武汉理工大学粉体力学9

1、一、流体通过(tnggu)固定床的流动 固定床（Fixed bed）：固定不动的固体颗粒层例：固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换(l z jio hun)器等。流体在固定床中的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。5.2 气固两相接触操作图二、床层的空隙率、自由截面和比表面 床层空隙率 颗粒床层中空隙体积与床层总体积之比床层自由截面 颗粒床层横截面上可供流体流通的空隙面积床层比表面 单位体积床层具有的颗粒的表面积共二十一页三、流体(lit)通过固定床的压降 流体在颗粒床层纵横交错的空隙通道中流动，流速的方向(fngxing)与大小时刻变化，一方面使流体在床层截面上的流速分布趋于均匀，另一

2、方面使流体产生相当大的压降。困难：通道的细微几何结构十分复杂，即使是爬流时压降的理论计算也是十分困难的，解决方法：用简化模型通过实验数据关联。 1、简化的机理模型 共二十一页2、康采尼（Kozeny）方程(fngchng)把颗粒床层的不规则通道虚拟为一组长为 Le 的平行细管，其总的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积、总的流动空间等于床层的全部空隙体积。该管组（即床层）的当量(dngling)直径可表达为 将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为 Le、当量直径 deb 的管内流动，床层的压降 p 表达为 u1 流体在虚拟细管内的流速，等价于流体在床层颗粒空隙间的实际 (平均) 流速。u1 与空床

3、流速(又称表观流速) u、空隙率 的关系共二十一页工程(gngchng)上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的阻力损失表达为单位床层高度上的压降 固定床流动(lidng)摩擦系数康采尼（Kozeny）式：Reb 2床层雷诺数K 康采尼常数，= 5.0 康采尼（Kozeny）方程共二十一页2、欧根 (Ergun) 方程(fngchng)欧根（Ergun）关联(gunlin)式：Reb=（0.17420）可用 与 dV 的乘积 (dV) 代替 dea。 欧根 (Ergun) 方程共二十一页3、BurkerPlummer 方程(fngchng)当 Reb 2.8 (Rep 280 (Rep 10

4、00) 时，欧根方程右侧第一项可忽略。即流动为湍流时，压降与流速的平方成正比而与粘度无关。 共二十一页四、固体(gt)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(chun r)、传质与化学反应特性。1、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 与带出速度之间共二十一页2、不正常的流化(li hu)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

5、后颗粒回落。腾涌时床层高度(god)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共二十一页3、聚式与散式流态化的判断(pndun)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(bdng)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-

6、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。共二十一页4、广义(gungy)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(qli)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，

7、57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。 共二十一页 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有(jyu)类似于流体的某些表观特性，这种流固接触的状态称为固体流态化。这种床层称为流化床。 反应器、焙烧炉、干燥器等重力场中，颗粒处于流体介质中，颗粒与介质之间的相对速度ut （设是层流状态，并规定重力(zhngl)的方向为正。）与流体介质运动与否没有关系。如果流体介质静止，则颗粒垂直向下的运动速度就是 ut 。五、流化床的基本原理为什么颗粒能够悬浮于流体中呢？这要从颗粒的沉降速度、流体的运动速度分析起

8、。共二十一页 如果颗粒邻近的流体介质以方向(fngxing)向上的流速 u1 运动起来，则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）up (规定向上的方向为正）为u1ut颗粒空隙中流体的实际流速u1 。颗粒的绝对运动速度 up ，床层表观流速u ，即空床流速。其关系：考察(koch)单位床层截面上流体的体积流量：流体空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。共二十一页（1）固定床阶段(jidun)如果流体介质静止或者上升流速u1 ，u1umf时，则出现u1ut ,即up0 ，则颗粒(kl)向上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。床内的颗粒将“浮起” ，颗粒层将“膨胀”，床内空隙率增大。起始流

9、化速度(sd)：umf=umax 此时 u1=ut（2）流化床ut如为均匀颗粒，其ut 已知共二十一页出现暂时的颗粒回落(hulu)现象，又出现床层空隙率减小。颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙(kngx)率再次增大。当床层膨胀到一定程度，空隙率稳定在某一数值上，空隙中流体的流速u1 稳定于颗粒的ut 时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流化床 。（2）流化床随着流体流量的增加 和 空隙率的减小，又出现因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率，表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的ut 。共二十一页（2）流化床需要特别指出的是，流化

10、床原则上应有一个明显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut 。假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层而进入界面以上的空间，在该空间中（=1.0）该颗粒的表观(bio un)速度u即为其真实速度u1 u=u1ut 故颗粒必然回落到界面上。流体由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群居。群居的大量颗粒可以通过(tnggu)床层的膨胀以调整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能存在的物理基础。共二十一页很显然，如果将流体的流量(liling)（流速）逐渐减小，则将由流化床转化为固定床。如果流体（气体）流量继续增加，始终出现u1ut的关系，始终up0 ，则颗

11、粒被带出床外，此时，称为颗粒输送阶段。此时的流体表观速度u称为带出速度。在带出状态下床截面上的空隙(kngx)率即认为是1.0 ，此时u=u1 。显然，带出速度u数值上等于ut 。据此原理，可以实现固体颗粒的气力输送或液力输送。流化床的操作范围： umfut （3）颗粒输送阶段流体共二十一页5.2.3 Reh气-固两相接触(jich)操作图 1、颗粒的阻力与颗粒的有效重力比值(bzh)范围示意图 m1，气流床/气力输送2、Reh气固两相操作图5.2.2 悬浮颗粒的阻力系数 共二十一页回顾(hug)与总结 固定床流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过 料层高度不变 实际流速线形(xin xn)增长 通风阻力随风速的平方关系增大2. 流化床颗粒不再由布风板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时，对于单个颗粒来讲，可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质流态化。此时： 料层膨胀，床高增加 颗粒间实际空气流速保持不变 料层阻力变化不大，由托起的颗粒质量决定 共二十一页内容摘要一、流体(lit)通过固定床的流动。流态化过程床层压降及床高变化曲线。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。一般出现在流-固两相密度差较大的体系，如气-固流化床。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，57秒即可完成原