固体流态化和气力输送

1、 固体流态化和气力输送第一节第一节 概述概述第二节第二节 固体流态化固体流态化第三节第三节 气力输送气力输送第一节第一节 概概 述述固体流态化固体流态化 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似流体的某些表观特性，这种流固接触状态称固体具有类似流体的某些表观特性，这种流固接触状态称固体流态化。流态化。 1942 1942年美国成功地将流态化技术应用到石油加工工业年美国成功地将流态化技术应用到石油加工工业的催化反应上，使催化裂化由间歇操作变为连续操作，大的催化反应上，使催化裂化由间歇操作变为连续操作，大大提高了设备的生产能力，以后又在石

2、油化工、冶金及原大提高了设备的生产能力，以后又在石油化工、冶金及原子能工业等部门应用范围日益扩大，已成为我国石油加工子能工业等部门应用范围日益扩大，已成为我国石油加工工业部门中的重要技术。工业部门中的重要技术。高低并列提升管催化裂化装置高低并列提升管催化裂化装置优点：优点： 颗粒剧烈搅拌，床层各部分温度均匀，避免了颗粒剧烈搅拌，床层各部分温度均匀，避免了局部过热；局部过热； 流化层中常用流化层中常用2020100m100m的粒子，因此床层中的粒子，因此床层中固体或气体与固体的接触表面积大，利于传热、固体或气体与固体的接触表面积大，利于传热、传质速率的提高；传质速率的提高； 床层中颗粒的运动犹如

3、流体，易于从装置输入床层中颗粒的运动犹如流体，易于从装置输入和输出，使过程连续化；和输出，使过程连续化；第一节第一节 概概 述述缺点：缺点： 粒子搅拌剧烈，无法保证流体与粒子间的逆流接触及轴粒子搅拌剧烈，无法保证流体与粒子间的逆流接触及轴向的温度与浓度梯度，对传质、传热及化学反应不利；向的温度与浓度梯度，对传质、传热及化学反应不利； 由于床中粒子的混合作用，无法将新鲜粒子与失活粒子由于床中粒子的混合作用，无法将新鲜粒子与失活粒子完全分开；完全分开； 颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重，生成的细颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重，生成的细粉易被气体带出，加大了损失量，同时要求具有较高效率

4、粉易被气体带出，加大了损失量，同时要求具有较高效率的除尘设备；的除尘设备； 流化床反应器中流体流速与固体粒子性质有关，许可变流化床反应器中流体流速与固体粒子性质有关，许可变化范围较窄。化范围较窄。第一节第一节 概概 述述第二节第二节 固体流态化固体流态化一、流化床的不同阶段一、流化床的不同阶段固定床阶段：固定床阶段： 空床气速（表观速度）空床气速（表观速度）u u 低；低； 实际流速实际流速u um m沉降速度沉降速度u ut t ； 颗粒静止不动，床层高度不颗粒静止不动，床层高度不变变流化床流化床阶段：阶段： 表观速度表观速度u u 曳力重力，床曳力重力，床层开始流化层开始流化床层空隙率床层

5、空隙率； 实际流速实际流速u um m = = 颗粒沉降速度颗粒沉降速度u ut t 时，时，颗粒悬浮于流体中，形成流化床；颗粒悬浮于流体中，形成流化床； 颗粒彼此脱离，做不规则运动，但颗粒彼此脱离，做不规则运动，但不脱离床层，床层有明显上界面。不脱离床层，床层有明显上界面。第二节第二节 固体流态化固体流态化流化床存在的基础是大量颗粒的流化床存在的基础是大量颗粒的群居。群居的大量颗粒通过床层群居。群居的大量颗粒通过床层的膨胀调整空隙率，从而在一个的膨胀调整空隙率，从而在一个相当宽的气速范围内悬浮于气流相当宽的气速范围内悬浮于气流之中，这是流化床能够存在的物之中，这是流化床能够存在的物理基础。理

6、基础。颗粒输送阶段：颗粒输送阶段： 实际速度实际速度u um m 颗粒沉降速度颗粒沉降速度u ut t， 颗粒被带出颗粒被带出 气力输送阶段气力输送阶段第二节第二节 固体流态化固体流态化二、流化床的流化类型二、流化床的流化类型散式流态化（散式流态化（Particulate fluidizationParticulate fluidization）特征：颗粒分散均匀，随流速增加特征：颗粒分散均匀，随流速增加床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定、加，床层上界面平稳，压降稳定、波动很小。波动很小。一般流一般流- -固两相密度差较小的体系固两相密度差

7、较小的体系呈现散式流态化特征，如液呈现散式流态化特征，如液- -固流固流化床。化床。 第二节第二节 固体流态化固体流态化聚式流态化聚式流态化（Aggregative fluidizationAggregative fluidization）：特征：特征：s s，形成气，形成气泡，长大并破裂，床层波泡，长大并破裂，床层波动剧烈，膨胀程度不大，动剧烈，膨胀程度不大，上界面起伏不定。上界面起伏不定。一般出现在流一般出现在流- -固两相密度差较固两相密度差较大的体系，如气大的体系，如气- -固流化床。固流化床。第二节第二节 固体流态化固体流态化鼓泡鼓泡流态化流态化聚式与散式流态化的判断：聚式与散式流态

8、化的判断：气气- -固流态化与液固流态化与液- -固流态化并不是区分聚式与散固流态化并不是区分聚式与散式流态化的唯一依据，在一定的条件下气式流态化的唯一依据，在一定的条件下气- -固床固床可以呈现散式流态化可以呈现散式流态化( (密度小的颗粒在高压气体密度小的颗粒在高压气体中流化中流化) )或者液或者液- -固床呈现聚式流态化固床呈现聚式流态化( (重金属颗重金属颗粒在水中流化粒在水中流化) )行为。行为。第二节第二节 固体流态化固体流态化100mfppmfmfDReLFr100mfppmfmfDReLFr2mfpmfgudFr散式流态化散式流态化聚式流态化聚式流态化临界流化条件下的弗鲁德数临

9、界流化条件下的弗鲁德数根据流根据流- -固两相的性质及流化床稳定性理论，固两相的性质及流化床稳定性理论，B.BomeroB.Bomero 和和I.N.JohansonI.N.Johanson 提出了如下的准数群判据：提出了如下的准数群判据： 第二节第二节 固体流态化固体流态化mfL临界流化床层高度，临界流化床层高度，D D 为床层直径为床层直径 mfpmfpud)(Re临界流化条件下颗粒的雷诺数临界流化条件下颗粒的雷诺数三、流化床的主要特性类似于液体的特性：类似于液体的特性：(c)(d)(a)(b)pL(e)uuuuuu轻物轻物浮起浮起床面床面呈水平呈水平压强符合流体静力学压强符合流体静力学流

10、动性流动性连通床面趋连通床面趋于水平于水平第二节第二节 固体流态化固体流态化固体颗粒剧烈运动与迅速混合：固体颗粒剧烈运动与迅速混合： 强烈的碰撞与摩擦：强烈的碰撞与摩擦： 固体颗粒上升，必有等量颗粒下降，使颗粒均固体颗粒上升，必有等量颗粒下降，使颗粒均匀混合，但导致停留时间不均，固体产品的质匀混合，但导致停留时间不均，固体产品的质量不均；量不均；颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重，颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重，生成的细粉易被气体带出，加大了损失量；生成的细粉易被气体带出，加大了损失量；第二节第二节 固体流态化固体流态化气流的不均匀分布与气固床层的不均匀气流的不均匀分布与气固床层的

11、不均匀接触接触聚式流化床的不正常操作聚式流化床的不正常操作沟流：沟流： 床层中出现气沟；床层中出现气沟； 床层部分流化，部分形成床层部分流化，部分形成“死床死床”； 气体与颗粒不能良好接触，气体与颗粒不能良好接触， 工艺过程严重恶化；工艺过程严重恶化； 流化部分空隙率大，床层压降较正常时低。流化部分空隙率大，床层压降较正常时低。第二节第二节 固体流态化固体流态化粒径：颗粒直径小，易内聚成较大粒团；粒径：颗粒直径小，易内聚成较大粒团；粒子的形状与密度：粒子的形状与密度： 球型度球型度，密度，密度P P易发生沟流；易发生沟流；粒子的湿度：湿度粒子的湿度：湿度颗粒易粘结颗粒易粘结易发生沟流；易发生沟

12、流；流体分布板设计不完善，或升气孔太少。流体分布板设计不完善，或升气孔太少。影响沟流程度的主要因素：影响沟流程度的主要因素：第二节第二节 固体流态化固体流态化节涌（腾涌，节涌（腾涌，lugginglugging）：）：气泡汇合占满床层，床层波动，压降波动；气泡汇合占满床层，床层波动，压降波动； 床层稳定性下降，磨损严重。床层稳定性下降，磨损严重。第二节第二节 固体流态化固体流态化 颗粒粒径大，颗粒、流体密度差大；颗粒粒径大，颗粒、流体密度差大； 流体空床气速大，分布板开孔大易形成大气泡；流体空床气速大，分布板开孔大易形成大气泡； 床层高径比过大。床层高径比过大。注：注：节涌与沟流都会使气节涌与

13、沟流都会使气固两相接触不充分、不均匀、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。流化质量不高，使传热、传质和化学反应效率下降。第二节第二节 固体流态化固体流态化引起节涌的原因：引起节涌的原因：恒定的压降：恒定的压降：gAmAmgPssss)()(流化床的截面积床层颗粒受到的浮力床层颗粒重量gggAmPssssss)(1(L)(A)1(LA)(定值定值第二节第二节 固体流态化固体流态化VVsV空隙率V为床层体积VS为固体颗粒体积loglogP Plogulogu图：图：ABAB段：固定床阶段，段：固定床阶段， P u 1 KuP起始流起始流化速度化速度B B点：颗粒

14、开始流化点：颗粒开始流化 u umfmfBCBC段：流化床阶段，段：流化床阶段，L L，P P 恒定；恒定；CDCD段：气力输送段，颗粒逐渐减少，段：气力输送段，颗粒逐渐减少， P P下降下降空管流动阻力空管流动阻力说明：说明：由由BCBC段减小流体速度，压降返回线段减小流体速度，压降返回线B BA A，有，有明显转折，且明显转折，且P PABABP PA AB B ；PP = = 单位床层横截面积内固体颗粒的表观重量单位床层横截面积内固体颗粒的表观重量（重量（重量- -浮力），与速度无关，为定值；浮力），与速度无关，为定值；流化床操作范围：流化床操作范围： 临界流化速度临界流化速度 u um

15、fmf u u带出速度带出速度u ut t；第二节第二节 固体流态化固体流态化可由可由P P 数值的变化了解床层是否流化，数值的变化了解床层是否流化，稳定性和正常性：稳定性和正常性： 起伏Slog ulog pBlog ulog pbbW Ap正常值（聚式流化）沟流低于正常值：节涌波动剧烈：恒定：流化正常 PPP第二节第二节 固体流态化固体流态化四、流化床的操作范围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：实验测定：实验测定：B B点（点（ABAB与与BCBC段的交点）；段的交点）；第二节第二节 固体流态化固体流态化经验关联式计算：经验关联式计算：流化床压降

16、：流化床压降： gLPs)1)(小固体颗粒固定床压降（小固体颗粒固定床压降（R ReP eP 1010）-康采尼康采尼(Kozeng)(Kozeng)公式：公式： uLdP232)-(1180P（A A）（B B）起始流化时，（起始流化时，（A A）（）（B B）（）（L=LL=Lmfmf ，mfmf），则：），则：gsPd)()-180(1u2mf3mfmf第二节第二节 固体流态化固体流态化说明：说明：该式适用于该式适用于R ReP eP 1010的起始流化速度的计算；的起始流化速度的计算； 对非球形颗粒：引入对非球形颗粒：引入（将式中（将式中d dP P 用用ddP P 代替）；代替）；

17、不均匀颗粒：引入比表面积平均直径（邵特直径）；不均匀颗粒：引入比表面积平均直径（邵特直径）； 球形颗粒球形颗粒mf mf =0.4=0.4，则上式可写为：，则上式可写为： 空床速度-u udRPePgsPd)(00059. 0u2mf第二节第二节 固体流态化固体流态化带出速度带出速度u ut t流化床操作的上限：流化床操作的上限：u ut t = = 颗粒在流体中的沉降速度颗粒在流体中的沉降速度操作范围：操作范围：u umfmfuuuut t 的最小粒径决定由不希望被带出的颗粒由平均直径决定tmfuu流化数流化数N N ：N N = =实际操作流体速度实际操作流体速度/ /起始流化速度起始流化

18、速度= =u/uu/umfmf第二节第二节 固体流态化固体流态化五、流化床高度及分离高度膨胀比膨胀比R R ：11mfmfLLR密相区高度密相区高度L L与床层空隙率与床层空隙率： 散式流化具有空隙率随流化数均匀变化的规律；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。个较难确定的参数。第二节第二节 固体流态化固体流态化分离高度（分离高度（ H H 或或 TDHTDH）：）： （Transport Disengaging HeightTransport Disengaging Height）LTDH床高气体中颗粒的浓度 固体颗粒浓度达定值的固体颗粒浓度达定值的这一点距离床层上界面的这一点距离床层上界面的距离。距离。 流化床膨胀高度以上颗流化床膨胀高度以上颗粒可以依靠重力沉降回落粒可以依靠重力沉降回落的高度的高度第二节第二节 固体流态化固体流态化说明：说明： 即使设备出口再高也不能减少颗粒的带出量，即使设备出口再高也不能减少颗粒的带出