流化床的基本原理

将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有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，并规定重力的方向为正。）18p2ptgdu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。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。如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速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t1puuu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：考察单位床层截面上流体的体积流量：11uuqvuu124DquV流体空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。（1）固定床阶段t1puuu如果流体介质静止或者上升流速u1，u1ut随着上升流体流量的增大，u1增大，当达到u1=ut时，颗粒的表观速度up=0。当u1稍微大于ut时，颗粒便会上升，发生由固定床向流化床的转化。颗粒的直径一定，在流体介质中的沉降速度ut一定。。下，沉落而堆积在一起即颗粒绝对速度方向向,0up保持固定床状态的最大空床气速umax床层形态由固定床向流化床转换的临界条件：bedfixedmaxmax,1uutmax,1maxuuuumax为维持固定床状态的最大表观气速。起始流化速度：umf=umaxbedfixedtmfuuuut1utmax,1uu0pu如果是均一的颗粒，其ut可以计算出当流体的空床流速uumf时，则出现u1ut,即up＞0，则颗粒向上运动。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ε增大。起始流化速度：umf=umax此时u1=ut（2）流化床bedfixedtmfuuut1uuuu1如为均匀颗粒，其ut已知uu1t1uu又可能出现0uuut1p出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。t1uu颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增大。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uu1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。u注意：（2）流化床需要特别指出的是，流化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（ε=1.0）该颗粒的表观速度u即为其真实速度u1u=u1＜ut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。很显然，如果将流体的流量（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u1＞ut的关系，始终up＞0，则颗粒被带出床外，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：umf~ut（3）颗粒输送阶段流体三、Reh气-固两相接触操作图1、颗粒的阻力与颗粒的有效重力比值范围示意图m1，固定床/移动床m=1，流化床m1，气流床/气力输送2、Reh气固两相操作图二、悬浮颗粒的阻力系数回顾与总结1.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5.3流态化特征与Geldart颗粒分类5.3.1流态化的基本特征5.3.2最小流态化速度5.3.3最小鼓泡速度5.3.4流态化气泡特征5.3.5Geldart颗粒分类5.3.1流态化的基本特征1、床层物料具有很高的颗粒表面积2、床层内有大量的不同尺寸的气泡3、颗粒损失大4、容易实现连续控制流态化曲线——床层孔隙率（或床层高度）、压降与流体表观流速的关系曲线。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。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。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。1、有明显的临界流态化点和临界流态化速度;2、流态化床层的压降为一常数;3、有平稳的流态化界面;4、流态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,不因床层内的位置而变化。理想流化床的特点:实际流化床的特点:固定床与流化床分界点所对应的流体表观流速。请同学们总结出实际流化床的特点？？？？临界流态化速度临界流化状态（速度）流体的流速达到颗粒受到的阻力=重力-浮力颗粒悬浮在流体中床层压降的理论值gAlpAp))(1(5.3.2最小流化速度确定方法①可由实验测定，即通过Δp-u关系曲线确定。②可用近似计算法求得——量纲分析或相似理论法。1、细颗粒2、粗颗粒3、有不良流态化现象发生时gLAgLAAgVAgVAgmAmgPpppbedpspf)(1)(1)(1)(1根据第4章中的欧根方程，对于小颗粒(Rep＜20）又可以利用固定床压降的计算式（5-32）（1）流化床的压降675（2）固定床的压降此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。设流化床的床层高度为L，床层空隙率为ε，则此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。流化床的操作范围1、起始流化速度umfudLp2ev232f11505.3.3最小鼓泡速度对于小颗粒，u=umf时，散式流化床uumb时，鼓泡流化床347.006.045)716.0exp(07.2vmbdxu对于大颗粒，u=umf时，聚式流化床气泡的尾涡与尾迹1、气泡的产生与运动与颗粒的性质、风板、流化床的尺寸有关；2、相同的颗粒，相同的流化速度、相同的深宽比具有相同气泡与颗粒流型；3、尾涡与尾迹的产生常见的三种气泡尺寸定义(1)投影尺寸——db；(2)气泡弓玄尺寸——dbh；(3)体积尺寸——dbv；5.3.4流态化气泡特征气泡的尺寸与速度(1)床层高度增加，气泡增加；(2)流态化速度增加，气泡增加；(3)气泡间存在合并长大过程，同时大气泡可分裂为许多小气泡；(4)流化床存在最大平衡气泡尺寸气泡晕单个气泡：顶部球形，尾部内凹。在尾部由于压力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了进去。形成局部涡流——尾涡在气泡上升途中，不断有一部分粒子离开这一区域，另一部分粒子又补充进去。这样，就把床层下部的粒子夹带上去，促进了整个床层粒子的循环和混合。所以气泡是床层运动的动力。气泡外形成一层不与乳相中流体相混合的区域。这一层为气泡云，在其中，气泡内的气体与固体颗粒获得了有效的接触，得到反应。气泡越大，气泡的上升速度越快，气泡云也就越薄，气泡云的作用也就减弱。气泡云和尾涡都在气泡之外，可合称为泡晕。1、是床层运动的动力，加剧气-固两相相对运动；气泡的作用3、参与传质，使反应物：气泡相乳相；产物：乳相气泡相2、造成床层内颗粒的剧烈搅拌，使流化床具有很高的颗粒与气体、床料与表面的换热速率，因此流化床具有等温的特征；4、降低流化床气固接触效率；5、上升到床层表面破碎时，将大量颗粒抛入床层上方，使流化床颗粒损失。5.3.5Geldart颗粒分类1、C组颗粒2、A组颗粒3、B组颗粒4、D组颗粒5.4流化态技术的应用一、流态化技术在工业中的应用1、化学反应过程①湿法冶金中：流态化浸出和洗涤、流态化离子交换②火法冶金：沸腾焙烧（ZnS精矿）沸腾氯化（钛铁矿精矿）2、物理过程：①颗粒分级②流态化洗涤③流态化干燥（喷雾干燥）④物料输送：最典型的是颗粒物料的气力输送二、流态化技术的优缺点1、优点①易于连续化和自动控制。②相际混合均匀，温度均匀。③相际之间接触面大，传质、传热速率大、效果好，可强化化学反应过程。2、缺点①气体流动情况十分复杂。②颗粒在反应器内停留时间不均。③固体颗粒在气流作用下易粉碎，粉末易被气流夹带。④一些高温过程，微粒易于聚集和烧结（有时不得不降温，从而降低反应速度）。