流态化技术课件最新ppt课件.ppt

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1、流态化技术,2019/4/24,2,江苏大学能动学院,第一章 流态化现象与特征,2019/4/24,3,江苏大学能动学院,自然界 ：泥砂的夹带、飞沙走石、沙尘暴,定义：流态化是一种使固体颗粒通过与气 体或液体（流体）接触而转变成类似流体状态的操作。,2019/4/24,4,江苏大学能动学院,生活： 淘米、扬簸谷物、淘金,2019/4/24,5,江苏大学能动学院,工业： 固体燃料的燃烧、煤的气化、气固相催化反应、物料干燥、固体物料的输送,定义：流态化是一种使固体颗粒通过与气 体或液体（流体）接触而转变成类似流体状态的操作。,2019/4/24,6,江苏大学能动学院,流化床1921年最早出现于德国

2、，应用于粉煤气化。温克勒 (Fritz Winkler)的流化床粉煤气化，此法于1922年获得德国专利。第一台煤气发生炉，高13米截面积12平米,于1926年顺利投入运行 二战期间应用于石油催化裂化 后广泛应用于石油、化工、冶炼、粮食、医药等部门,2019/4/24,7,江苏大学能动学院,流化床干燥器（沸腾床干燥器）, 原理：流化床干燥器是流态化原理在干燥中的应用。在流化床干燥器中，颗粒在热气流中上下翻动，彼此碰撞和混合，气、固间进行传热、传质，以达到干燥目的。,2019/4/24,8,江苏大学能动学院,2019/4/24,9,江苏大学能动学院,2019/4/24,10,江苏大学能动学院,20

3、19/4/24,11,江苏大学能动学院,1.1 流态化形成的过程 一、流态化形成的过程,聚式流化,散式流化,2019/4/24,12,江苏大学能动学院,1固定床阶段,颗粒间仍保持紧密接触 床高Lm不变 气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力 颗粒受到的重力 压降值P单调增加,曳力,浮力,重力,2019/4/24,13,江苏大学能动学院,流态化过程曲线,幻灯片 115,2019/4/24,14,江苏大学能动学院,2流态化床阶段,固体颗粒在床层中自由浮沉 压降P = 单位截面积上床层物料的重量 正常流态化阶段： 正常流态化后，逐渐减小气速 ？,气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力 = 颗粒受到的

4、重力,2019/4/24,15,江苏大学能动学院,3.气力输送阶段 (气流床）,当UUc后，被带出的物料 逐渐增多，大的颗粒也被带出 原有的床层上界面逐渐消失 对应的料层阻力急剧减小。 气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力 颗粒受到的重力,2019/4/24,16,江苏大学能动学院,Umf 临界流化速度，是指刚刚能够使固体颗粒流化起来的气体空床流化速度，也称最小流化速度。 Ut 带出速度，当气体速度超过这一数值时，固体颗粒就不能沉降下来，而被气流带走，此带出速度也称最大流化速度。,流化速度U,2019/4/24,17,江苏大学能动学院,操作速度、表观流速（U）是指假想流体通过流化床整个截面（

5、不考虑堆积固体粒子）时的截面平均流速（也称空塔速度或空管速度），用U表示。,U=V/A (m/s),式中：V通过流化床的流体体积流量，m3/s；,A流化床的截面积，m2。,2019/4/24,18,江苏大学能动学院,划分并不严格,2019/4/24,19,江苏大学能动学院,固体颗粒可以参加化学反应 ：气化、燃烧 不参加化学反应，如气相化学反应中的固体催化剂 参与多种物理过程 ： 热空气干燥粮食,二、形成流态化的条件,1.有固体颗粒存在,2019/4/24,20,江苏大学能动学院,2.有流体介质存在,流体介质有： 热空气(用于干燥物料或使物料散开等) 一般空气(用于流态化燃烧、煤炭气化等 加重介

6、质(矸石与煤分层分选)； 化产蒸气(如重碳氢化合物蒸气在固体催化剂作用下发生裂解反应等)。 有时流体介质可能是一种以上。,2019/4/24,21,江苏大学能动学院,3固体与流体介质在特定条件下发生作用,这些条件包括： （1）固体颗粒有粒度限制，如一般鼓泡床沸腾燃烧锅炉要求入料粒度10mm；循环流化床要求给煤粒度2mm等。 （2）流体介质应具有一定的温度、压力，保证正常流态化的实现及床内反应过程的正常进行。 （3）固体颗粒与流体介质在一定的空间内互相作用。,2019/4/24,22,江苏大学能动学院,三、流态化过程具有的特点,轻小的物料颗粒容易浮起； 当容器倾斜时，流态化床层的上界面仍保持相对

7、水平状态 容易变形、流动，没有固定的形状 连通器原理,1.类似液体的特性（物性参数）,2019/4/24,23,江苏大学能动学院,2.固体颗粒的剧烈运动与迅速混合,上下运动和左右运动 床层基本处于全混状态 温度与浓度趋于均匀,3. 强烈的碰撞与摩擦,颗粒之间 颗粒与容器壁之间 优点：有利对流传热的，颗粒表面的更新促进加热、冷却 缺点：磨损较严重,2019/4/24,24,江苏大学能动学院,4.颗粒比表面积大,5.气体与颗粒的接触时间不均匀,2019/4/24,25,江苏大学能动学院,四、流化床的基本构造,通常的流态化装置由以下几部分组成： （1）流体分布装置(这里仅介绍气-固流态化) （2）内

8、部构件，如挡板、受热面、搅动机械等 （3）气-固分离装置，可设在床内或床出口以外, 使固体物重新回到床内； （4）进料及排料装置。,2019/4/24,26,江苏大学能动学院,循环流化床锅炉,2019/4/24,27,江苏大学能动学院,循环流化床锅炉的结构特点,1、炉膛 2、旋风分离器 3、过热器 4、外置式换热器 5、煤仓 6、返料装置 7、石灰石进料口 8、灰冷却器 9、省煤器 10、空气预热 11、除尘器 12、引风机 13、尾部烟道 14、汽包,2019/4/24,28,江苏大学能动学院,典型流化床组成,（1）风室 ，也称气体预分布器 、等压风室 （2）布风板，又叫布风板或气体分布器

9、作用 ： 具有均匀分布气流的作用。 使流态化床有一个良好的起始流态化状态。 支撑容器内固体颗粒重量，保证分布器不被堵塞和过快磨蚀。 （3）容器 ，对燃烧而言，就是燃烧室、炉子,2019/4/24,29,江苏大学能动学院,2019/4/24,30,江苏大学能动学院,2019/4/24,31,江苏大学能动学院,五、流态化过程中的不正常现象,1沟流（channel flow) 定义：又称穿孔现象，指料层不均匀或气体介质分布不均匀时，在容器内由固定床向流化床转化的初始阶段，气流可能从阻力较小的“通道”处通过，形成气流短路的现象,沟流,2019/4/24,32,江苏大学能动学院,(1)局部沟流 (2)贯

10、穿沟流 (3)引起沟流的主要原因有 : 布风装置设计不当，导致布风不均匀； 料层筛分不合理，粉末太多或太少； 料层过薄或水分较大，容易引起颗粒粘连； 气流速度偏小等,2019/4/24,33,江苏大学能动学院,2019/4/24,34,江苏大学能动学院,危害：产生死床，造成催化剂烧结，降低催化剂使用寿命，降低转化率和生产能力,消除方法：加大气速；干燥颗粒；加内部构件；改善分布板。,2019/4/24,35,江苏大学能动学院,2.腾涌 （slugging) （1）定义：当床层内气泡汇合到大小接近床截面时，床内料层可能会分成几段，形成气塞像活塞似地运动。当大气泡破裂时，大颗粒下落，细小的物料可能会

11、被气流带走，这种现象就是腾涌，也叫节涌 （2）害处：气固接触不良； 器壁磨损加剧； 设备振动 （3）原因： 布风板设计不良，如风帽尺寸不合适，风帽开孔率不当等； 流化床直径太小，（L/D)较大时，易产生腾涌。 筛分不均匀等,腾涌,2019/4/24,36,江苏大学能动学院,2019/4/24,37,江苏大学能动学院,3.分层,定义：当床内物料筛分范围较宽，粗颗粒和细颗粒较多，中间大小的颗粒较少时，在气流作用下，细小物料颗粒被吹到床层上部，粗大颗粒沉积在下部，形成物料的分层现象 主要原因 ： 颗粒的筛分 容器设计不当,分层,2019/4/24,38,江苏大学能动学院,4.气泡,缺点：气固间接触不

12、好，使催化反应或非催化的气固反应效率降低。,床层高时，容易产生大气泡，在床层加设内部构件避免大气泡。,气泡,2019/4/24,39,江苏大学能动学院,六、气-固流化床的一般性评价,1良好的床层均温性 上下或左右方向的温度梯度均在1020之内 固体颗粒的热容量比相同体积气体的热容量高1001000倍 2较高的传热传质速率 3输送能力大 4可利用或加工粉末状物料,2019/4/24,40,江苏大学能动学院,不足 ： （1）固体物料的停留时间不均匀 （2）气流分布不均会影响气-固接触效率 （3）颗粒磨损与设备磨损严重,2019/4/24,41,江苏大学能动学院,1.2 流态化的状态 及其它流态化形

13、式,一、流态化状态与判别准则,聚式流态化aggregative fluidization 散式流态化dispersed fluidization,1聚式流态化（不均匀流化床，气体流化床）水-铅 气泡相bubble phase：就是内部几乎没有固体颗粒，仅在其边壁或 外表面 有固体颗粒环绕的运动空间 乳化相emulsion phase：指的是固体颗粒与气体介质的混合区域,2019/4/24,42,江苏大学能动学院,2散式流态化（均匀流化床，液体流化床） 当液-固系统流态化介质的流动速度超过流态化对应的临界速度以后，床层可以连续膨胀，以致固体颗粒间的距离几乎平均或同步增加，形成颗粒与介质均匀分布的

14、状态。这就是散式流态化。 气-固系统的散式流态化 ：颗粒密度低、粒度较小，流速不高，气体量也不是很大 空气-多孔树脂,2019/4/24,43,江苏大学能动学院,2019/4/24,44,江苏大学能动学院,3流态化类型的判别,(1)方法一：威海姆( Wilhelm)和郭慕孙(Cuo Mosun)方法。,2019/4/24,45,江苏大学能动学院,郭慕孙 广东潮州人。1920年5月9日 化学工程学家。1943年毕业于沪江大学。1945年5月赴美国普林斯顿大学研究生院进修化工，1946年10月获硕士学位。在普林斯顿，他在R威廉（Wilhelm）教授指导下进行流态化研究，共同撰文固体颗粒的流态化，发

15、表于1948年美国化工进展。这篇论文对液-固和气-固体系进行了共同关联，指出两体系截然不同的行为，命名为“散式”和“聚式”，并列出了大量实验数据。长期以来，此文在流态化领域中被广泛引用。 为中国科学院化学部学部委员。曾任中国科学院化工冶金研究所研究员、所长、名誉所长,2019/4/24,46,江苏大学能动学院,(2)方法二：约翰逊(Johnson)和罗迈洛(Romero)稳定性方程判别法,2019/4/24,江苏大学能动学院,47,【例1-1】试确定用高压饱和蒸气做流化介质时，煤粉所形成的流态化的形态。,已知：,【解】,查表得：p=210.54105Pa时，饱和蒸汽密度,2019/4/24,江

16、苏大学能动学院,48,说明压力很高的情况下，气体是可以形成散式流态化的。但是，在通常情况下p/t很大,导致 , 一般情况下大于100,所以在常压情况下,气体流化床很难形成散式流态化.,2019/4/24,49,江苏大学能动学院,二、其它流态化系统,1喷流态化系统(spout -fluid bed) 即在流化床的下部，单独设一喷动气体管路，由该管路喷出的气体在剧烈运动的流化床中犹如一处中心喷泉或射流，使固体物料形成围绕“喷泉”翻滚而有规律的循环运动。,喷动-流化床示意图,2019/4/24,50,江苏大学能动学院,优点： 克服流化床分层或腾涌的缺点，能够在很宽的流速范围以及高径比较大的床层条件下

17、实现良好的物料循环运动,应用： 目前已在煤的气化及油的蒸气裂解等方面应用 已有的试验研究表明，在喷动流态化床中单位体积的原油处理量比一般流化床原油裂解反应器高20一40倍。因而这是一种很有前途的气固或液固接触方法,2019/4/24,51,江苏大学能动学院,2多层流态化床,定义： 在传统的单层气-固流态化系统的基础上，在床内不同高度设置多块气体布风板，将床层分成多段区域，这就构成了多层流态化床,该床既可以保持原单层床的诸多优点(如床层均温 性、传热性能优越等) 在一定程度上抑制床内气体与颗粒的混合，改善气、固相的滞留时间分布 可借助流化介质的再分布，使大气泡变小，降低扩散阻力，提高传质、传热速

18、率。,优点：,2019/4/24,52,江苏大学能动学院,3快速流态化,定义： 在普通的气-固鼓泡或聚式流态化床的基础上， 将固体颗粒的给料粒度控制在比较小的范围 适当提高气体介质的操作速度 将床的高径比增大 介质夹带的固体颗粒量较大 这就形成快速流态化。,2019/4/24,53,江苏大学能动学院,特点： 用于快速流态化操作的固体颗粒一般粒度较细；平均粒径在100um以下，A类颗粒 操作气速较高，可达到颗粒自由沉降速度Ut的515倍； 操作气速很高，固体的夹带量很大，然而由于颗粒返回床层的再循环量也很大、因而床层仍可保持较高的床密度； 快速流态化床中不存在鼓泡床中的定形气泡，因为沿整个横截面

19、床密度分布均匀，气相返混小或不返混，并且气团接触良好，因此可严格控制反应时间，是快速加工过程中较理想的操作状态。,2019/4/24,54,江苏大学能动学院,这种快速床内径为3.8m，生产能力为560吨天，而原来的设备内径为6.7m生产能力只有280吨天。,2019/4/24,55,江苏大学能动学院,4三相流态化,是指流化过程中同时存在气-固-液三相的一个状态过程 目前该技术已用在工业气体除尘和锅炉烟气脱硫除尘上。,2019/4/24,56,江苏大学能动学院,5其它 （1）多管流化床 相当于多个高径比较大的管并联构成的流态化床,多管流化床（制取环氧乙烷的流化床反应器）,特点 床中气体返混小、具

20、有较高的过程推动力，适于转化率要求高的反应。 结构上它有很大的间壁换热面积，能方便地移去反应热，可维持要求床层温度,缺点 大的高径比易发生腾涌，产生不稳定现象。,2019/4/24,57,江苏大学能动学院,（2）套管流化床,作为一级反应器的内管，上半部壁面开有许多一定尺寸的长条形小孔、燃烧物料穿过作为二级反应器的外管加入一级反应器内进行流态化燃烧。燃烧后的气体夹带着未燃尽的小颗粒，从内管侧孔进入外管进一步燃烧。,优点 具有良好的传热性能，采用两层同心燃烧器具有燃料停留时间长，燃烧效率高的优点。,由两个直径不同的同心圆柱管安置构成的,2019/4/24,58,江苏大学能动学院,（3）脉冲流化床,

21、即周期性向床层中通入流化介质(气体)， 使物料呈间歇性流态化运动的流化床。,对于颗粒小于 50 的颗粒，在一般流化床中进行流化操作，由于这些颗版间粘附力大，往往会发生沟流，造成气固相接触不良。而采用脉冲流化床则可使这些不易流化的物料达到良好的流化状态。 可处理10-4000的物料，与真空干燥器相比，时间为其1/3-1/6，电耗仅为1/2.,脉冲沸腾干燥器,2019/4/24,59,江苏大学能动学院,（4）振动流化床,振动流化床不但具有脉冲流化床的优点 适于处理颗粒太粗或太细、易于粘结成团等不易流化的物料，而且特别适用有特殊要求的物料，如要求保持晶形完整、晶体闪光度好等。 采用振动流化床有利于改

22、善固体颗粒的流动状态，强化流化过程同时也使传热传质速率大大提高,采用机械振动机构使流化床产生受迫强制振动的一种流态化装置,2019/4/24,60,江苏大学能动学院,2019/4/24,61,江苏大学能动学院,2019/4/24,62,江苏大学能动学院,（5）搅拌流化床,在普通流态化床的基础上，采用搅拌部件以加强流态化运动的装置；,适用： 对具有强附着性的湿粉体及易产生凝聚物的过程，搅拌流化床显示出很好的适用性。,搅拌流化床（进行醋酸乙烯合成）,2019/4/24,63,江苏大学能动学院,（6）磁场流化床,在一般流态化床中加装电磁系统并成磁场以加快反应速度的装置,2019/4/24,64,江苏

23、大学能动学院,（7）旋转流化床,即在离心力作用下进行流态化操作的一种设备；,2019/4/24,65,江苏大学能动学院,（8）填料流化床,在床内加入有一定形状的填料以构成有一定间隙的固定床，使物料颗粒在固定床间隙及填料上部达到流态化的装置,填料构成具有一定空隙的固定床。被流化的颗粒的尺寸与填料相比，则小得多,优点： 通常填料是乱堆的，颗粒和气流以曲折的路径通过填料空隙，所以能有效地抑制气泡长大，从而阻止发生腾涌。 改善停留时间分布。 改善传热。对于些重度和粒径都比较大的固体，如某些催化 剂，不宜进行流态化操作，但反应热又很大、采用固定床操作也不适宜，此时可由大颗粒构成固定床，而在颗粒空隙间加入

24、某种惰性细粒子构成填料流化床。细粒子作为载热体能迅速将反应热移至床外，使传热性能大为提高。,2019/4/24,66,江苏大学能动学院,第二章 流化床的流体动力学基础,2019/4/24,67,江苏大学能动学院,2.1 流化床的流动特性,影响因素 床层流速 颗粒密度、所属种类、颗粒直径及其分布 颗粒密度和流化介质密度之间的差值大小是形成聚式还是散式流态化的直接原因之一,2019/4/24,68,江苏大学能动学院,细颗粒物料的流态化状态图,2019/4/24,69,江苏大学能动学院,吉尔达特(Geldart)等人密度差（ ）和平均粒径为特征参数将颗粒分四类,颗粒的分类,颗粒的分类,颗粒的分类,颗

25、粒的分类 书上有错,2019/4/24,70,江苏大学能动学院,A类： 细 粒径小，20100um， (s - f ）1。存在最大气泡的极限尺寸，颗粒流动性好。 大多数工业流化床反应使用的催化剂属于此类。 B类: 粗 粒度中等， 40500um， (s - f ）=1400 4000kgm3，起始流化时即发生气泡，Ub/Umf=1。床层膨胀不明显，不存在最大气泡的极限尺寸，且大多数气泡的上升速度高于颗粒间的气流速度。 鼓泡床大都用此颗粒,2019/4/24,71,江苏大学能动学院,C类： 极细 颗粒尺寸很小（小于20m)，以颗粒间的作用力(附着力及静电力等)大于气体对颗粒的作用力为特性，难于正

26、常流化。 易产生沟流和腾涌 在气固催化反应中很少采用，但同相加工中采用较多，如明矾综合利用。 D类：极粗 大粒径、高密度 dp0.5mm 绝大多数的气泡(除最大的外)的上升速度都低于颗粒间的气流速度。不能稳定流化 在筛分较宽的情况下，会发生分层流化。 只适用于喷动床中，如谷物干燥和煤粒燃烧均属于此类,2019/4/24,72,江苏大学能动学院,A B,B D,2019/4/24,73,江苏大学能动学院,2.2 床层压降与气流速度的关系,1理想流态化,2019/4/24,74,江苏大学能动学院,理想流态化具有以下特点： （1）有确定的临界流态化点和临界流态化速度Umf。当流速达Umf以后，整个颗

27、粒床层开始流化； （2）床层压降为一常数； （3）流态化床层上界面平稳； （4）流化床层的空隙率在任何流速下，都具有一个代表性的均匀值，不因床层的位置和操作时间而变化，但随流速的变化而变化。,2019/4/24,75,江苏大学能动学院,2.实际流态化,压降和流速的关系较复杂 ,偏离理想曲线,（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,2019/4/24,76,江苏大学能动学院,主要表现： 流化逐渐过渡过程 颗粒之间“架桥”现象 床内存在的循环流动 局部沟流 气泡的

28、存在,2019/4/24,77,江苏大学能动学院,3固定床床层压降的计算,（1）影响固定床压降的因素 流体和固体颗粒发生相互作用: U 曳力 阻力 颗粒直径dp、流体密度、粘度,床结构尺寸 (Dtdp)对边界效应的影响： 即颗粒表面形状(即曲率)和器壁形状(曲率)不一致，床层空隙率在靠近器壁处的值要大于床中心的值，这就是边界效应。,2019/4/24,78,江苏大学能动学院,空隙率与球形度s 颗粒形状不规则时： 不规则、粗糙e 规则 颗粒筛分比较宽时 ： 小,相同体积的条件下球体的表面积最小，因而恒有0s1,2019/4/24,79,江苏大学能动学院,球形度与孔隙率,2019/4/24,80,

29、江苏大学能动学院,某些颗粒物料的球形度s,2019/4/24,81,江苏大学能动学院,2019/4/24,82,江苏大学能动学院,2019/4/24,83,江苏大学能动学院,2019/4/24,84,江苏大学能动学院,fm-摩擦因数，无因次， G-质量流率，GU，kg(m2s)； L-床层高度，m； Dt-床直径；m； e-颗粒表面粗糙度，无因次 RedpG/是雷诺数，无因次。,归纳,2019/4/24,85,江苏大学能动学院,（2）固定床压降,厄冈(SErgun)关联式,P床层压降，kgm2； U-表现气速，ms； L-床高，m； gc-换算因子， gc =9.8kgm(kg重s2)。,20

30、19/4/24,86,江苏大学能动学院,低雷诺数（Re 20 ），粘度损失占主导,高雷诺数（Re 1000），仅需考虑动能损失,2019/4/24,87,江苏大学能动学院,李伐(MLeva),在滞流状态下(Re10)，有,由Levax修正的fm与Re之间的关系,2019/4/24,88,江苏大学能动学院,（3）颗粒的平均粒径,设粒径为dp1,dp2,dpn的颗粒数各为nl，n2，n3，nn。并且 ，则算术平均粒径为 式中 表示i粒度间隔内的物料重量分率,算术平均直径,几何平均粒径,调和平均粒径,算术平均粒径最大几何平均粒径次之 调和平均粒径最小,幻灯片 97,2019/4/24,89,江苏大学

31、能动学院,4流态化床的压降,通过床层的压降床截面积 = 床层体积固体颗粒分率床层密度,该压降等于床层内单位截面积上的颗粒重量,2019/4/24,90,江苏大学能动学院,2.3临界流态化速度,1临界流态化速度Umf,实验测定 计算法,起始流态化速度Ubf 完全流态化速度Utf,2019/4/24,91,江苏大学能动学院,2临界流态化速度的计算,临界状态时流化床的压降为 P = Lmf(1-mf)(s-f)g （1）,联立（1）（2）得,临界状态时固定床床的压降,（2）,化简得,2019/4/24,92,江苏大学能动学院,书上有错,Ar称为阿基米德准则数，无因次,对于球形颗粒，有mf=0.4，s

32、=l，则上式可化为： Remf2+ 51.4Remf-0.0366gcAr = 0 由此解得：,对于小颗粒和低流速(Re20） 粘度损失占主导,对于大颗粒和较高流速(Re1000) 动能损失 占主导,2019/4/24,93,江苏大学能动学院,另一种经验公式（解释）,Re10,Re10时，乘以校正系数,2019/4/24,94,江苏大学能动学院,例题,已知催化剂颗粒的平均直径为98um，在20 和0.1MPa（1atm）下用空气进行流化。有关物性参数如下：,试求在此条件下的临界流化速度。,解：假定Re20,按式,所以假定成立,2019/4/24,95,江苏大学能动学院,2.4颗粒终端速度,1颗

33、粒终端速度（自由沉降速度 ） terminal velocity,颗粒在流体中沉降时，共受到三个力的作用： 重力、浮力和流体对颗粒的摩擦阻力,根据牛顿第二定律，颗粒就会在此净力的作用下产生向下运动的加速度 ，a=du/d,2019/4/24,96,江苏大学能动学院,FgFb= ma = m (du/d) (d) 这样颗粒与流体就产生一个相对运动，一旦产生相对运动，颗粒又会受到流体对颗粒的运动阻力，Fd曳力dray force其大小为 Fd=CDA(u2/2) 它的方向与颗粒运动方向相反，并随u增大而增大。 A为颗粒在垂直方于其运动方向平面上的投影面积 A=(/4)d2 m2 所以，当颗粒产生相

34、对运动时，颗粒受到的净力为 F = FgFbFd (e),2019/4/24,97,江苏大学能动学院,沉降过程刚开始时，u=0, Fd=0,此时颗粒所受到向下的力最大，a 具有最大值,随着沉降开始，u逐渐增大，而FgFb不变，颗粒受到向下方向的净力减少，沉降过程为一加速运动，当u增加到一定程度时，Fd增大，使得 F=0，此时m不为零，a = du/d =0，颗粒变为等速运动，（匀速运动），此后颗粒将一直保持此速度作相对运动，颗粒达到等速运动时的速度称为颗粒的沉降速度或终端速度。,2019/4/24,98,江苏大学能动学院,=,2019/4/24,99,江苏大学能动学院,式中Ut-颗粒终端速度，

35、m/s； CD-曳力系数，无因次。,2CD的求法,CD称作曳力系数，亦称摩擦因数。它反映颗粒运动时流体对颗粒的曳力(或摩擦阻力)，亦即当流体流过固体颗粒时(除浮力的影响之外)，使固体沿流动方向受到曳力的作用。,表面曳力：指流体沿颗粒表面的剪切力在流动方向上的分力，主要受颗粒表面性质的影响 形体曳力 ：是整个固体颗粒所受压力在流动方向上的分力，主要与颗粒大小及迎流横截面积有关,U小时，表面曳力 U大时，形体曳力,2019/4/24,100,江苏大学能动学院,曳力的的因素有： 流体流速U，流体密度、粘度，固体颗粒的大小、形状以及流体流动方向。,CD与Re的关系,2019/4/24,101,江苏大学

36、能动学院,把CD的关系式代入,以上公式针对球形颗粒，对非球形颗粒要进行修正,2019/4/24,102,江苏大学能动学院,试差法（trial and error） 由于utCD有关，而CD Ret， Retut有关，由于ut为待求，Ret也就是未知数，所以 ut的计算需要用试差的方法求取，即先假定Ret （流型），选 ut 计算式计算，再用ut算 Ret ，是否与假定的流速一致，如一致则是正确，如不正确，则重新设定 Ret 。,Ut的求解,2019/4/24,103,江苏大学能动学院,例题1,2019/4/24,104,江苏大学能动学院,2019/4/24,105,江苏大学能动学院,例题2,2

37、019/4/24,106,江苏大学能动学院,3颗粒终端速度和临界流态化速度之间的关系,操作灵活性,（1）颗粒很小，且Re0.3时有：,对于球形颗粒，mf=0.4，s=l,2019/4/24,107,江苏大学能动学院,（2）颗粒很大，且Re1000时，同样对于球形颗粒有：,故,解释,2019/4/24,108,江苏大学能动学院,4.流化床操作的气流速度,理论上,实际上范围要小得多（沟流,腾涌），也有远远超过Ut的,U一般由经验确定： 丙烯晴N=250，石油催化裂化N=3001000 醋酸乙烯N=2.43，矿石焙烧,2019/4/24,109,江苏大学能动学院,下列情况可以采用较高的U： （1）反

38、应速度快 （2）床内有较多的反应热生成需通过换热器除去 （3）床内要求保持等温条件 （4）床层内有内部构件 （5）有的工艺生产过程需要固体循环,2019/4/24,110,江苏大学能动学院,下列情况可以采用较低的U： （1）催化剂易于粉碎或价格昂贵 （2）固体颗粒的粒度分布较宽，或固体颗粒参加反应 （3）反应速度较慢 （4）反应放热不多 （5）床层较浅，颗粒有良好的流化特性，而且低气速下不产生 沟流现象。 （6）床层内没有内部构件 （7）粉尘回收系统效率较低或负荷过重。,总结,2019/4/24,111,江苏大学能动学院,2019/4/24,112,江苏大学能动学院,幻灯片 73,2019/4

39、/24,113,江苏大学能动学院,假定Re20,按式,2019/4/24,114,江苏大学能动学院,2019/4/24,115,江苏大学能动学院,第三章 流化床的两相理论及颗粒的夹带,3.1概述,一、流化床的两相理论,2019/4/24,116,江苏大学能动学院,由于乳化相中的气体与固体颗粒的接触大大优于气泡相中的气体与颗粒的接触，所以送入床内的流化气体在两相间的分配份额对流化床反应的研究是十分重要的，这正是两相理论所涉及的内容,2019/4/24,117,江苏大学能动学院,最早的两相理论假定乳化相维持初临界化状态，即空隙率仍为mf，其空截面气速仍为Umf，超流量（U-Umf）Ab全部以气泡的

40、形式流经床层,简单两相理论定义：高于临界流态化所需的气体流量为超流量。两相理论是以假设超流量以气泡形式流经床层为基础的。,乳化相和气泡相组成,qvb-可见气泡流量,发现测量值总是明显低于（U-Umf）Ab，即简单两相理论大大高估了可见气泡流量,1952年Toomcy和Johnstone提出两相理论,2019/4/24,118,江苏大学能动学院,修正的两相理论,=可见+不可见,为气泡滞留量,一般认为，在三维床中，n=2，二维床中n=1。,乳化相中气流速度仍为Umf，从通过流化床层中的总流量UAb中减去流经乳化相的气体量 UmfAb (1- )( 为气泡滞留量)，气泡相的总流量应为Ab U-U m

41、f(1- ),书上有误,2019/4/24,119,江苏大学能动学院,Y值为一试验常数,幻灯片 111,2019/4/24,120,江苏大学能动学院,流化床中的气泡,二、流化床中的气泡,2019/4/24,121,江苏大学能动学院,2019/4/24,122,江苏大学能动学院,气泡尾部的压力较周围床层压力低 尾涡的体积约为气泡体积的2030,尾涡,尾迹,1.气泡的形状,单个气泡在较小时接近于球形 较大时变平并扭曲 大气泡则呈球帽形,2019/4/24,123,江苏大学能动学院,2019/4/24,124,江苏大学能动学院,扁平,2019/4/24,125,江苏大学能动学院,上部为无色颗粒 下部

42、为有色颗粒,2019/4/24,126,江苏大学能动学院,2.气泡上升速度,鼓泡床 腾涌床 过渡区,单个气泡的相对上升速度,气泡群中气泡的上升速度Ubs,若采用简单的两相理论，则有,幻灯片 102,2019/4/24,127,江苏大学能动学院,气泡上升速度高于乳化相中的气速，因此气体由气泡底部进去，从顶部离开，然后又被扫下，流经气泡周围的一层乳化相并返回气泡。气泡周围被这一循环气体所渗透的区域称为气泡晕,上升气泡周围的气体流线,乳化相中的速度Uf(Uf=Umf/mf),2019/4/24,128,江苏大学能动学院,工程上希望 气泡越小越好,1. 两相间的气体交换量大体与 成正比。,2. 小气泡

43、上升速度低，在床层中的停留时间也更长，有利于两相交换。,气泡相与乳化相是通过气泡边界及尾涡发生交换的,2019/4/24,129,江苏大学能动学院,气泡相和乳化相之间的气体交换,2019/4/24,130,江苏大学能动学院,3.气泡的长大,(1)气泡所受的静压随气泡上 升而降低； (2)气泡赶上前面的气泡面发生聚并； (3)气泡也可能发生横向聚并 (4)气泡通过局部吸取乳化相中的气体。,在大多数情况下(2)与(4)占主导,幻灯片 6,气泡的合并,2019/4/24,131,江苏大学能动学院,气泡在上升途中的平均直径dh随床深Hs的变化规律可总结为,直孔多孔板,m、n由试验确定,布风板对气泡的影

44、响,2019/4/24,132,江苏大学能动学院,2019/4/24,133,江苏大学能动学院,4.气泡的稳定性（Harrison等),UbUt时为不稳定气泡，颗粒就会被气流从底部带入气泡而使其破裂 。,采用平均粒径计算的Ut使所得的dbmax与实测值相比甚小，Matsen等提出采用2.7dp来计算Ut值，这样结果才相近。这一问题还是悬念。,2019/4/24,134,江苏大学能动学院,一般认为粗颗粒床(B、D类)中不存在最大气泡尺寸，这可能是因为其dbmax相当大，气泡不致于长大到dbmax，即已达到床径的1/3而形成腾涌。对细颗粒床则dbmax小得多，故认为存在最大气泡极限尺寸。,2019

45、/4/24,135,江苏大学能动学院,三、流化床中气泡运动引起的混合现象,1.固体颗粒的混合,2.气体的混合,2019/4/24,136,江苏大学能动学院,四、流化床膨胀,膨胀比R,密相膨胀显著,A类颗粒,n为雷诺数Re,的函数。,B或D类颗粒 密相膨胀小 ，床层总膨胀主要取决于气泡滞留量,与气流速度、气泡直径及上升速度有关,以下的分析可导出床层膨胀与气体流速、气泡直径间的关系,2019/4/24,137,江苏大学能动学院,若在流化床中任一高度h处气泡上升速度为Ubsh，则气泡在h处的微元体h中的停留时间为hUbsh。若可见气泡流量为qvb，则微元体中气泡的体积Vb为qvbhUbsb，取极限,

46、若定义气泡平均上升速度,上式可用于从床层膨胀的实验数据推测气泡的尺寸,2019/4/24,138,江苏大学能动学院,3.3流化床的气泡相模型和颗粒运动模型,一、气泡相模型,1.戴维森模型(以简洁著称）,单个气泡上升,假设 （1）气泡中不含固体，形状是圆的。气泡在三维床中呈球形，在二维床中呈扁圆柱形； （2）当气泡上升时，颗粒向两侧运动，颗粒可被看作是密度为s(1-mf)的不可压缩非粘性流体； （3）气体在乳化相中可视作不可压缩粘性流体,气泡内的压力为常数 ,空隙率mf为常数。,床层内存在压力梯度，压力沿床层高度逐渐降低,1961年Davidson观查了流化床中的气泡现象并提出了气泡模型,201

47、9/4/24,139,江苏大学能动学院,乳化相中的速度Uf(Uf=Umf/mf),慢速气泡(UbrUf),快速气泡 (UbrUf),对于UbrUmf/mf的特大气泡，气泡晕厚度可略而不计，气泡中的气体只在气泡内循环，不与外界交换，这也是特大气泡使得床层内交换变差的主要原因。,2019/4/24,140,江苏大学能动学院,Ubr和Uf对流型的影响,2019/4/24,141,江苏大学能动学院,气泡晕厚度,对三维床:,对二维床：,书上分母有错,Rc-气泡晕的半径 Rb-气泡半径， m,2019/4/24,142,江苏大学能动学院,气体流入或流出气泡的流量(即穿流量)q,在气泡的最大截面处，气体通过

48、二维气泡的流速为2Umf，三维床为3Umf，这也就是乳化相气流会通过气泡穿行的原因,2019/4/24,143,江苏大学能动学院,Davidson气泡理论各式,2019/4/24,144,江苏大学能动学院,2019/4/24,145,江苏大学能动学院,2国井-列文斯皮尔模型D.Kunii-O.Levenspiel,着眼于整个流化床来研究气泡,1）气泡附近的气体性状和戴维森模型很接近，即在许多上升气泡中的任一个气泡附近，气体的流动都接近戴维森模型。 （2）认为气泡的汇合、长大要经历三个阶段：小气泡在紧靠布风板上方处剧烈合并；具有气泡晕的中等大小气泡，其上升速度UbUf：较大且气泡晕很薄的快速气泡，UbUf。认为这三种气泡分别存在于床层的不同高度上，而在床中每一具体高度处，沿横截面方向气泡的尺寸近似相同。 （3）认为气泡群的上升速度Ubs和单个气泡上升速度的关系为UbsU-Umf十Ubr。 （4）除很小的入口区域之外，整个床层中的气泡尺寸可以近似取作常数(有内部构件） （5）沿用戴维森模型，认为气泡相中不含固体颗粒，即气泡相的空隙率