吉林大学食品工程原理第三章

第三章流态化和气力输送如果流体通过固定床流动时的流速增加而且超过某一限度时，床层就要浮起，此时床层将具有许多固定床所没有的特性，这就是流化床。这种现象称为流化态现象。而当流体速度达到颗粒的沉降速度以后，稳定的颗粒床层将不再存在，固体颗粒将被气流带出，称为气力输送。第一节固体流态化固体流态化技术，或称沸腾床技术，是一种微粒固体与气体或液体接触而转变成类似流体状态的操作。在食品工业中，流态化技术主要用于加热、速冻、干燥、混合、造粒、浸出、洗涤等各方面。

三个阶段：固定床、流化床、颗粒输送。一、固体流态化的原理和基本概念稀相区气泡乳化相固定床临界流化床散式流化床聚式流化床输送床(1)固定床阶段

颗粒静止（流体空床流速小，颗粒受曳力小）；床层高度、空隙率，均保持不变。

(2)流化床(沸腾床)阶段空床流速↑，颗粒受曳力↑，把颗粒托起；

临界流化状态(起始流化状态）：最小流化速度

空床流速一定时，有一个稳定的床层上界面。(3)颗粒（气力或液力）输送当u=ut时，颗粒被带走。带出速度：颗粒被吹出的临界速度。固定床阶段，阻力服从欧根方程，如图中a段；流化床阶段，床层压降基本恒定，如图中cd段；12351020304050100水力或气力输送流化床固定床斜率=1umfaa'夹带开始△p,mmH2Oe空气流速ucm/s流化床阻力损失与流速的关系（空气、沙粒系统）c,dbut流体通过流化床的阻力（1）流化床具有类似于液体的性质。

（2）固体颗粒处于悬浮状态，并作不停的剧烈运动。颗粒得到强烈的混合，传热和传质均非常迅速。（3）颗粒间和颗粒与器壁间产生强烈的碰撞和摩擦，颗粒可能因碰撞而破碎，器壁会磨损，流动阻力增加。（4）小颗粒比大颗粒更容易流态化。（5）在气——固流化床中，由于气泡的运动，气体与颗粒的接触时间是不均匀的。以气泡形式通过床层的气体，其接触时间较短，而乳化相中的气体与颗粒的接触时间较长。流化床的主要特征稀相区气泡乳化相固定床临界流化床散式流化床聚式流化床输送床（二）散式流态化和聚式流态化理想情况下的Dp-u关系实际情况下的Dp-u关系（1）存在一个“驼峰”BCD，原因：初始时颗粒排列紧密（2）DE线右端向上倾斜，原因：颗粒间碰撞和颗粒与器壁摩擦引起的损失（3）有波动（气固系统），原因：气泡运动、破裂①散式流化：颗粒均匀地分散在流动的流体中，有一稳定的上界面。如：大多数液-固流化。散式流态化床层中存在两个不同的相乳化相（固体浓度大、分布均匀的连续相），气泡相(夹带少量固体颗粒以气泡形式通过床层的不连续相)。如：气-固流态化聚式流态化不参加反应的气泡叫做气泡相，余下的固体颗粒，以及除泡相以外的气体，看为是一个拟均相，称为乳化相。散式流化判据（1）：判据（2）：散式流化聚式流化聚式流化弗劳德数Fr两种流态化的判别（三）密相流态化和稀相流态化在流化时，只要床层有一个清晰地上界面，气体和液体流化床都可以认为是密相流化床。当流速高到足以超过固体颗粒的极限速度时，床层上界面也就消失，固体颗粒随流体从床层中带出。这种情况称为呈气力输送现象的稀相流化床。（四）流化床中常见的不正常现象——沟流和腾涌1.沟流状态①现象：气体通过床层时形成短路，床层内密度分布不均匀，气、固接触不良，部分床层变成死床。②原因：与颗粒的特性、堆积情况、床层直径及气体分布板有关。③发生沟流现象时，床层阻力较正常值低。①现象：气泡长大将床层分成相互分开的气泡和颗粒层，颗粒层象活塞一样被气泡向上推动，到达床层上界面，气泡崩裂，颗粒分散下落。②原因：气-固流化床中床层高度与直径的比值过大或气速过高。③后果：床层阻力大幅度波动，器壁被颗粒磨损加剧，设备振动，甚至将床中构件冲坏。2.腾涌状态二、流化床的流体力学（一）流化床的压降流化床阶段，近似认为颗粒处于动态平衡。

重力=浮力+流体阻力△p=Lmf(1–εmf)(ρs–ρf)g临界流化速度：又可称为最小流化速度。（二）临界流化速度umf=0.00923[dp1.82(ρs–ρf)0.94/μf0.88×ρf0.06]（三）最大流化速度和流化操作速度

最大流化速度是流化床操作中流体速度的上限。在数值上等于颗粒的沉降速度。

up=uf–utuf——垂直向上的速度ut——沉降速度流化床操作范围浓相区（床层）高度：流化床的膨胀高度。(1)流化床的高度高度=浓相区高度+稀相区高度浓相区稀相区（四）流化床的高度浓相区上界面到稀相区颗粒浓度恒定处的距离。◆分离高度取决于颗粒的粒度分布、颗粒的密度和气体的密度、粘度及结构尺寸和气速。◆目前，尚无可靠的计算公式。◆气速愈大，分离高度愈大。2.稀相区高度（分离高度）单层流化床1.壳体2.分布板3.出料口4.加料器5.旋风分离器6.空气加热炉三、流化床的结构形式1——壳体2——分布板3——溢流管4——加料口5——出料口6——气体进口7——气体出口多层流化床最常见的流化床壳体是一圆柱形容器，下部带有一锥底。在圆筒和锥底之间装有气体分布板。流化床的主体尺寸包括直径和总高度。直径根据通过床层的气体总量qv和流化床的操作速度u用体积流量公式计算。H=L+HT（一）流化床的壳体及主体尺寸1—扁平多孔板或丝网2—错叠多孔板3，4—弧形板5—喷嘴6—泡罩（二）分布板一般多采用旋风分离器作为回收装置。若将旋风分离器置于流化床内部，则关键问题是内旋风分离器料腿的密封。（三）固体颗粒回收系统1—旋风分离器入口2—一级分离器3—二级分离器4—正常床层料面5—物料入口6—物料出口7—空气入口

床内加设挡板或挡网后，能够破坏气泡的生成和长大，改善气体在床内的停留时间分布和两相的接触，减轻气体的返混。挡板除了具有挡网的作用外，还能使气体沿叶片的导向方向作近似旋转运动，强化气、固两相的接触。在流化床内加设挡板和挡网后，还能使床层料面波动减小，使流化趋于稳定。

（四）挡板和挡网多旋挡板单旋挡板挡板的缺点挡板虽然有提高流化效果的作用，但它阻止了颗粒的纵向混合，使颗粒沿床层高度产生分级，并使床层纵向温度梯度增大。为此，可将挡板或挡网的直径做得比床径小些，使颗粒在环隙内构成纵向循环。固体流化态的优点1.颗粒流动平稳，类似液体，故可实现连续自动控制；2.固体颗粒迅速混合，使整个流化床内处于等温状态；3.流体和颗粒之间的传热和传质速率较其它接触方式为高。4.整个床层与浸没物体之间的传热速率高。第二节气力输送

固体颗粒床层的流化态过程中，当流体速度增大到等于或大于固体颗粒的带出速度时，则颗粒在流体中就形成悬浮状态的稀相，颗粒将随同流体一起从流化床中带出，此后的阶段称为气力输送阶段或水力输送阶段。气力输送的优点：①系统密闭，可避免物料飞扬，减少物料损失，改善劳动条件；②输送管线受地形与设备设置的限制小；③输送的同时易于进行物料的干燥、加热、冷却等操作；④设备紧凑，易于实现过程的连续化与自动化。气力输送的缺点：①动力消耗大、颗粒尺寸受一定限制；②在输送过程中颗粒易破碎；③管壁受到磨损；④不适用于含水量大、有粘附性或高速运动时易产生静电的物料。一、气力输送的原理和基本概念

气力输送的原理，主要是利用空气的动力作用，物料在空气动力作用下被悬浮而后被输送。（一）颗粒在垂直管中和水平管中的悬浮

垂直管：一种是颗粒本身的重力与气体浮力之差，此力力图使颗粒作向下运动；另一种是气体对颗粒所产生的力，此力迫使颗粒上升。当此两力成平衡时，颗粒就悬浮在某一高度，并与管壁相脱离。

水平管由于气流运动方向与颗粒的重力方向相垂直，其悬浮运动就很复杂。（1）气流为湍流，气体在垂直方向的分速度产生垂直向上的力，颗粒在此作用下悬浮；（2）气流沿管截面存在速度分布，管中心处速度最大，愈靠近管壁，速度愈低。由于气流的速度梯度，颗粒存在着旋转。根据玛格纽斯效应，逆气流方向的一侧方所受的压强高于顺气流一侧方的压强，管中下部的颗粒在此压强下被悬浮；（3）由于颗粒形状的不规则，气流推力在垂直方向上产生分力，使颗粒悬浮；（4）颗粒间的相互碰撞或颗粒与管壁间的碰撞，使颗粒跳跃，或受到反作用力在垂直方向上的分力的作用，使颗粒悬浮。悬浮流底密流疏密流停滞流部分流柱塞流（二）颗粒在管中的运动状态图中（1）为悬浮流，即输送气流速度大时，颗粒基本上接近均匀分布，在气流中呈悬浮状态被输送：（2）为底密流，即颗粒愈接近管底分布愈密，一面作不规则的旋转、碰撞，一面被输送；（3）为疏密流，即颗粒悬浮输送的极限状态，为疏密不均的流动，有部分颗粒在管底滑动，但尚无停滞现象；（4）为停滞流，即大部分颗粒失去悬浮能力，在管底局部聚集，使管子流动截面变窄，从而使气速增大，又把停滞的颗粒群吹走。颗粒就这样处于停滞、集积、吹走反复交替的不稳定的输送状态；（5）为部分流，即输送气流速度过小，颗粒堆积在的流动；（6）为柱塞流，即堆积料层充满整个输送管截面上，靠空气的压强推动输送。（1）按气流压强分类吸引式（压强低于常压）低真空式，真空度<10kPa高真空式，真空度10~50kPa低压，表压<50kPa高压，表压可高达700kPa压送式（压强高于常压）（2）按气流中固相浓度R（混合比）分稀相输送（R<25，一般0.1~25）密相输送（R>25）（三）气力输送的形式1—吸嘴2—输料管3—分离器4—集料斗5—降尘器5—风机吸引式气力输送装置1—空气入口2—鼓风机3—料斗4—输料管5—分离器6—卸料斗压送式气力输送装置1—吸嘴2—输料管3、5—分离器4—风机6—旋转加料器吸引压送混合式气力输送装置二、气力输送系统的组成（一）气力输送的输料管路气力输送是通过管道来输送物料，是气固系统的双相流动。双向流动特点：1.气体的湍流程度以及系统的总压降都会因固体的存在而增加。2.由于颗粒之间的碰撞摩擦，可能产生颗粒的破损。3.在某种条件下，颗粒聚集并堵塞管路。4.颗粒与管壁的摩擦可能产生静电效应。1吸嘴单管形单筒形倾斜形喇叭形双筒（二）供料装置结构简图供料量与圆周速度的关系hv与n的关系1—叶轮2—机壳A—粉料B—小麦类物料2.旋转式加料器1—加料室2—压缩空气管3—螺旋4—闸门5—喷嘴6—混合室7—输料管3.螺旋式加料器1—压缩空气进口2—料斗3—喷嘴4.喷射式加料器1—进料口2—空气进口3—多孔板5.空气槽1．输送气流速度

输送颗粒物料所需气流速度要大于其悬浮速度的几倍，输送粉状物料则要大几十倍。速度过小则可能产生堵塞；如果速度过大，不但所需的功率增加，而且输料管、弯头的磨损也加剧，分离器和除尘器的尺寸也要增大，所以应选择适当的气流速度。

三、气力输送系统的计算

单位时间内被输送物料的质量qms与输送空气的质量qma