，最大颗粒能够流化。一般情况下，所选气速不应太接近粒能够流化。一般情况下，所选气速不应太接近ut 或或umf。通常取操作流化速度为（。通常取操作流化速度为（0.4-0.8）ut。第22页，本讲稿共27页五、流化质量五、流化质量(教材上没有教材上没有)流化质量反映了流化床内流化分布及流固两相接触均匀流化质量反映了流化床内流化分布及流固两相接触均匀程度，内部不稳定性是导致流化质量不高的根源。程度，内部不稳定性是导致流化质量不高的根源。（空穴导致阻力减小（空穴导致阻力减小空穴增大空穴增
13、大导致内部不稳定性）导致内部不稳定性）空穴空穴沟流沟流死床死床第23页，本讲稿共27页多孔板风帽管式1、增加分布板阻力、增加分布板阻力2、采用内部构件、采用内部构件 3、采用小直径、宽分布的颗粒、采用小直径、宽分布的颗粒 提高流化利用率的措施 P1784、采用细颗粒、高气速流化床、采用细颗粒、高气速流化床 第24页，本讲稿共27页3.4.5 气力输送（自学）气力输送（自学）第25页，本讲稿共27页气力输送气力输送(Pneumatic transport)(Pneumatic transport)气源颗粒进料与加速段稳定输送段气固分离装置第26页，本讲稿共27页垂直气力输送管内流型 均相轻微团聚 聚团 节涌 水平气力输送管内流型 均匀稀相 颗粒堆积“沉寂”速度“沙丘”流 水平“拴塞”第27页，本讲稿共27页