流态化.ppt

第五章 流态化及气力输送,流态化技术的应用,物理过程：干燥、移热、气力输送、包涂、吸附,合成反应：苯酐、醋酸乙烯、丁稀氧化脱氢制丁二烯 、顺丁烯二酸酐（马来酸酐）、乙烯氧氯化制二氯乙烷,矿石焙烧：硫铁矿焙烧、铁矿石的预还原、贫铁矿磁化焙烧、氧化铝煅烧、石灰石煅烧,能源化工（石油、煤和生物质）：催化裂化、重油裂化、费托合成、煤（生物质）燃烧或气化,核化工、生物化工、环境化工等,干燥,移 热,能源（石油、煤炭和生物质）加工,流化催化裂化过程FCC,煤（和生物质）的燃烧,固体颗粒流态化 (Fluidization),流态化(流化床)：颗粒在流体中悬浮或随其一起流动。 强化颗粒与流体间的传热、传质与化学反应特性。,流态化过程及流化床操作范围,流态化过程床层压降及床高变化曲线,初始流态化： 临界流化速度 umf 临界空隙率mf 颗粒被气流带出： 带出速度 u（=ut）,流化床操作范围：临界流化速度 umf 与带出速度之间,流化床的形成及流化相图,流体通过颗粒层的三个阶段,当流体速度介于上述两者之间，成为流化床。,流化床,流化床阶段,床层受力情况为： 重力（向下）= （SI） 浮力（向上）= （SI） 阻力= 当几种力平衡时，即开始流化，即 重力=浮力+阻力 = 整理后得：,uumf时，由于颗粒床层的重量不变，即 因此， 等于定值，故 不变 在气固系统，p， 可忽略,临界流化速度,umf是流化床的特性，是固定床变为流化床的一个转折点。可由实验测定的pb u 曲线得到较准确的值。 初始流化时，床层内颗粒群（注意不是单颗粒）所受的曳力、浮力与重力相平衡，即流体通过床层的阻力 pb 等于单位床层面积上颗粒所受的重力与浮力之差,因该状态下床层压降也符合欧根方程，将其与上式联立并用（AdeV）代替 dea，可得,临界流化速度,当 deV 较大，umf 对应的Rep1000 时，左侧第一项可忽略，,注意：计算 umf 的准确程度及可靠范围取决于关联式本身。应充分估计 umf 计算值的误差。最好以实验测定为准。,颗粒几何性质及床层 mf 可用经验式估算,当 deV 较小，umf 对应的 Rep2 时，左侧第二项可忽略。则,临界流化速度,对于球形颗粒， Rep2 时,对于非球形颗粒，当Rep5时,带出速度ut,球形颗粒（当Rep2时） 对非球形颗粒，可对球形颗粒的ut加以修正修正系数,流化数,流化数F=u/umf：操作气速与起始流化速度之比。 一般流化床的流化数F在10100之间，但对于细颗粒，由于床层中粒团的存在，流化数可高达1000以上仍能正常操作。如催化裂化装置的再生器 u=0.81.2m/s,流化床主要特性及流化类型,充分流态化的床层表现出类似于液体的性质：,密度比床层平均密度 m 小的物体可以浮在床面上 床面保持水平 服从流体静力学，即高差为 L 的两截面的压差P =mgL 颗粒具有与液体类似的流动性，可以从器壁的小孔喷出 联通的流化床能自行调整床层上表面使之在同一水平面上,不正常的流化现象,腾涌(Slugging)：颗粒层被气泡分成几段并像活塞一样被推动上升，在顶部破裂后颗粒回落。腾涌时床层高度起伏很大，器壁被颗粒磨损加剧，引起设备震动，损伤床内构件。 沟流：大量气体经过局部截面通过床层，其余部分仍为固定床而未流化(“死床”)。 腾通与沟流都会使气固两相接触不充分、不均匀、流化质量不高，使传热、传质和化学反应效率下降。,大高径比床层,大直径床层,改善聚式流化质量的措施,气体分布板：高阻分布板 (10%pb，且0.35mmH2O) 可使气体初始分布均匀，以抑制气泡的生成和沟流的发生。,多孔板,风帽,管式,内部构件：阻止气泡合并或破碎大气泡。 宽分布粒度：宽分布粒度的细颗粒可提高床层的均化程度。 床层振动： 气流脉动：,聚式与散式流态化的判断,散式流态化（Particulate fluidization）：,特征：颗粒分散均匀，随着流速增加床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定、波动很小。 散式流态化是较理想的流化状态。一般流-固两相密度差较小的体系呈现散式流态化特征，如液-固流化床。,聚式流态化（Aggregative fluidization）：,特征：颗粒分布不均匀，床层呈现两相结构。即颗粒浓度与空隙率分布较均匀且接近初始流化状态的连续相(乳化相)和以气泡形式夹带着少量颗粒穿过床层向上运动的不连续相(气泡相)。又称鼓泡流态化。 一般出现在流-固两相密度差较大的体系，如气-固流化床。,聚式与散式流态化的判断,气-固流态化与液-固流态化并不是区分聚式与散式流态化的唯一依据，在一定的条件下气-固床可以呈现散式流态化(密度小的颗粒在高压气体中流化)或者液-固床呈现聚式流态化(重金属颗粒在水中流化)行为。,散式流态化,聚式流态化,临界流化条件下的弗鲁德数，D为床径,根据流-固两相的性质及流化床稳定性理论，B.Bomero 和I.N.Johanson 提出了如下的准数群判据：,流化床床层高度及分离高度,流化数,散式流化具有空隙率随流化数均匀变化的规律 聚式流化乳化相的空隙率几乎不变，床层膨胀主要由气泡相的膨胀所引起。聚式流化床膨胀比是一个较难确定的参数。,床层的流化状态和流化质量与流化数有很大关系,实际操作流速与临界流化速度之比 u/umf,膨胀比 R,流化床的膨胀高度 L 与临界流化高度之比,流化床床层高度及分离高度,分离高度 H 或 TDH（Transport Disengaging Height）： 流化床膨胀高度以上颗粒可以依靠重力沉降回落的高度。超过这一高度后颗粒将被带出。TDH 的确定对流化床气体出口位置的设计具有重要意义。,广义流态化体系,对高流化数(数百)下的操作，可在床顶设置旋风分离器将随气流带出的颗粒(ut u)回收并返回床内。 广义流态化体系：包括密相层、稀相段和颗粒输送段。,例：流态化催化裂化装置： 原料油高温气化后与催化剂颗粒在提升管内形成高速并流向上的稀相输送，23秒即可完成原料油的催化裂解反应。催化剂经旋风离器分离后由下行管进入再生器，被从底部送入的空气流化再生，停留时间约为712分钟。,气力输送 (Pneumatic transport),气力输送：在密闭的管道中借用气体(最常用的是空气)动力使固体颗粒悬浮并进行输送。 输送对象：从微米量级的粉体到数毫米大小的颗粒。 优点：效率高；全密闭式的输送既可保证产品质量、又可避免粉体对环境的污染；容易实现管网化和自动化；可在输送过程中同步进行气固两相的物理和化学加工(颗粒干燥、表面包裹、气固反应等)。 缺点：能耗高，设计和操作不当易使颗粒过度碰撞而磨蚀、破碎，同时造成管道和设备的磨损。,气力输送 (Pneumatic transport),气源,颗粒进料与加速段,稳定输送段,气固分离装置,垂直气力输送管内流型,气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图,颗粒-流体两相的流体动力学特征常表现为流型转变,垂直气力输送,影响参数：气体流速 敏感参数：输送管内的压降,系统动力消耗评价指标 用来表征流型,稀相输送与密相输送,均相,轻微 团聚,聚团,节涌,气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图,水平气力输送,输送中重力的作用方向与流动方向垂直，使颗粒保持悬浮的不再是曳力、而是水平流动的气流对颗粒产生的升力，因此管内流型（主要是密相）也有所不同。,均匀稀相,颗粒堆积,“沉寂”速度,“沙丘”流,水平“拴塞”,气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图,气力输送装置的压降包括输送段压降、除尘装置压降和系统内各管件、阀件压降。,pf 气体与管壁的摩擦损失 pa 颗粒加速所需的惯性压降 pr 使颗粒悬浮并上升的重力压降 pi 颗粒自身及与管壁的碰撞与摩擦压降,直管输送段压降 p,两相模型,流体相,把流体和颗粒看作具有相互作用的两相，在微元长度 L 内，分别以流体相和颗粒相为控制体进行动量衡算，得到,颗粒相,u, c 气相与颗粒相在管内的平均流速 mg , mp 气相和颗粒相在控制体内的质量,若微元管段内的空隙率为，则,颗粒相,流体相,两相模型,气相对颗粒相的曳力 Fd ：对粒径为 dp 的颗粒,两相滑移速度,流体相摩擦阻力Ff,g：假定管内自由截面分率与 相等，则,而将颗粒相的摩擦阻力 Ff,p 表达为,压降梯度对两相的作用力 Fp,g 和 Fp,p 分别表达为,两相模型,以上各式中所有动力学参数及颗粒相摩擦系数 p 直接与管内空隙率有关。气力输送中固体加料速率和两相的流速都直接影响空隙率的大小。,气力输送加料比,颗粒质量流率为G，流体质量流率为w，则,粗略估算时常以加料比判断流型，例如有人将 = 15 作为密相输送与稀相输送的分界线。实际上，即使加料比相同，两相的物性或流速不同，气力输送管道中固体颗粒的真实体积密度并不一样。,或以体积流率之比 来表达则为,两相模型,在均匀分布条件下，空隙率与颗粒流速 c、气体实际流速 u1的关系为,气固两相间的相互作用力 Fd 是两相模型的核心，目前要预测其大小尚有许多困难，因此限制了两相模型的实际应用。,拟均相法,将两相视为一体来考察则不用考虑两相间的相互作用 Fd ，使问题得到简化 (在稀相输送条件下与实际情况相符)。 稳定输送段，颗粒、流体两相的加速度都为零时：,水平输送前两项可略去,颗粒流速 c 可用 IGT (Institute of Gas Technology) 修正式计算：,Konno & Saito 计算公式,式中： 流体相的摩擦系数 p 颗粒相的摩擦系数,气力输送的类型及装置,稀相输送（ 15） 负压体系：一般为稀相输送,气力输送的类型及装置,正压体系： 低压：100 kPa；中压：300 kPa；高压：1000 kPa,气力输送的类型及装置,组合体系：,气力输送的类型及装置,气力输送系统风机的选用,风机特性曲线与流型图上的压降特性曲线适配。 如图，加料量为 G1 时，风机 II 和风机 I 均能满足稀相输送的操作条件。