第一章--流态化

材料工业热工设备第一章流态化流态化是流体（气体或液体）流过微粒固体而相互接触并在一定条件下使之转变成类似流体状态的操作。固体流态化现象很早就被人们发现，但应用于工业生产，是在本上世纪二十年代开始于德国温克勒煤气发生炉。目前流态化技术已广泛应用于矿业、冶金、化工、医药以及食品等许多部门。在硅酸盐工业也得到了广泛应用，尤其是水泥工业，如固体颗粒的输送、生料仓库的空气搅拌、流态化烘干、窑外分解技术等都是与固体流态化技术密切相关的。流态化现象具有其独特的特性，特别是气体流化床。气体流化床又具有较高的工业价值，水泥工业中采用的几乎都是气体流化床。NHG系列高效流态化烘干机带余热锅炉的流态化预分解窑系统流态化床干燥器第一节基本概念21345流体入口流体出口一、固体流态化的形成如图1所示，有一圆柱形的容器1，下部设有多孔板（分布器）2，用来支承固体粒子，并使流体沿截面分布均匀。堆放在分布器上的固体粒子称为床层。流体（气体或液体）由进口3进入，从排出口4排出。在床层底部与圆筒容器顶部之间连接一U型压差计5，用以测定床层的压差。图1-2流化管示意图1.流化管；2—多孔板（分布器）；3—流体入口管；4—流体出口管；5—压差计。当流体向上流过颗粒床层时，其床层压降（ΔP）、床层高度（H）、孔隙率（ε）与流体表观流速（u）的关系如图2所示。表观流速（u）——是指假想流体通过流化床整个截面（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。uutumfaaabbccccP压差P高度L孔隙率图1-3ε、L、ΔP与u的关系图（对数坐标）由图可见，根据床层高度L、床层阻力ΔP及床层中颗粒的运动状态（ε）随表观流速的变化，表明流化状态的形成可分为三个阶段：1、固定床阶段固定床阶段：当流体以较低的速度通过床层时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙通过。而当表观流速增大时，固体颗粒之间的排列可能有些松动，或床层有所松动，但因固体颗粒的相互接触，床层高度没有什么变化，床层整体没有明显的运动，这一阶段称之为固定床层阶段。固定床阶段的特点：床层孔隙率为一常数；流速增大时，压力降也随之增加。2、流化床阶段流化床阶段：当表观速度继续增加，达到一定值（如图中b点）时，床层开始松动和膨胀，当床层的压降达到了单位床层面积上颗粒的重力值：gLfs001（N/m2）时，固体颗粒被流体吹起而悬浮于流体中，且自由地在各个方向作剧烈运动。当表观流速继续增加时，床层颗粒运动加剧，且作上下翻滚运动，整个床层具有类似流体的性质，这时床层处于流化状态，这一阶段称为流化阶段，如图中bc段。流化床阶段的特点：随表观速度的增加，孔隙率增加；床层高度L也随之增加；但，床层压降ΔP却不变。即不增加流动所需的功。临界流化点：图中b点是固定床阶段和流化床阶段的分界点，叫做临界流化点。临界流态化速度：b点所具有的表观速度u是形成流态化的最低速度，叫做临界流态化速度（umf）。临界流态化速度与固体颗粒的大小、形状、密度、流体的性质以及床层的流体力学条件有关。3、流体输送阶段当表观速度继续增加到某一极限值后，固体颗粒应被流体带出容器。在工业上，利用这种性质，将固体颗粒象输送流体一样用管道来输送，这一阶段称之为流体输送阶段。极限流速：图中c点为进入流体输送阶段的起始点，该点所对应的表观速度称为极限流速，以ut表示。ut在传统的流化床设计和操作中也是一个很重要的参数。一般来说，形成流化床的流体的表观速度应该在临界流化速度和极限流化速度之间。即umf＜u＜ut。讨论：上述流化状态是一个理想状态，对于理想状态流化床来说可归结为以下几个特征：有一个明显的临界流化点和临界流化速度umf，当流速达到时umf，整个颗粒床层才开始流化；流化床的压力为一个常数；具有一个平稳的流态化上界面；流化床层的孔隙，在任何流速下，都具有一个代表性的均匀值，并不因为在流化床内的位置而变化。二、流态化类似于流体的性质固体流化床层，很象沸腾的流体，同时在许多方面呈现出类似的性质。具有液体的浮力性质：一个体积大而轻的物体，能够很容易地压入床层中，一松手又浮于表面上。具有流体的流动性能：当容器倾斜时，床层表面会保持水平；如果将两个流化床联通，被流化的颗粒会从高的床层向低的床层流动，并趋于一致；固体颗粒还可以从开有小孔的容器中喷出，并可象液体那样具有良好的流动性能。具有良好的流体力学性质：流化床中任意两点的压差，大致等于这两点间床层的静压头。利用上述流化床类似流体的性质，可以设计出许多不同的气（液）体和固体的接触方式，使气（液）—固两相密切接触，从而使许多物理和化学过程快速进行，或使固体颗粒进行快速输送。三、散式流态化、聚式流态化及流化床中的不正常现象（一）散式流态化与聚式流态化1、流化介质流化床内使颗粒床层流化的流体称为流化介质。它可以是气体或液体。用气体作为流化介质的流化床称为气体流化床。用液体作为流化介质的流化床称为液体流化床。2、散式流态化液体流化床较接近于理想状态，当流速达到临界流化速度以上时，流化床内部均匀而且平稳。床层高度随流速加大而升高，而且具有一定的上界面。在正常情况下，观察不到显著的鼓泡和不均匀现象，这样的流态化称为散式流态化（或称为均一流态化或平稳流态化）。3、聚式流态化对于气体流化床，当气体速度超过临界流化速度时，就会由于气泡的出现而导致很大的不稳定性。表现在流化态没有一个固定的上界面，而以每秒几次的频率上下波动，床层阻力也随之上下波动。若在波动范围内取平均值，仍可近似地认为其床层阻力不随流速的改变而变化，床层高度并不比临界流化状态下高很多，这种流态化称为聚式流态化（也称非均一流态化，或鼓泡流态化）。对于聚式流态化，同时存在着两种聚集状态（相）：另一种是空隙率相对较高的（如处于流化床上层的）疏相（或称稀相）。一种是空隙率低的（如处于流化床的下层）密相（或称为浓相）；无论是气体还液体的流化床，只要流化床有一个清晰的上界面，都可以认为是密相流化床；而当表观流速超过根限流速时，整个床层都被气体带出，上界面消失，这种流化床即为稀相流化床。4、讨论（1）一般来讲，液—固形成的流态化为散式流态化，气—固形成的流态化为聚式流态化。（2）散式与聚式的差别在于固体与流化床介质的密度差fs，当fs很大时，就形成聚式流态化；若fs相对较小，即形成散式流态化。（3）当用高压气体作流态化介质时，所形成的流态化也可为散式流态化。（4）常用的判别流态化类型的判据表达式为：当100RetmfffsmfmfDLFr时为散式流态化；当100RetmfffsmfmfDLFr时为聚式流态化。mfFr式中，为临界状态下弗鲁特准数gduFrpmfmf2mfu—临界状态下流体表观流速，m/s；pd—固体颗粒直径，m；g—重力加速度，m/s2；mfRe为临界状态下的雷诺准数：ffmfpmfuud/Ref—流体密度，kg/m3；fu—流体粘度，Pa·s；s—固体颗粒密度，kg/m3；mfL—临界状态下床层厚度，m；tD—流化床直径，m。（二）气—固（聚式）流化床中的不正常现象气—固流化床比较复杂，常出现一些不正常的流化现象，使操作不稳定，降低过程的效率，严重时会使产品毁坏或使设备损坏。沟流死床腾涌最常见的不正常现象有：1、沟流和死床（1）沟流与死床当气流速度超过临界速度时，局部床层可能并没有被流化，另一部分床层已被气流以吹成一条孔渠（沟流）。气流沿整个截面分布极不均匀，有的部分仍处于颗粒堆积的固定床状态，这些尚未流化的部分就称为死床。（2）出现沟流或死床的危害出现沟流时，显然气—固之间接触不良，相间传递及反应过程不能很好进行，从而降低了设备的效能。在此条件下，死床部分往往有使产品烧结的危险。产生沟流后，由于气体短路使床层的阻力低于临界流化床的床层阻力，其差值的大小就表示沟流严重的程度。（3）引起沟流或死床的原因固体颗粒的性质、气体流速、床层的几何尺寸、分布板的形状以及容器内部结构等。试验表明，颗粒过细而湿，易于结成团；床层太薄，气速过低或分布不均匀以及分布器结构不合理均容易产生沟流。2、腾涌（1）腾涌在气—固流化床中，由于固体物料的强烈搅动，不可避免地产生一些气泡，这些气泡在上升过程中不断增大，当床层足够高时，气泡可能汇合长大到接近容器直径。这时气泡就会象活塞一样将上面的颗粒层向上推动，并到达一定高度后落下，有时床层甚至被气泡截成若干段，这种现象叫做“腾涌”或“气截”。（2）危害：产生腾涌时，床层阻力波动很大，温度分面不均匀，使过程很难稳定地进行。固体颗粒被严重磨损并被气体大量带出，设备的生产能力降低，严重时，设备零件也会被冲击损坏。（3）造成腾涌的原因：试验研究表明，颗粒尺寸大，床层高度H和直径D之比过大，以及气速较高均易产生腾涌。通常当H/D＜1、设备较大（D＞1m）而且内部设置构件时，腾涌现象不易产生。例1：P4【例1-1】【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：2/,/022.0),(104.3,150,1054.210,/1500553tmfmffppDLsmUsPamdPapmkg【解】查表得：p=210.54×105Pa时，饱和蒸汽密度mdmkgpt00015.0/1.20133289.000015.081.9)022.0(52.19104.31.201022.000015.0Re225pmfmfttmfpmfgduFrUd10093.82246.652.193289.0)())()(Re(246.61.2011.2011500＜，所以已知tmfttpmfmftmfttpDLFrDL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ρp/ρt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.))()()(Re(tmfttpmfmfDLFr四、固体颗粒的有关参数及其分类（一）固体颗粒的特征参数1、平均粒径在流态化的研究中，主要根据颗粒分析结果，用质量平均粒径表示。即：piipdxd1式中：ix—颗粒粒径为pid时的质量分率；pid—颗粒在频率图上的粒径pd—全部颗粒的平均粒径。2、表面形状系数和比表面积（1）表面形状系数在工业生产中，固体颗粒形状一般都是不规刚的，为了使研究过程中的问题得到简化，通常假设为球形颗粒，然后将所得结论用表面形状系数加以修正。颗粒表面形状系数s的定义为：两者体积相等颗粒表面积圆球表面积sΦss对于球形颗粒，=1；其他形状颗粒，0＜＜1。表面形状系数均由实验得出，或由有关手册查得。当数据缺乏时，可以作如下考虑：正方形颗粒，圆柱形颗粒，不规则形状颗粒，s=0.806；s=0.833～0.868；可近似取s=0.9。（2）比表面积比表面积a定义为：固体颗粒体积固体颗粒表面积a若为单一颗粒，则：pspspddda66//32'若为固体颗粒群，则：pspspdddna161/6/32式中：'a—单颗粒的比表面积，m2/m3；a—颗粒群的比表面积，m2/m3；pd—颗粒平均粒径，m；s—颗粒表面形状系数；n—颗粒数目；ε—颗粒群的孔隙率。3、孔隙率在流化床中，孔隙率是指单位床层体积内空隙体积的份额。或者说是流化床中空隙体积与床层总体积之比。颗粒处在堆积状态时的孔隙率称为堆积孔隙率。固体颗粒若为均一球形颗粒，当任意堆积时，其孔隙率在0.36～0.4之间。若为大小均匀但表面不规则的颗粒，其孔隙率要比球形颗粒的大些；而大小不均匀的颗粒堆积时的孔隙率又要比均匀颗粒的小些。根据孔隙率的