化工原理第八章固体流态化

1、第八章 固体流态化第一节 流化（固体流态化）流态化： 使颗粒状固体与流动的液体或气体接触，并在流体中受力而表现出类似流体流动的现象。流态化技术优点、用途：用途： 实现化学反应 硫铁矿焙烧 干燥固体物料 流化干燥（如：谷物干燥、粉料干燥） 吸附传质分离 流化床吸咐与再生（活性炭吸附、工业触媒再生） 气力输送 煤粉、散装水泥远距离输送、喷粉技术 物料混合分散、机械分离优点： 对操作而言：便于连续化、自动化 对反应而言：传质传热均匀、便于调节 例：催化反应：颗粒比表面大、传质速率高 干燥过程：干燥传质面大、温度均匀 返混严重（全返混 Pe = ，Pe = dp u / DM） 床层中颗粒停留时间不均

2、匀，存在分布曲线 产品质量不均匀 对壁面的磨损 颗粒易碎 从理论上而言，层管流化技术已得到广泛、普通应用，但用于描述流化过程的数学模型目前仍不十分准确可靠，大都停留在半理论半经验的基础上，因此合理设计流化床仍是一个棘手难题。流态化技术存在问题：001)(tetf1-1. 基本现象：1. 流化经历阶段阶段：特征：气速：固定床颗粒静止小临界流化态开始运动、床层有所膨胀较大大很大散式流化聚式流化进一步膨胀,颗粒具有类似流体性质气体输送颗粒被气流带出床层2. 流化形式： 散式流化（均匀流化） ：颗粒均匀分散在流化介质（气体、液体）中并有稳定的上界面。 发生场合：二相密度差较小的系统（液-固系统） 原

3、因：沉降速度（相对速度）二者相近。 聚式流化 整体上颗粒可分为浓相区和稀相区 在稀相区：类似于散式流化 在浓相区：以有明显的乳化相（颗粒相）和气泡相之分 各相之间有明显分界面特征： 发生场合：二相密度差较大场合（气-固系统） 判定依据：弗鲁德准数gduFrPmf2umf 临界流化空塔气速Fr0.13 散式1.3 聚式0.13 Fr 1.3 不确定Fr 意义：离心分离因子重力加速度离心加速度切 gRu2重力惯性力Fr3. 流化特征： 床层中颗粒流化后具有与一般流体（液体）相类似的特性。 轻物质受力上浮， （受浮力作用，以此为原理可对二组分固体颗粒进行粗分离） 床层颗粒界面保持水平 颗粒易于流动

4、床层上、下部位压降差与两者高差成正比 不同水平高度的两个床层面相连通时被拉平1-2. 床层中流体流动阻力（动量传递过程） 1. 理想流化床阻力计算： 在固定床阶段：（注意与过滤中流体在颗粒床中的流动现象比较）PPduduLP23232175. 11150uKuK221LPLP21dlu23222udlP1 因粘性引起的摩擦阻力（表面阻力），一般较小P2 局部阻力损失（形体阻力），一般较大 球形度系数 孔隙率特别地：当20Reudpp时当1000Re p时1PP2PP 流化阶段： 由受力平衡分析有 因：有效推力 = 颗粒重力颗粒浮力gALAPfSmftmft1在流化阶段：随着u 的不断增大（从u

5、mfu） L、 亦增大 L：Lmf L ： mf u：umf u 但由于 AtLmf （1 mf ）= 常数 = 颗粒总实体积 故：P = 常数注意：在固定床阶段P 随u双向变化的非重复性（原因：前后空隙率变化所引起） 气力输送阶段： 当u达到较大值时，床层上界面消失，颗粒被气流带出，成为气力输送操作。 阻力计算为气-固二相 流，较繁。见“气力输送”。 故：2. 实际流化床对理想流化的偏移： 在umf附近，压降出现“峰值” 原因：初始床层颗粒堆积较紧、“板结”严重 在流化阶段： P不是恒值而略有上升，用于颗粒之间撞碰及摩擦损耗3. 流化床中的不良现象及其判别方法 腾涌现象：（柱节流化） 现象：

6、小气泡在床层中合并成大气泡，并达到床层直径尺寸，使床层分段。“柱节”常发生在H/D较大的床层中“细长”床内。 影响：颗粒与器壁磨擦阻力增大且发生波动，易引起床层设备振动。两相接触不良，不利于传质、传热。 沟流现象： 现象：气流短路 原因：I 床层中空隙分布不均匀 II 床层中颗粒堆积厚度不均匀 III 气体分布板被部分堵塞 影响：死床（死角）、两相接触不良、不利于传质、传热及化学反应，降低了床层体积的有效性和利用率。 判别方法： I 根据 （流化阶段P = 常数） 这一结论，可以通过测量床层压降来判断流化情况的优良与否。如出现腾涌，则床层压降将出现较大波动。如出现沟流和局部死床，此时床层压降必

7、然床重/床截面 II 在流化床设计时，由于流化阶段P 恒定，为了增大传质表面积可以采用小颗粒流化，而不会增大压降。1-3. 流化床操作 主要考虑临界流化速度与颗粒带出速度 1. 临界流化速度umf（实例或计算）根据ukukLP221及gLPSmfmf1（1）（2）dpK23211150dpK32175. 1对小颗粒：（Re20）对大颗粒：（Re1000）16502gduSPmf5 .242gduSPmf1650、24.5 经验常数。对大多数颗粒系统均差不多.2. 带出速度ut 3)(4gduspt即沉降速度注意：式中umf 表示等体积平均粒径 ，ut ，dp表示事出颗粒最小粒径dppdVpdm

8、in3. 操作范围：（ut/umf） 亦可称操作弹性比 对于微细颗粒：当 Rep1000 时， = 0.4462. 85 .2444. 0345 .2444. 034gdpgdpuuSSmft1-4. 流化过程的主要影响因素 1. 分布板结构形式（开孔率、孔径等） 作用： 支承颗粒、防止漏料 使气体均匀分布 分散气流，形成小气泡 要求：分布板的干板压降足够大(3.5Kpa)以保障气体的均布(或P干 / P总10 %)分布板压降计算：220uP干PCud干2210或式中：u0 分布板小孔气速 = Cd2 阻力系数（当开孔率10 % 查图 6-12 P334）为了增大P干，工业上常在开孔率一定下（

9、0.41.4 %），采用小孔布气2. 内部构件： 型式：挡网、档板 作用： 抑制气泡成长和产生大气泡（“腾涌流化”） 减小返混程度 增强两相接触3. 粒度分布： 主要影响临界流化速度umf及操作弹性比ut /umf，床层膨胀比L /Lmf及床层压降P 因此：工业中常用小直径且粒径分布较宽的颗粒进行流化作业，粉粒可在其中起“润滑”作用，使床层流化均匀，且能在气速变动较大的条件下正常操作。（即有较大的ut /umf 第二节 气力输送2-1. 气力输送优点及分类： 优点： 密闭系统中进行，避免扬尘、受潮及污染 输送的同时，实现某些单元操作（粉碎、分级、加热、冷却、混合、干燥及化学反应） 占地少、方式

10、灵活、连续化、自动化 分类： 吸引式压送式 按气流压强分P真1 atm低压 P0.5 atm（表）高压喷吹 P = 17 atm（表） 按固相浓度分稀相输送 混合比 R = G固/G气25浓相输送 R 252-2. 稀相输送时压降计算 P床 = P气 + P固 212uDP气气式中 气 = 4f气，f气 范宁系数当 3000Re1105 时1105 Re1108 时uDf25. 00791. 0气uDf237. 00552. 00008. 0气 GGsuDLfPs21222固固 suDLfR21222固式中：f固 颗粒磨擦系数，与雷诺数 有关 D 输送管直径 u 气流空塔速度 R 混合比，R

11、= GS/GDu第三节 流化床中的传质与传热3-1. 颗粒与流体间的热、质传递： 1. 传热过程： 流化床中两相温度分布特征颗粒温度：在床层中均匀分布流体：在靠近分布板附近存在较大温度梯度，在较远区与床层温度相同。原因：气体刚与颗粒接触，传热尚示达到平衡（但对连续操作，可以是稳态） 流体传热区高度Ha可近似按下式估计：1Re18. 0ppadH 传热系数（流体相）的测定方法：a. 定态法：假定气体为理想推流固体颗粒理想混合床层中传热为定态过程，床层绝热关系：气体的放（吸）热 = 固体颗粒吸（放）热在微分床层高度dH内：dHTTAadTGACsfttftp故：HCGaTTTTptsfsf0lnG

12、 质量流速 Kg/m2sat 单位体积床层颗粒比表面即：以 对H作图，由斜率sfsfTTTT0lnCpGat可求得值b. 非定态法 假定： 任一时刻床层中气体温度等于其离开床层时温度（Tf离 = Tf1） 床层中任一时刻的颗粒温度Ts分布均匀，但随时间变化。 无热损失。（床层表面不散失热量）则任一时刻d 气-固两相热平衡：气相传热速率：微分（2）得：sTtssfftdHACWdTTGGpA10sfttfftTTAHaTTGGpA110（1）（2）sffTTtTddHaCpGd1（3）即：测定不同时刻ln1010ffffTTTT始关系，即得斜率或值。 有效传热膜系数Re03. 030. 1PEN

13、u mpHdpNuaRe24. 0表观传热膜系数Hm：指床层中颗粒实充满（ = 0）时的床层高度。GCHaCWGCaTTTTptssptffff1010ln始将（4）代入（1）积分得：1fsTtptTdHaGCHad于是：（4）c. 经验关联式： 传质系数的测定：a. 理论法 假定： 气体为理想推流 传质仅发生在浅床中（HTU = 100101 mm ） 在床层任一微分高度处：dNA = kat（C*C）dH或 NA katCmHb. 经验关联法：（Richardson 法）Re374. 018. 1PSh Re01. 25 . 0PSh 15Re1 . 0P250Re15P2. 传质过程：

14、作用区：与传热作用区相类似，发生在分布板上方附近区域。 作用区高度HTU：（传质单元高度）CSdpHTU3/218 . 04 . 0式中SC 施密特准数DSe反映物性对传质的影响（类似于Pr准数）3-2. 流化床与壁面的传热分析： 1. 流化床与壁面的传热机理： I. 列文斯比尔（Levenspiel）有效膜理论 要点：a. 气-固流化过程 b. 壁面附近的气膜（dp）集中了传热阻力 c. 气膜内为导热传热 d. 气膜厚度 = f（气速、气体性质、颗粒运动强度） II. 米克莱（Mickley）乳化相接触模型： 要点：a. 乳化相由有限个“固体颗粒包”组成 b. “固体颗粒包”在壁面暂短停留后，而被其它“颗粒包置换”并回到主体后解体重新组合 c. 传热速率与置换频率成正比 d. 非定态传热过程优、缺点：与Levenspiel 假设相反，Mickley 假定则主要强调了固体颗粒运动强度及性质对传热的影响，而忽略了气膜存在的影响。 优、缺点： 强调了颗粒运动对气膜的影响，并反映在颗粒运动对传热膜系数的增强作用。但忽略了固体颗粒性质对的影响。