第四章固体流态化

第四章固体流态化第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五一、概述固体流态化：流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下上下翻滚，类似于液体的沸腾。这种状态称为固体流态化。简单来说，固体流态化就是固体物质流体化。流态化技术是近50多年发展起来的一种新技术，设备结构简单、生产强度大、易于实现连续化、自动化操作。该技术在食品工业中，主要用于加热（Heating）、冷却(Cooling)、冷冻(Freezing)、干燥(Drying/Dehydration)、混合(Mixing)、造粒(Granulation)、浸出(Extraction)、洗涤(Scrubbing/Cleaning/Washing)等方面。第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五固体流态化的优点1、颗粒流动平稳，类似液体，可实现连续、自动控制；2、固体颗粒混合迅速，整个流化床内处于等温状态；3、流体与颗粒之间的传热和传质速率高；4、整个床层与浸没物体之间传热速率高。第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五二、床层的流态化过程在垂直装填有固体颗粒的床层中，流体自下而上通过颗粒床层，随着流速从小到大变化，床层将出现下述三种不同的状态，如下图所示。(一)流态化现象a.固定床；b-c-d.流化床；e.气力输送第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(1)固定床阶段特点：通过床层的流速低；颗粒受的曳力小，颗粒之间紧密相接，静止不动；床层高度不变；u↑，流体通过床层的阻力↑，其关系可以用欧根公式表示，如图(a)。第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(2)流化床阶段

特点：当u↑一定值时，(颗粒的)曳力接近净重力（重力减去浮力），或者流体通过床层的阻力接近单位截面床层的重量时，颗粒开始浮动，但仍未脱离原来的位置，如图(b)。在此状态时，u稍稍↑，颗粒便互相离开，床层的高度也会有所提高，则这时的状态称为起始流化状态或临界流化状态，对应的流速称为起始流化速度(umf)或最小流化速度。第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五在临界流化状态时，继续↑u

，则颗粒间的距离增大，颗粒作剧烈的随机运动，这个阶段称为流化床阶段(沸腾床)。在流化床阶段，随流体空床流速的增加，床层高度增高，床层的空隙率也增大，使颗粒间的流体流速保持不变；此时床层空隙中的流速=颗粒的沉降速度，同时床层的阻力几乎保持不变，等于单位截面床层的重量。流化床阶段还有一个特点是床层有明显的上界面，如图(c、d)所示。第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(3)气力（或液力）输送阶段特点：当流体流速（空塔速度u）=颗粒的沉降速度时，颗粒被流体带出器外，床层的上界面消失，此时的流速称为流化床的带出速度，流速高于带出速度后，为流体输送阶段，如图(e)所示。第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(二)两种不同的流化形式（1）散式流化（液-固系统）

固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称均匀流化或理想流化。特点：a在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度；b流化床层的压降为一常数：c床层有一个平稳的上界面；d流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值。不因床层内的位置而变化。通常两相密度差小的系统趋向散式流化，故大多数液-固流化属于“散式流化”。第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五（2）聚式流化（气-固系统）通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如气固系统往往成为聚式流化。聚式流化床一般存在两相：连续相：是由空隙小，而固体浓度大的气固均匀混合物构成。气泡相：是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相。特点：床层内各点处不再处处相等，床层无稳定的上界面，上界面以某种频率作上下波动，床层压降也随之作相应波动。第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五判断流化形式（散式或聚式流化）的依据：

弗鲁特准数

第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五三、流化床的类似液体的特性流化床中的流-固运动很象沸腾着的液体，并且在很多方面表现出类似于液体的性质，如下图所示。第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(1)密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面，见图(a)；(2)床层倾斜，床层表面仍能保持水平，见图(b)；(3)床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表示(△p=ρgL,其中ρ和L分别为床层的密度和高度)，见图©；(4)有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出，见图(d)）；(5)联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整平衡，见图(e)。利用流化床的这种似液性，可以设计出不同的流-固接触方式，易于实现过程的连续化与自动化。第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五四、流体通过流化床的阻力流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空床流速）之间的关系可由实验测得。下图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力与空床气速之间的关系。第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗粒静止不动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合欧根方程；当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段，床层阻力基本上保持恒定。作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与颗粒所受的净重力（重力与浮力之差）相等，而总曳力等于流体流过流化床的阻力与床层截面积之积，即：第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五式中A-床层截面积，m2；

L-床层高，m；

ε-床层空隙率；

ρs-固体颗粒的密度，kg/m3；

ρ

-流体密度，kg/m3。式中

A——空床截面积,m2;m——床层颗粒的总质量，kg；ρp,ρ——分别为颗粒与流体的密度，kg/m3。

第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五所以，单位高度流化床层的阻力可表示为：对于气-固流化床，由于颗粒与流体的密度差较大，故又可近似表示为：上式表明，气体通过流化床的阻力与单位截面床层颗粒所受的重力相等。

流化床阶段床层阻力恒等于单位截面床层颗粒的净重力。第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五五、流化床的操作范围

(一)临界流化速度umf（umf=εut）流化床的正常操作范围为气速高于临界流化速度umf，低于颗粒的带出速度ut(即沉降速度)。[umf

<u<ut]1.实测法一般用空气作流化介质测得△p

～

u

曲线（如前图）直接读数，若实际操作流化介质不同于空气时，则：代表以空气为流化介质时测出的临界流化速度。2.计算法由于临界点是固定床与流化床的交叉点，所以临界点的压强降既符合流化床的规律也符合固定床的规律。

第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五当颗粒直径较小时，两式联立求解对于大颗粒，Rep>1000的情况，可只考虑因局部阻力而造成的动能损失。对于球形颗粒，有εmf=0.4，φs=1.0，以上计算可进一步化简。第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五对于其它许多系统，发现存在以下关系：∴对于小颗粒对于大颗粒(二)带出速度颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即：注意：计算umf时要用实际存在于床层中不同粒度颗粒的平均直径de，而计算ut时则必须用相当数量的最小颗粒的直径。第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(三)流化床的操作范围流化床的操作范围即为空塔-截面速度的上下限，用比值ut/umf的大小来衡量，称流化数。对于细颗粒，ut/umf=91.76

大颗粒，ut/umf=8.61

由此可以看出，细颗粒流化床较粗颗粒床有更宽的流速操作范围。不同的生产工艺过程中，流化数可在很大的幅度上变化，有些流化床的流化数可高达数百，远远超过上述的最高理论值。第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五六、流化床的主要特点(一)流化床中的两相流动床内各处温度或浓度均匀一致，避免局部过热。但传热、传质推动力下降。原因:在同一截面各处流体速度不完全相同，颗粒总是上下作往复循环运动；同时还作杂乱无章的不规则运动。流化床内部分流体也有相应的循环和混合现象。(二)流化床有类似液体的特点流化床具有类似液体的流动性，故使操作易于实现连续化与自动化。第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(三)流化床的不正常现象1、节涌现象(腾涌现象)床高：床径的比值（长径比）过大（床层为细长形），或气速过高时导致小气泡合并成大气泡的现象；当气泡直径=床层直径时，则床层被形成相互间隔的气泡与颗粒层；颗粒层被气泡向上推动，到达上部后气泡崩裂，而颗粒又分散下落，这种现象称为节涌现象。如图示：第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五出现节涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压强降大于理论值，而在气泡破裂值又低于理论值，因而

△p

～

u图上表现为△p在理论值附近作大幅度的波动，如图所示：床层发生节涌现象时，气固两相接触不良，且使容器受颗粒磨损加剧，同时引起设备振动。防止节涌现象的措施：实际操作中应采用适宜的床层高度/床径之比值，以及适宜的操作气速。第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2、沟流现象在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可在床内局部地方形成沟流。此时，大量气体经过局部地区的沟道上升，如图示，而床层的其余部分处于固定床状态而未被流化。△p

～

u的关系为△p

低于单位面积上的净重力。沟流现象的出现主要与颗粒的特性和气体分布板有关。颗粒过细、密度过大，易于粘结的颗粒，以及气体在分布板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。沟流现象第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(四)利用流化现象判断颗粒尺寸流化质量：是指流化床中流体分布与流固接触的均匀程度。能够进行良好流化的颗粒尺寸在20~500μm范围内。粒径小于20μm时，极易形成沟流和死床难于流化。粒径大于500μm的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。粒径在20~100μm的细颗粒开始时为散式流化，气速加大到某值后出现气泡变为聚式流化。80~500μm的粗颗粒开始不出现散式流化，而出现气泡。所以用流化现象可粗略估计颗粒尺寸。第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五流化床的两个主要尺寸：直径：由操作气速确定高度：由两段高度决定，即流化上界面以下的床层（也称浓相区），和床层上界面以上的分离高度（称为稀相区）组成。(1)流化床的直径确定操作气速后，即可根据气体的处理量确定流化床所需的直径D：七、流化床的高度与直径

V-气体的处理量，m3/s；

u-流化床的实际操作气速，m/s。第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(2)床层高度（浓相区高度）流化床的浓相区高度与气体的实际速度，也即与床层的空隙率有关。经推导，有：也可将流化床中流体流动近似看作通过具有相同空隙率的固定床的流体流动，则有：式中k是反映物系特性的系数。上式表明了流化床操作的空床气速与床层空隙率的关系。联立上两式得：第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五注意，以上各式只是近似地表示流化床空床气速与床层空隙率及浓相区高度之间的关系。对于ε<0.8的液-固流化床，误差不大，但对于气-固流化床，则有较大的误差。(3)分离高度TDH(又称稀相区)分离高度取决于：颗粒的粒度分布、密度和气体的密度、粘度以及床层的结构尺寸和气速等。目前尚无可靠的计算公式，一般说气速愈大，分离高度愈大。第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五八、气力输送简介气力输送：利用气体在管内流动以输送粉粒状固体的方法。一、气力输送的分类(一)按气流压强分类1、吸送式

输送管中压强低于常压的输送

型式

真空度

输送距离

低真空式

<10KPa

近距离的细粉尘的清扫

高真空式

10～50KPa

50～100m

适用于须在输送起始处避免粉尘飞扬的场合。2、压送式

输送管中压强大于常压的输送。型式表压状态距离低压式<50KPa粉状物料近距离高压式可达700KPa大量长距离第三十页，共三十七页，编辑于2023年