流態(tài)化技術(shù)課件最新.ppt

流態(tài)化技術(shù),2019/7/17,2,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,第一章 流態(tài)化現(xiàn)象與特征,2019/7/17,3,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,自然界 ：泥砂的夾帶、飛沙走石、沙塵暴,定義：流態(tài)化是一種使固體顆粒通過與氣 體或液體（流體）接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體狀態(tài)的操作。,2019/7/17,4,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,生活： 淘米、揚簸谷物、淘金,2019/7/17,5,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,工業(yè)： 固體燃料的燃燒、煤的氣化、氣固相催化反應(yīng)、物料干燥、固體物料的輸送,定義：流態(tài)化是一種使固體顆粒通過與氣 體或液體（流體）接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體狀態(tài)的操作。,2019/7/17,6,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,流化床1921年最早出現(xiàn)于德國，應(yīng)用于粉煤氣化。溫克勒 (Fritz Winkler)的流化床粉煤氣化，此法于1922年獲得德國專利。第一臺煤氣發(fā)生爐，高13米截面積12平米,于1926年順利投入運行 二戰(zhàn)期間應(yīng)用于石油催化裂化 后廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶煉、糧食、醫(yī)藥等部門,2019/7/17,7,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,流化床干燥器（沸騰床干燥器）, 原理：流化床干燥器是流態(tài)化原理在干燥中的應(yīng)用。在流化床干燥器中，顆粒在熱氣流中上下翻動，彼此碰撞和混合，氣、固間進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)，以達(dá)到干燥目的。,2019/7/17,8,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,9,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,10,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,11,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,1.1 流態(tài)化形成的過程 一、流態(tài)化形成的過程,聚式流化,散式流化,2019/7/17,12,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,1固定床階段,顆粒間仍保持緊密接觸 床高Lm不變 氣流對顆粒的曳力 + 氣流對顆粒的浮力 顆粒受到的重力 壓降值P單調(diào)增加,曳力,浮力,重力,2019/7/17,13,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,流態(tài)化過程曲線,幻燈片 115,2019/7/17,14,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2流態(tài)化床階段,固體顆粒在床層中自由浮沉 壓降P = 單位截面積上床層物料的重量 正常流態(tài)化階段： 正常流態(tài)化后，逐漸減小氣速 ？,氣流對顆粒的曳力 + 氣流對顆粒的浮力 = 顆粒受到的重力,2019/7/17,15,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3.氣力輸送階段 (氣流床）,當(dāng)UUc后，被帶出的物料 逐漸增多，大的顆粒也被帶出 原有的床層上界面逐漸消失 對應(yīng)的料層阻力急劇減小。 氣流對顆粒的曳力 + 氣流對顆粒的浮力 顆粒受到的重力,2019/7/17,16,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,Umf 臨界流化速度，是指剛剛能夠使固體顆粒流化起來的氣體空床流化速度，也稱最小流化速度。 Ut 帶出速度，當(dāng)氣體速度超過這一數(shù)值時，固體顆粒就不能沉降下來，而被氣流帶走，此帶出速度也稱最大流化速度。,流化速度U,2019/7/17,17,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,操作速度、表觀流速（U）是指假想流體通過流化床整個截面（不考慮堆積固體粒子）時的截面平均流速（也稱空塔速度或空管速度），用U表示。,U=V/A (m/s),式中：V通過流化床的流體體積流量，m3/s；,A流化床的截面積，m2。,2019/7/17,18,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,劃分并不嚴(yán)格,2019/7/17,19,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,固體顆?？梢詤⒓踊瘜W(xué)反應(yīng) ：氣化、燃燒 不參加化學(xué)反應(yīng)，如氣相化學(xué)反應(yīng)中的固體催化劑 參與多種物理過程 ： 熱空氣干燥糧食,二、形成流態(tài)化的條件,1.有固體顆粒存在,2019/7/17,20,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.有流體介質(zhì)存在,流體介質(zhì)有： 熱空氣(用于干燥物料或使物料散開等) 一般空氣(用于流態(tài)化燃燒、煤炭氣化等 加重介質(zhì)(矸石與煤分層分選)； 化產(chǎn)蒸氣(如重碳?xì)浠衔镎魵庠诠腆w催化劑作用下發(fā)生裂解反應(yīng)等)。 有時流體介質(zhì)可能是一種以上。,2019/7/17,21,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3固體與流體介質(zhì)在特定條件下發(fā)生作用,這些條件包括： （1）固體顆粒有粒度限制，如一般鼓泡床沸騰燃燒鍋爐要求入料粒度10mm；循環(huán)流化床要求給煤粒度2mm等。 （2）流體介質(zhì)應(yīng)具有一定的溫度、壓力，保證正常流態(tài)化的實現(xiàn)及床內(nèi)反應(yīng)過程的正常進(jìn)行。 （3）固體顆粒與流體介質(zhì)在一定的空間內(nèi)互相作用。,2019/7/17,22,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,三、流態(tài)化過程具有的特點,輕小的物料顆粒容易浮起； 當(dāng)容器傾斜時，流態(tài)化床層的上界面仍保持相對水平狀態(tài) 容易變形、流動，沒有固定的形狀 連通器原理,1.類似液體的特性（物性參數(shù)）,2019/7/17,23,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.固體顆粒的劇烈運動與迅速混合,上下運動和左右運動 床層基本處于全混狀態(tài) 溫度與濃度趨于均勻,3. 強烈的碰撞與摩擦,顆粒之間 顆粒與容器壁之間 優(yōu)點：有利對流傳熱的，顆粒表面的更新促進(jìn)加熱、冷卻 缺點：磨損較嚴(yán)重,2019/7/17,24,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,4.顆粒比表面積大,5.氣體與顆粒的接觸時間不均勻,2019/7/17,25,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,四、流化床的基本構(gòu)造,通常的流態(tài)化裝置由以下幾部分組成： （1）流體分布裝置(這里僅介紹氣-固流態(tài)化) （2）內(nèi)部構(gòu)件，如擋板、受熱面、攪動機械等 （3）氣-固分離裝置，可設(shè)在床內(nèi)或床出口以外, 使固體物重新回到床內(nèi)； （4）進(jìn)料及排料裝置。,2019/7/17,26,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,循環(huán)流化床鍋爐,2019/7/17,27,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)特點,1、爐膛 2、旋風(fēng)分離器 3、過熱器 4、外置式換熱器 5、煤倉 6、返料裝置 7、石灰石進(jìn)料口 8、灰冷卻器 9、省煤器 10、空氣預(yù)熱 11、除塵器 12、引風(fēng)機 13、尾部煙道 14、汽包,2019/7/17,28,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,典型流化床組成,（1）風(fēng)室 ，也稱氣體預(yù)分布器 、等壓風(fēng)室 （2）布風(fēng)板，又叫布風(fēng)板或氣體分布器 作用 ： 具有均勻分布?xì)饬鞯淖饔谩?使流態(tài)化床有一個良好的起始流態(tài)化狀態(tài)。 支撐容器內(nèi)固體顆粒重量，保證分布器不被堵塞和過快磨蝕。 （3）容器 ，對燃燒而言，就是燃燒室、爐子,2019/7/17,29,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,30,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,31,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,五、流態(tài)化過程中的不正?，F(xiàn)象,1溝流（channel flow) 定義：又稱穿孔現(xiàn)象，指料層不均勻或氣體介質(zhì)分布不均勻時，在容器內(nèi)由固定床向流化床轉(zhuǎn)化的初始階段，氣流可能從阻力較小的“通道”處通過，形成氣流短路的現(xiàn)象,溝流,2019/7/17,32,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,(1)局部溝流 (2)貫穿溝流 (3)引起溝流的主要原因有 : 布風(fēng)裝置設(shè)計不當(dāng)，導(dǎo)致布風(fēng)不均勻； 料層篩分不合理，粉末太多或太少； 料層過薄或水分較大，容易引起顆粒粘連； 氣流速度偏小等,2019/7/17,33,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,34,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,危害：產(chǎn)生死床，造成催化劑燒結(jié)，降低催化劑使用壽命，降低轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)能力,消除方法：加大氣速；干燥顆粒；加內(nèi)部構(gòu)件；改善分布板。,2019/7/17,35,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.騰涌 （slugging) （1）定義：當(dāng)床層內(nèi)氣泡匯合到大小接近床截面時，床內(nèi)料層可能會分成幾段，形成氣塞像活塞似地運動。當(dāng)大氣泡破裂時，大顆粒下落，細(xì)小的物料可能會被氣流帶走，這種現(xiàn)象就是騰涌，也叫節(jié)涌 （2）害處：氣固接觸不良； 器壁磨損加??； 設(shè)備振動 （3）原因： 布風(fēng)板設(shè)計不良，如風(fēng)帽尺寸不合適，風(fēng)帽開孔率不當(dāng)?shù)龋?流化床直徑太小，（L/D)較大時，易產(chǎn)生騰涌。 篩分不均勻等,騰涌,2019/7/17,36,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,37,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3.分層,定義：當(dāng)床內(nèi)物料篩分范圍較寬，粗顆粒和細(xì)顆粒較多，中間大小的顆粒較少時，在氣流作用下，細(xì)小物料顆粒被吹到床層上部，粗大顆粒沉積在下部，形成物料的分層現(xiàn)象 主要原因 ： 顆粒的篩分 容器設(shè)計不當(dāng),分層,2019/7/17,38,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,4.氣泡,缺點：氣固間接觸不好，使催化反應(yīng)或非催化的氣固反應(yīng)效率降低。,床層高時，容易產(chǎn)生大氣泡，在床層加設(shè)內(nèi)部構(gòu)件避免大氣泡。,氣泡,2019/7/17,39,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,六、氣-固流化床的一般性評價,1良好的床層均溫性 上下或左右方向的溫度梯度均在1020之內(nèi) 固體顆粒的熱容量比相同體積氣體的熱容量高1001000倍 2較高的傳熱傳質(zhì)速率 3輸送能力大 4可利用或加工粉末狀物料,2019/7/17,40,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,不足 ： （1）固體物料的停留時間不均勻 （2）氣流分布不均會影響氣-固接觸效率 （3）顆粒磨損與設(shè)備磨損嚴(yán)重,2019/7/17,41,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,1.2 流態(tài)化的狀態(tài) 及其它流態(tài)化形式,一、流態(tài)化狀態(tài)與判別準(zhǔn)則,聚式流態(tài)化aggregative fluidization 散式流態(tài)化dispersed fluidization,1聚式流態(tài)化（不均勻流化床，氣體流化床）水-鉛 氣泡相bubble phase：就是內(nèi)部幾乎沒有固體顆粒，僅在其邊壁或 外表面 有固體顆粒環(huán)繞的運動空間 乳化相emulsion phase：指的是固體顆粒與氣體介質(zhì)的混合區(qū)域,2019/7/17,42,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2散式流態(tài)化（均勻流化床，液體流化床） 當(dāng)液-固系統(tǒng)流態(tài)化介質(zhì)的流動速度超過流態(tài)化對應(yīng)的臨界速度以后，床層可以連續(xù)膨脹，以致固體顆粒間的距離幾乎平均或同步增加，形成顆粒與介質(zhì)均勻分布的狀態(tài)。這就是散式流態(tài)化。 氣-固系統(tǒng)的散式流態(tài)化 ：顆粒密度低、粒度較小，流速不高，氣體量也不是很大 空氣-多孔樹脂,2019/7/17,43,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,44,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3流態(tài)化類型的判別,(1)方法一：威海姆( Wilhelm)和郭慕孫(Cuo Mosun)方法。,2019/7/17,45,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,郭慕孫 廣東潮州人。1920年5月9日 化學(xué)工程學(xué)家。1943年畢業(yè)于滬江大學(xué)。1945年5月赴美國普林斯頓大學(xué)研究生院進(jìn)修化工，1946年10月獲碩士學(xué)位。在普林斯頓，他在R威廉（Wilhelm）教授指導(dǎo)下進(jìn)行流態(tài)化研究，共同撰文固體顆粒的流態(tài)化，發(fā)表于1948年美國化工進(jìn)展。這篇論文對液-固和氣-固體系進(jìn)行了共同關(guān)聯(lián)，指出兩體系截然不同的行為，命名為“散式”和“聚式”，并列出了大量實驗數(shù)據(jù)。長期以來，此文在流態(tài)化領(lǐng)域中被廣泛引用。 為中國科學(xué)院化學(xué)部學(xué)部委員。曾任中國科學(xué)院化工冶金研究所研究員、所長、名譽所長,2019/7/17,46,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,(2)方法二：約翰遜(Johnson)和羅邁洛(Romero)穩(wěn)定性方程判別法,2019/7/17,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,47,【例1-1】試確定用高壓飽和蒸氣做流化介質(zhì)時，煤粉所形成的流態(tài)化的形態(tài)。,已知：,【解】,查表得：p=210.54105Pa時，飽和蒸汽密度,2019/7/17,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,48,說明壓力很高的情況下，氣體是可以形成散式流態(tài)化的。但是，在通常情況下p/t很大,導(dǎo)致 , 一般情況下大于100,所以在常壓情況下,氣體流化床很難形成散式流態(tài)化.,2019/7/17,49,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,二、其它流態(tài)化系統(tǒng),1噴流態(tài)化系統(tǒng)(spout -fluid bed) 即在流化床的下部，單獨設(shè)一噴動氣體管路，由該管路噴出的氣體在劇烈運動的流化床中猶如一處中心噴泉或射流，使固體物料形成圍繞“噴泉”翻滾而有規(guī)律的循環(huán)運動。,噴動-流化床示意圖,2019/7/17,50,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,優(yōu)點： 克服流化床分層或騰涌的缺點，能夠在很寬的流速范圍以及高徑比較大的床層條件下實現(xiàn)良好的物料循環(huán)運動,應(yīng)用： 目前已在煤的氣化及油的蒸氣裂解等方面應(yīng)用 已有的試驗研究表明，在噴動流態(tài)化床中單位體積的原油處理量比一般流化床原油裂解反應(yīng)器高20一40倍。因而這是一種很有前途的氣固或液固接觸方法,2019/7/17,51,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2多層流態(tài)化床,定義： 在傳統(tǒng)的單層氣-固流態(tài)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在床內(nèi)不同高度設(shè)置多塊氣體布風(fēng)板，將床層分成多段區(qū)域，這就構(gòu)成了多層流態(tài)化床,該床既可以保持原單層床的諸多優(yōu)點(如床層均溫 性、傳熱性能優(yōu)越等) 在一定程度上抑制床內(nèi)氣體與顆粒的混合，改善氣、固相的滯留時間分布 可借助流化介質(zhì)的再分布，使大氣泡變小，降低擴散阻力，提高傳質(zhì)、傳熱速率。,優(yōu)點：,2019/7/17,52,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3快速流態(tài)化,定義： 在普通的氣-固鼓泡或聚式流態(tài)化床的基礎(chǔ)上， 將固體顆粒的給料粒度控制在比較小的范圍 適當(dāng)提高氣體介質(zhì)的操作速度 將床的高徑比增大 介質(zhì)夾帶的固體顆粒量較大 這就形成快速流態(tài)化。,2019/7/17,53,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,特點： 用于快速流態(tài)化操作的固體顆粒一般粒度較細(xì)；平均粒徑在100um以下，A類顆粒 操作氣速較高，可達(dá)到顆粒自由沉降速度Ut的515倍； 操作氣速很高，固體的夾帶量很大，然而由于顆粒返回床層的再循環(huán)量也很大、因而床層仍可保持較高的床密度； 快速流態(tài)化床中不存在鼓泡床中的定形氣泡，因為沿整個橫截面床密度分布均勻，氣相返混小或不返混，并且氣團(tuán)接觸良好，因此可嚴(yán)格控制反應(yīng)時間，是快速加工過程中較理想的操作狀態(tài)。,2019/7/17,54,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,這種快速床內(nèi)徑為3.8m，生產(chǎn)能力為560噸天，而原來的設(shè)備內(nèi)徑為6.7m生產(chǎn)能力只有280噸天。,2019/7/17,55,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,4三相流態(tài)化,是指流化過程中同時存在氣-固-液三相的一個狀態(tài)過程 目前該技術(shù)已用在工業(yè)氣體除塵和鍋爐煙氣脫硫除塵上。,2019/7/17,56,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,5其它 （1）多管流化床 相當(dāng)于多個高徑比較大的管并聯(lián)構(gòu)成的流態(tài)化床,多管流化床（制取環(huán)氧乙烷的流化床反應(yīng)器）,特點 床中氣體返混小、具有較高的過程推動力，適于轉(zhuǎn)化率要求高的反應(yīng)。 結(jié)構(gòu)上它有很大的間壁換熱面積，能方便地移去反應(yīng)熱，可維持要求床層溫度,缺點 大的高徑比易發(fā)生騰涌，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。,2019/7/17,57,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（2）套管流化床,作為一級反應(yīng)器的內(nèi)管，上半部壁面開有許多一定尺寸的長條形小孔、燃燒物料穿過作為二級反應(yīng)器的外管加入一級反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行流態(tài)化燃燒。燃燒后的氣體夾帶著未燃盡的小顆粒，從內(nèi)管側(cè)孔進(jìn)入外管進(jìn)一步燃燒。,優(yōu)點 具有良好的傳熱性能，采用兩層同心燃燒器具有燃料停留時間長，燃燒效率高的優(yōu)點。,由兩個直徑不同的同心圓柱管安置構(gòu)成的,2019/7/17,58,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（3）脈沖流化床,即周期性向床層中通入流化介質(zhì)(氣體)， 使物料呈間歇性流態(tài)化運動的流化床。,對于顆粒小于 50 的顆粒，在一般流化床中進(jìn)行流化操作，由于這些顆版間粘附力大，往往會發(fā)生溝流，造成氣固相接觸不良。而采用脈沖流化床則可使這些不易流化的物料達(dá)到良好的流化狀態(tài)。 可處理10-4000的物料，與真空干燥器相比，時間為其1/3-1/6，電耗僅為1/2.,脈沖沸騰干燥器,2019/7/17,59,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（4）振動流化床,振動流化床不但具有脈沖流化床的優(yōu)點 適于處理顆粒太粗或太細(xì)、易于粘結(jié)成團(tuán)等不易流化的物料，而且特別適用有特殊要求的物料，如要求保持晶形完整、晶體閃光度好等。 采用振動流化床有利于改善固體顆粒的流動狀態(tài)，強化流化過程同時也使傳熱傳質(zhì)速率大大提高,采用機械振動機構(gòu)使流化床產(chǎn)生受迫強制振動的一種流態(tài)化裝置,2019/7/17,60,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,61,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,62,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（5）攪拌流化床,在普通流態(tài)化床的基礎(chǔ)上，采用攪拌部件以加強流態(tài)化運動的裝置；,適用： 對具有強附著性的濕粉體及易產(chǎn)生凝聚物的過程，攪拌流化床顯示出很好的適用性。,攪拌流化床（進(jìn)行醋酸乙烯合成）,2019/7/17,63,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（6）磁場流化床,在一般流態(tài)化床中加裝電磁系統(tǒng)并成磁場以加快反應(yīng)速度的裝置,2019/7/17,64,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（7）旋轉(zhuǎn)流化床,即在離心力作用下進(jìn)行流態(tài)化操作的一種設(shè)備；,2019/7/17,65,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（8）填料流化床,在床內(nèi)加入有一定形狀的填料以構(gòu)成有一定間隙的固定床，使物料顆粒在固定床間隙及填料上部達(dá)到流態(tài)化的裝置,填料構(gòu)成具有一定空隙的固定床。被流化的顆粒的尺寸與填料相比，則小得多,優(yōu)點： 通常填料是亂堆的，顆粒和氣流以曲折的路徑通過填料空隙，所以能有效地抑制氣泡長大，從而阻止發(fā)生騰涌。 改善停留時間分布。 改善傳熱。對于些重度和粒徑都比較大的固體，如某些催化 劑，不宜進(jìn)行流態(tài)化操作，但反應(yīng)熱又很大、采用固定床操作也不適宜，此時可由大顆粒構(gòu)成固定床，而在顆?？障堕g加入某種惰性細(xì)粒子構(gòu)成填料流化床。細(xì)粒子作為載熱體能迅速將反應(yīng)熱移至床外，使傳熱性能大為提高。,2019/7/17,66,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,第二章 流化床的流體動力學(xué)基礎(chǔ),2019/7/17,67,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.1 流化床的流動特性,影響因素 床層流速 顆粒密度、所屬種類、顆粒直徑及其分布 顆粒密度和流化介質(zhì)密度之間的差值大小是形成聚式還是散式流態(tài)化的直接原因之一,2019/7/17,68,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,細(xì)顆粒物料的流態(tài)化狀態(tài)圖,2019/7/17,69,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,吉爾達(dá)特(Geldart)等人密度差（ ）和平均粒徑為特征參數(shù)將顆粒分四類,顆粒的分類,顆粒的分類,顆粒的分類,顆粒的分類 書上有錯,2019/7/17,70,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,A類： 細(xì) 粒徑小，20100um， (s - f ）1。存在最大氣泡的極限尺寸，顆粒流動性好。 大多數(shù)工業(yè)流化床反應(yīng)使用的催化劑屬于此類。 B類: 粗 粒度中等， 40500um， (s - f ）=1400 4000kgm3，起始流化時即發(fā)生氣泡，Ub/Umf=1。床層膨脹不明顯，不存在最大氣泡的極限尺寸，且大多數(shù)氣泡的上升速度高于顆粒間的氣流速度。 鼓泡床大都用此顆粒,2019/7/17,71,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,C類： 極細(xì) 顆粒尺寸很小（小于20m)，以顆粒間的作用力(附著力及靜電力等)大于氣體對顆粒的作用力為特性，難于正常流化。 易產(chǎn)生溝流和騰涌 在氣固催化反應(yīng)中很少采用，但同相加工中采用較多，如明礬綜合利用。 D類：極粗 大粒徑、高密度 dp0.5mm 絕大多數(shù)的氣泡(除最大的外)的上升速度都低于顆粒間的氣流速度。不能穩(wěn)定流化 在篩分較寬的情況下，會發(fā)生分層流化。 只適用于噴動床中，如谷物干燥和煤粒燃燒均屬于此類,2019/7/17,72,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,A B,B D,2019/7/17,73,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.2 床層壓降與氣流速度的關(guān)系,1理想流態(tài)化,2019/7/17,74,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,理想流態(tài)化具有以下特點： （1）有確定的臨界流態(tài)化點和臨界流態(tài)化速度Umf。當(dāng)流速達(dá)Umf以后，整個顆粒床層開始流化； （2）床層壓降為一常數(shù)； （3）流態(tài)化床層上界面平穩(wěn)； （4）流化床層的空隙率在任何流速下，都具有一個代表性的均勻值，不因床層的位置和操作時間而變化，但隨流速的變化而變化。,2019/7/17,75,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.實際流態(tài)化,壓降和流速的關(guān)系較復(fù)雜 ,偏離理想曲線,（1）存在一個“駝峰”BCD，原因：初始時顆粒排列緊密 （2）DE線右端向上傾斜，原因：顆粒間碰撞和顆粒與 器壁摩擦引起的損失 （3）有波動（氣固系統(tǒng)），原因：氣泡運動、破裂,2019/7/17,76,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,主要表現(xiàn)： 流化逐漸過渡過程 顆粒之間“架橋”現(xiàn)象 床內(nèi)存在的循環(huán)流動 局部溝流 氣泡的存在,2019/7/17,77,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3固定床床層壓降的計算,（1）影響固定床壓降的因素 流體和固體顆粒發(fā)生相互作用: U 曳力 阻力 顆粒直徑dp、流體密度、粘度,床結(jié)構(gòu)尺寸 (Dtdp)對邊界效應(yīng)的影響： 即顆粒表面形狀(即曲率)和器壁形狀(曲率)不一致，床層空隙率在靠近器壁處的值要大于床中心的值，這就是邊界效應(yīng)。,2019/7/17,78,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,空隙率與球形度s 顆粒形狀不規(guī)則時： 不規(guī)則、粗糙e 規(guī)則 顆粒篩分比較寬時 ： 小,相同體積的條件下球體的表面積最小，因而恒有0s1,2019/7/17,79,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,球形度與孔隙率,2019/7/17,80,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,某些顆粒物料的球形度s,2019/7/17,81,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,82,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,83,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,84,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,fm-摩擦因數(shù)，無因次， G-質(zhì)量流率，GU，kg(m2s)； L-床層高度，m； Dt-床直徑；m； e-顆粒表面粗糙度，無因次 RedpG/是雷諾數(shù)，無因次。,歸納,2019/7/17,85,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（2）固定床壓降,厄?qū)?SErgun)關(guān)聯(lián)式,P床層壓降，kgm2； U-表現(xiàn)氣速，ms； L-床高，m； gc-換算因子， gc =9.8kgm(kg重s2)。,2019/7/17,86,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,低雷諾數(shù)（Re 20 ），粘度損失占主導(dǎo),高雷諾數(shù)（Re 1000），僅需考慮動能損失,2019/7/17,87,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,李伐(MLeva),在滯流狀態(tài)下(Re10)，有,由Levax修正的fm與Re之間的關(guān)系,2019/7/17,88,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（3）顆粒的平均粒徑,設(shè)粒徑為dp1,dp2,dpn的顆粒數(shù)各為nl，n2，n3，nn。并且 ，則算術(shù)平均粒徑為 式中 表示i粒度間隔內(nèi)的物料重量分率,算術(shù)平均直徑,幾何平均粒徑,調(diào)和平均粒徑,算術(shù)平均粒徑最大幾何平均粒徑次之 調(diào)和平均粒徑最小,幻燈片 97,2019/7/17,89,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,4流態(tài)化床的壓降,通過床層的壓降床截面積 = 床層體積固體顆粒分率床層密度,該壓降等于床層內(nèi)單位截面積上的顆粒重量,2019/7/17,90,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.3臨界流態(tài)化速度,1臨界流態(tài)化速度Umf,實驗測定 計算法,起始流態(tài)化速度Ubf 完全流態(tài)化速度Utf,2019/7/17,91,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2臨界流態(tài)化速度的計算,臨界狀態(tài)時流化床的壓降為 P = Lmf(1-mf)(s-f)g （1）,聯(lián)立（1）（2）得,臨界狀態(tài)時固定床床的壓降,（2）,化簡得,2019/7/17,92,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,書上有錯,Ar稱為阿基米德準(zhǔn)則數(shù)，無因次,對于球形顆粒，有mf=0.4，s=l，則上式可化為： Remf2+ 51.4Remf-0.0366gcAr = 0 由此解得：,對于小顆粒和低流速(Re20） 粘度損失占主導(dǎo),對于大顆粒和較高流速(Re1000) 動能損失 占主導(dǎo),2019/7/17,93,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,另一種經(jīng)驗公式（解釋）,Re10,Re10時，乘以校正系數(shù),2019/7/17,94,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,例題,已知催化劑顆粒的平均直徑為98um，在20 和0.1MPa（1atm）下用空氣進(jìn)行流化。有關(guān)物性參數(shù)如下：,試求在此條件下的臨界流化速度。,解：假定Re20,按式,所以假定成立,2019/7/17,95,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.4顆粒終端速度,1顆粒終端速度（自由沉降速度 ） terminal velocity,顆粒在流體中沉降時，共受到三個力的作用： 重力、浮力和流體對顆粒的摩擦阻力,根據(jù)牛頓第二定律，顆粒就會在此凈力的作用下產(chǎn)生向下運動的加速度 ，a=du/d,2019/7/17,96,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,FgFb= ma = m (du/d) (d) 這樣顆粒與流體就產(chǎn)生一個相對運動，一旦產(chǎn)生相對運動，顆粒又會受到流體對顆粒的運動阻力，F(xiàn)d曳力dray force其大小為 Fd=CDA(u2/2) 它的方向與顆粒運動方向相反，并隨u增大而增大。 A為顆粒在垂直方于其運動方向平面上的投影面積 A=(/4)d2 m2 所以，當(dāng)顆粒產(chǎn)生相對運動時，顆粒受到的凈力為 F = FgFbFd (e),2019/7/17,97,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,沉降過程剛開始時，u=0, Fd=0,此時顆粒所受到向下的力最大，a 具有最大值,隨著沉降開始，u逐漸增大，而FgFb不變，顆粒受到向下方向的凈力減少，沉降過程為一加速運動，當(dāng)u增加到一定程度時，F(xiàn)d增大，使得 F=0，此時m不為零，a = du/d =0，顆粒變?yōu)榈人龠\動，（勻速運動），此后顆粒將一直保持此速度作相對運動，顆粒達(dá)到等速運動時的速度稱為顆粒的沉降速度或終端速度。,2019/7/17,98,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,=,2019/7/17,99,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,式中Ut-顆粒終端速度，m/s； CD-曳力系數(shù)，無因次。,2CD的求法,CD稱作曳力系數(shù)，亦稱摩擦因數(shù)。它反映顆粒運動時流體對顆粒的曳力(或摩擦阻力)，亦即當(dāng)流體流過固體顆粒時(除浮力的影響之外)，使固體沿流動方向受到曳力的作用。,表面曳力：指流體沿顆粒表面的剪切力在流動方向上的分力，主要受顆粒表面性質(zhì)的影響 形體曳力 ：是整個固體顆粒所受壓力在流動方向上的分力，主要與顆粒大小及迎流橫截面積有關(guān),U小時，表面曳力 U大時，形體曳力,2019/7/17,100,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,曳力的的因素有： 流體流速U，流體密度、粘度，固體顆粒的大小、形狀以及流體流動方向。,CD與Re的關(guān)系,2019/7/17,101,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,把CD的關(guān)系式代入,以上公式針對球形顆粒，對非球形顆粒要進(jìn)行修正,2019/7/17,102,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,試差法（trial and error） 由于utCD有關(guān)，而CD Ret， Retut有關(guān)，由于ut為待求，Ret也就是未知數(shù)，所以 ut的計算需要用試差的方法求取，即先假定Ret （流型），選 ut 計算式計算，再用ut算 Ret ，是否與假定的流速一致，如一致則是正確，如不正確，則重新設(shè)定 Ret 。,Ut的求解,2019/7/17,103,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,例題1,2019/7/17,104,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,105,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,例題2,2019/7/17,106,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3顆粒終端速度和臨界流態(tài)化速度之間的關(guān)系,操作靈活性,（1）顆粒很小，且Re0.3時有：,對于球形顆粒，mf=0.4，s=l,2019/7/17,107,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,（2）顆粒很大，且Re1000時，同樣對于球形顆粒有：,故,解釋,2019/7/17,108,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,4.流化床操作的氣流速度,理論上,實際上范圍要小得多（溝流,騰涌），也有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Ut的,U一般由經(jīng)驗確定： 丙烯晴N=250，石油催化裂化N=3001000 醋酸乙烯N=2.43，礦石焙燒,2019/7/17,109,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,下列情況可以采用較高的U： （1）反應(yīng)速度快 （2）床內(nèi)有較多的反應(yīng)熱生成需通過換熱器除去 （3）床內(nèi)要求保持等溫條件 （4）床層內(nèi)有內(nèi)部構(gòu)件 （5）有的工藝生產(chǎn)過程需要固體循環(huán),2019/7/17,110,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,下列情況可以采用較低的U： （1）催化劑易于粉碎或價格昂貴 （2）固體顆粒的粒度分布較寬，或固體顆粒參加反應(yīng) （3）反應(yīng)速度較慢 （4）反應(yīng)放熱不多 （5）床層較淺，顆粒有良好的流化特性，而且低氣速下不產(chǎn)生 溝流現(xiàn)象。 （6）床層內(nèi)沒有內(nèi)部構(gòu)件 （7）粉塵回收系統(tǒng)效率較低或負(fù)荷過重。,總結(jié),2019/7/17,111,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,112,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,幻燈片 73,2019/7/17,113,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,假定Re20,按式,2019/7/17,114,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,115,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,第三章 流化床的兩相理論及顆粒的夾帶,3.1概述,一、流化床的兩相理論,2019/7/17,116,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,由于乳化相中的氣體與固體顆粒的接觸大大優(yōu)于氣泡相中的氣體與顆粒的接觸，所以送入床內(nèi)的流化氣體在兩相間的分配份額對流化床反應(yīng)的研究是十分重要的，這正是兩相理論所涉及的內(nèi)容,2019/7/17,117,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,最早的兩相理論假定乳化相維持初臨界化狀態(tài)，即空隙率仍為mf，其空截面氣速仍為Umf，超流量（U-Umf）Ab全部以氣泡的形式流經(jīng)床層,簡單兩相理論定義：高于臨界流態(tài)化所需的氣體流量為超流量。兩相理論是以假設(shè)超流量以氣泡形式流經(jīng)床層為基礎(chǔ)的。,乳化相和氣泡相組成,qvb-可見氣泡流量,發(fā)現(xiàn)測量值總是明顯低于（U-Umf）Ab，即簡單兩相理論大大高估了可見氣泡流量,1952年Toomcy和Johnstone提出兩相理論,2019/7/17,118,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,修正的兩相理論,=可見+不可見,為氣泡滯留量,一般認(rèn)為，在三維床中，n=2，二維床中n=1。,乳化相中氣流速度仍為Umf，從通過流化床層中的總流量UAb中減去流經(jīng)乳化相的氣體量 UmfAb (1- )( 為氣泡滯留量)，氣泡相的總流量應(yīng)為Ab U-U mf(1- ),書上有誤,2019/7/17,119,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,Y值為一試驗常數(shù),幻燈片 111,2019/7/17,120,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,流化床中的氣泡,二、流化床中的氣泡,2019/7/17,121,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,122,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,氣泡尾部的壓力較周圍床層壓力低 尾渦的體積約為氣泡體積的2030,尾渦,尾跡,1.氣泡的形狀,單個氣泡在較小時接近于球形 較大時變平并扭曲 大氣泡則呈球帽形,2019/7/17,123,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,124,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,扁平,2019/7/17,125,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,上部為無色顆粒 下部為有色顆粒,2019/7/17,126,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.氣泡上升速度,鼓泡床 騰涌床 過渡區(qū),單個氣泡的相對上升速度,氣泡群中氣泡的上升速度Ubs,若采用簡單的兩相理論，則有,幻燈片 102,2019/7/17,127,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,氣泡上升速度高于乳化相中的氣速，因此氣體由氣泡底部進(jìn)去，從頂部離開，然后又被掃下，流經(jīng)氣泡周圍的一層乳化相并返回氣泡。氣泡周圍被這一循環(huán)氣體所滲透的區(qū)域稱為氣泡暈,上升氣泡周圍的氣體流線,乳化相中的速度Uf(Uf=Umf/mf),2019/7/17,128,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,工程上希望 氣泡越小越好,1. 兩相間的氣體交換量大體與 成正比。,2. 小氣泡上升速度低，在床層中的停留時間也更長，有利于兩相交換。,氣泡相與乳化相是通過氣泡邊界及尾渦發(fā)生交換的,2019/7/17,129,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,氣泡相和乳化相之間的氣體交換,2019/7/17,130,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3.氣泡的長大,(1)氣泡所受的靜壓隨氣泡上 升而降低； (2)氣泡趕上前面的氣泡面發(fā)生聚并； (3)氣泡也可能發(fā)生橫向聚并 (4)氣泡通過局部吸取乳化相中的氣體。,在大多數(shù)情況下(2)與(4)占主導(dǎo),幻燈片 6,氣泡的合并,2019/7/17,131,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,氣泡在上升途中的平均直徑dh隨床深Hs的變化規(guī)律可總結(jié)為,直孔多孔板,m、n由試驗確定,布風(fēng)板對氣泡的影響,2019/7/17,132,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,133,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,4.氣泡的穩(wěn)定性（Harrison等),UbUt時為不穩(wěn)定氣泡，顆粒就會被氣流從底部帶入氣泡而使其破裂 。,采用平均粒徑計算的Ut使所得的dbmax與實測值相比甚小，Matsen等提出采用2.7dp來計算Ut值，這樣結(jié)果才相近。這一問題還是懸念。,2019/7/17,134,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,一般認(rèn)為粗顆粒床(B、D類)中不存在最大氣泡尺寸，這可能是因為其dbmax相當(dāng)大，氣泡不致于長大到dbmax，即已達(dá)到床徑的1/3而形成騰涌。對細(xì)顆粒床則dbmax小得多，故認(rèn)為存在最大氣泡極限尺寸。,2019/7/17,135,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,三、流化床中氣泡運動引起的混合現(xiàn)象,1.固體顆粒的混合,2.氣體的混合,2019/7/17,136,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,四、流化床膨脹,膨脹比R,密相膨脹顯著,A類顆粒,n為雷諾數(shù)Re,的函數(shù)。,B或D類顆粒 密相膨脹小 ，床層總膨脹主要取決于氣泡滯留量,與氣流速度、氣泡直徑及上升速度有關(guān),以下的分析可導(dǎo)出床層膨脹與氣體流速、氣泡直徑間的關(guān)系,2019/7/17,137,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,若在流化床中任一高度h處氣泡上升速度為Ubsh，則氣泡在h處的微元體h中的停留時間為hUbsh。若可見氣泡流量為qvb，則微元體中氣泡的體積Vb為qvbhUbsb，取極限,若定義氣泡平均上升速度,上式可用于從床層膨脹的實驗數(shù)據(jù)推測氣泡的尺寸,2019/7/17,138,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3.3流化床的氣泡相模型和顆粒運動模型,一、氣泡相模型,1.戴維森模型(以簡潔著稱）,單個氣泡上升,假設(shè) （1）氣泡中不含固體，形狀是圓的。氣泡在三維床中呈球形，在二維床中呈扁圓柱形； （2）當(dāng)氣泡上升時，顆粒向兩側(cè)運動，顆粒可被看作是密度為s(1-mf)的不可壓縮非粘性流體； （3）氣體在乳化相中可視作不可壓縮粘性流體,氣泡內(nèi)的壓力為常數(shù) ,空隙率mf為常數(shù)。,床層內(nèi)存在壓力梯度，壓力沿床層高度逐漸降低,1961年Davidson觀查了流化床中的氣泡現(xiàn)象并提出了氣泡模型,2019/7/17,139,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,乳化相中的速度Uf(Uf=Umf/mf),慢速氣泡(UbrUf),快速氣泡 (UbrUf),對于UbrUmf/mf的特大氣泡，氣泡暈厚度可略而不計，氣泡中的氣體只在氣泡內(nèi)循環(huán)，不與外界交換，這也是特大氣泡使得床層內(nèi)交換變差的主要原因。,2019/7/17,140,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,Ubr和Uf對流型的影響,2019/7/17,141,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,氣泡暈厚度,對三維床:,對二維床：,書上分母有錯,Rc-氣泡暈的半徑 Rb-氣泡半徑， m,2019/7/17,142,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,氣體流入或流出氣泡的流量(即穿流量)q,在氣泡的最大截面處，氣體通過二維氣泡的流速為2Umf，三維床為3Umf，這也就是乳化相氣流會通過氣泡穿行的原因,2019/7/17,143,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,Davidson氣泡理論各式,2019/7/17,144,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,145,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2國井-列文斯皮爾模型D.Kunii-O.Levenspiel,著眼于整個流化床來研究氣泡,1）氣泡附近的氣體性狀和戴維森模型很接近，即在許多上升氣泡中的任一個氣泡附近，氣體的流動都接近戴維森模型。 （2）認(rèn)為氣泡的匯合、長大要經(jīng)歷三個階段：小氣泡在緊靠布風(fēng)板上方處劇烈合并；具有氣泡暈的中等大小氣泡，其上升速度UbUf：較大且氣泡暈很薄的快速氣泡，UbUf。認(rèn)為這三種氣泡分別存在于床層的不同高度上，而在床中每一具體高度處，沿橫截面方向氣泡的尺寸近似相同。 （3）認(rèn)為氣泡群的上升速度Ubs和單個氣泡上升速度的關(guān)系為UbsU-Umf十Ubr。 （4）除很小的入口區(qū)域之外，整個床層中的氣泡尺寸可以近似取作常數(shù)(有內(nèi)部構(gòu)件） （5）沿用戴維森模型，認(rèn)為氣泡相中不含固體顆粒，即氣泡相的空隙率b=1,2019/7/17,146,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,氣泡相的空隙率b=1 是床中氣泡的體積分率 氣泡以及乳化相中空隙率b、e,床的平均空隙率f,小氣泡的床層(UbUmf/mf),總的氣體流速,大氣泡的床層(Ubmf/Umf5),2019/7/17,147,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,鄰接區(qū)域的結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插計算(書上坐標(biāo)反了）,氣泡速度、氣泡分率與表觀流速U和臨界流化速度的關(guān)系,2019/7/17,148,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3.墨雷(Murray)模型 戴維森模型最明顯的偏差是氣泡的下部形狀和預(yù)期的不同，實際 氣泡的下部不是球狀而是凹陷的。 1965年墨雷又提出了一個氣泡模 型，按照墨雷模型，可以真實反映 氣泡下部凹陷的形狀如圖右 凹入的原因是出于氣泡內(nèi)下部的壓力較附近密相的壓力低，氣體于此處被曳入，導(dǎo)致氣泡的不穩(wěn)定，氣泡部分塌陷,墨雷(Murray)模型,2019/7/17,149,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,尾渦的形成過程,2019/7/17,150,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,尾渦體積與粒徑關(guān)系,2019/7/17,151,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,152,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,真實氣泡及其周圍的流線,2019/7/17,153,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,二、顆粒運動模型,國井(D.Kunii)和列文斯皮爾(O.Levenspiel),乳化相模型,針對乳化相整體提出來,基于以下概念： 由于氣泡向上的運動以及對氣體和固體的夾帶，造成床層中其余固體的向下運動，當(dāng)密相區(qū)向下移動達(dá)到某一速率時，則可能引起乳化相中的氣體從床頂向床底流動。因此可能發(fā)生氣體及固體的逆流運動，造成氣體的返混現(xiàn)象。,2019/7/17,154,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,假定1：每一個上升的氣泡后面都拖曳了一股尾部物料，即尾渦。尾渦相對氣泡的體積比為，由具體實驗可估算，并取尾渦的空隙率等于乳化相的空隙率。 假定2：緊靠布風(fēng)板上方，固體被上升氣泡夾帶形成氣泡尾渦，這部分固體以速度Ub帶至床層上方。當(dāng)其上升時與乳化相中的新鮮固體不斷進(jìn)行交換。在床層頂部，這一尾渦固體重新和乳化相結(jié)合并以速度Us向床層下部運動。,假定3：乳化相中向上滲透的氣體速率Ue和向下運動的 固體顆粒速度Us之間的相對速率可由臨界流化條件求得： UeUf-UsUmf/mf-Us,2019/7/17,155,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2019/7/17,156,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,顆粒的徑向運動,假定6：參見圖，在單一氣泡上升時，氣泡將乳化相向旁邊推開，附近的固體 顆粒進(jìn)入氣泡暈并被掃入尾渦。尾渦的寬度大致和氣泡的寬度相同。尾渦內(nèi)的固體顆粒完全混合并由此引起徑向混合。距氣泡較遠(yuǎn)的顆粒隨之移動并回到接近原來的位置。,2019/7/17,157,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,固體和氣體運動的主要特征,2019/7/17,158,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3.4 流化床顆粒攜帶,分離高度示意圖 1.流化床；2.懸浮段；3.TDH（C）；4.TDH（F）,床中只存在UUt 的小顆粒，這段允許大顆粒從氣流中得到分離的高度稱為分離高度TDH(F),當(dāng)達(dá)到顆粒濃度不再下降(即氣流飽和攜帶狀態(tài))時的高度則定義為輸送分離高度TDH(C),建議取攜帶率等于無窮遠(yuǎn)處的飽和攜帶率的99處為TDH,合理確定床內(nèi)實際燃燒份額以布置足夠的床內(nèi)受熱面是關(guān)系到設(shè)計成功與否的一個重要因素。另外，懸浮段出口氣流對顆粒的攜帶量及對除塵器等設(shè)備的設(shè)計也有很大的影響,2019/7/17,159,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,流化床懸浮段高度應(yīng)取為TDH，過高則加大成本，過低攜帶大增。但是，對小型流化床鍋爐來說，爐膛高度不易滿足TDH，故常用截面擴大了的懸浮段或在床層上界面附近布置傾斜擋板，以降低TDH，減少攜帶。,角一般為2060,懸浮段的作用是使被氣流從沸騰段帶出來的燃料顆粒速度減小而落回沸騰段，另外延長顆粒在爐膛內(nèi)停留時間，進(jìn)行懸浮燃燒。,鼓泡床鍋爐爐膛簡圖 1-進(jìn)風(fēng)口； 2-進(jìn)料口； 3-溢流灰口 4-布風(fēng)板,2019/7/17,160,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,攜帶一般是指單一顆粒或多組分系統(tǒng)中，氣體從床層中帶出顆粒的現(xiàn)象； 揚析表示從混合物中分離和帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象。,TDH以下是攜帶所研究的范圍，揚析僅僅在TDH以上才有意義,2019/7/17,161,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,第四章 流化床中的傳熱,2019/7/17,162,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,氣固流化床中的傳熱規(guī)律一直是流態(tài)化基礎(chǔ)研究中的一個重要課題。它直接關(guān)系到工業(yè)流化床反應(yīng)器的設(shè)計、反應(yīng)條件的選擇、反應(yīng)進(jìn)程的控制等等，是獲得良好反應(yīng)效果的關(guān)鍵之，所以我們需要確切地了解氣固流化床中的傳熱特性，從而保證反應(yīng)達(dá)到最佳的效果。,4.1 概述,2019/7/17,163,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,一、傳熱基本知識,導(dǎo)熱是熱量從物體中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分、或者熱量從溫度較高的物體傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程,1.導(dǎo)熱,負(fù)號表示熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反,傅立葉定律,2019/7/17,164,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,2.對流,對流是指流體各部分之間因發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程 流體流過物體的表面時所發(fā)生的熱交換過程(如流體與管壁、流體與固體顆粒之間等)，叫對流換熱。,牛頓冷卻公式,2019/7/17,165,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,3.輻射,輻射是物體通過電磁波傳遞能量的過程。物體發(fā)出輻射能的原因有很多，傳熱學(xué)上的輻射是因為熱而發(fā)出輻射的，故稱為熱輻射。,斯蒂芬-玻爾茲曼定律,2019/7/17,166,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,二、流化床的傳熱過程,為了使流化床層維持在某一給定的溫度，床層中必須設(shè)置換熱面(即管子或管束，用于對床層加熱或帶出熱量)，從換熱面一側(cè)傳遞到另一側(cè)的熱量用下式計算： QKAt,K-傳熱系數(shù)，W(m2),t-傳熱溫差，tt0-ti或tti- t0, t取正值，t0為管外流體介質(zhì)的平均溫度, ti為管內(nèi)流體介質(zhì)的平均溫度，。,2019/7/17,167,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,床層一側(cè)的對流換熱系數(shù)0、壁面另一側(cè)的對流換熱系數(shù) i、壁面熱阻及壁面兩側(cè)的污垢熱阻,表示壁面或污垢層的厚度，i表示壁面或污垢層的導(dǎo)熱系數(shù)。,2019/7/17,168,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,流化床層與傳熱表面間的傳熱系數(shù),2019/7/17,169,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,4.2 流體與固體間的傳熱,傳熱的動力是溫差，傳質(zhì)的動力則是濃度差,一、單顆粒的傳熱 1氣-固流化床中的單顆粒傳熱,(1)氣體向固體顆粒表面擴散； (2)氣體經(jīng)孔隙、裂紋由顆粒外表面向內(nèi)表面擴散； (3)氣體圍繞顆粒表面而產(chǎn)生熱交換，顆?？赡鼙患訜?，也可能被冷卻； (4)與顆粒表面進(jìn)行熱交換后的氣體擴散離開顆粒表面； (5)其它氣體靠近顆粒表面并擴散。,步驟,2019/7/17,170,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,這一過程中同樣伴隨有傳質(zhì)過程,蘭茨(WERanz)和馬歇爾(WRMarshall)給出單顆粒與流體間的傳熱關(guān)聯(lián)式為：,弗勒斯林(NFFroessling)提出單顆粒表面的傳質(zhì)系數(shù)Kd由下式關(guān)聯(lián)，,類似性,2019/7/17,171,江蘇大學(xué)能動學(xué)院,影響氣體與顆粒間傳熱、傳質(zhì)過程的因素有： (1)