固體流態(tài)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、固體流態(tài)化實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)固體流態(tài)化實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 觀(guān)察聚式和散式流態(tài)化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。2. 學(xué)會(huì)流體通過(guò)顆粒層時(shí)流動(dòng)特性的測(cè)量方法。3. 測(cè)定臨界流化速度，并作出流化曲線(xiàn)圖。二基本原理流態(tài)化是一種使固體顆粒通過(guò)與流體接觸而轉(zhuǎn)變成類(lèi)似于流體狀態(tài)的操作。近年來(lái)，這種技術(shù)發(fā)展很快，許多工業(yè)部門(mén)在處理粉粒狀物料的輸送、混合、涂層、換熱、干燥、吸附、煅燒和氣固反應(yīng)等過(guò)程中，都廣泛地應(yīng)用了流態(tài)化技術(shù)。1. 固體流態(tài)化過(guò)程的基本概念如果流體自下而上地流過(guò)顆粒層，則根據(jù)流速的不同，會(huì)出現(xiàn)三種不同的階段，如圖121所示。 （a）固定床 （b）流化床 （c）氣力輸送 圖121流態(tài)化過(guò)程的幾個(gè)階段固定床階段 如

2、果流體通過(guò)顆粒床層的表觀(guān)速度（即空床速度）u較低，使顆?？障吨辛黧w的真實(shí)速度u1小于顆粒的沉降速度ut，則顆?；旧媳３朱o止不動(dòng)，顆粒稱(chēng)為固定床。如圖121（a）。流化床階段 當(dāng)流體的表觀(guān)速度u加大到某一數(shù)值時(shí)，真實(shí)速度u1比顆粒的沉降速度ut大了，此時(shí)床層內(nèi)較小的顆粒將松動(dòng)或“浮起”，顆粒層高度也有明顯增大。但隨著床層的膨脹，床內(nèi)空隙率也增大，而u1u/,所以，真實(shí)速度u1隨后又下降，直至降到沉降速度ut為止。也就是說(shuō)，在一定的表觀(guān)速度下，顆粒床層膨脹到一定程度后將不再膨脹，此時(shí)顆粒懸浮于流體中，床層有一個(gè)明顯的上界面，與沸騰水的表面相似，這種床層稱(chēng)為流化床。如圖121（b）。因?yàn)榱骰驳目?/p>

3、襲率隨流體表觀(guān)速度增大而變大，因此，能夠維持流化床狀態(tài)的表觀(guān)速度可以有一個(gè)較寬的范圍。實(shí)際流化床操作的流體速度原則上要大于起始流化速度,又要小于帶出速度，而這兩個(gè)臨界速度一般均由實(shí)驗(yàn)測(cè)出。顆粒輸送階段 如果繼續(xù)提高流體的表觀(guān)速度u，使真實(shí)速度u1大于顆粒的沉降速度ut，則顆粒將被氣流帶走，此時(shí)床層上界面消失，這種狀態(tài)稱(chēng)為氣力輸送。如圖121（c）。2固體流態(tài)化的分類(lèi)流態(tài)化按其性狀的不同，可以分成兩類(lèi)，即散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化。散式流態(tài)化一般發(fā)生在液固系統(tǒng)。此種床層從開(kāi)始膨脹直到氣力輸送，床內(nèi)顆粒的擾動(dòng)程度是平緩地加大的，床層的上界面較為清晰。聚式流態(tài)化一般發(fā)生在氣固系統(tǒng)，這也是目前工業(yè)上應(yīng)用較

4、多的流化床形式。從起始流態(tài)化開(kāi)始，床層的波動(dòng)逐漸加劇，但其膨脹程度卻不大。因?yàn)闅怏w與固體的密度差別很大，氣流要將固體顆粒推起來(lái)比較困難，所以只有小部分氣體在顆粒間通過(guò)，大部分氣體則匯成氣泡穿過(guò)床層，而氣泡穿過(guò)床層時(shí)造成床層波動(dòng)，它們?cè)谏仙^(guò)程中逐漸長(zhǎng)大和互相合并，到達(dá)床層頂部則破裂而將該處的顆粒濺散，使得床層上界面起伏不定。床層內(nèi)的顆粒則很少分散開(kāi)來(lái)各自運(yùn)動(dòng)，而多是聚結(jié)成團(tuán)地運(yùn)動(dòng)，成團(tuán)地被氣泡推起或擠開(kāi)。圖122聚式流態(tài)化聚式流化床中有以下兩種不正?，F(xiàn)象：騰涌現(xiàn)象 如果床層高度與直徑的比值過(guò)大，氣速過(guò)高時(shí)，就容易產(chǎn)生氣泡的相互聚合，而成為大氣泡，在氣泡直徑長(zhǎng)大到與床徑相等時(shí)，就將床層分成幾段，

5、床內(nèi)物料以活塞推進(jìn)的方式向上運(yùn)動(dòng)，在達(dá)到上部后氣泡破裂，部分顆粒又重新回落，這即是騰涌，又稱(chēng)節(jié)涌。騰涌嚴(yán)重地降低床層的穩(wěn)定性，使氣固之間的接觸狀況惡化，并使床層受到?jīng)_擊，發(fā)生震動(dòng)，損壞內(nèi)部構(gòu)件，加劇顆粒的磨損與帶出。溝流現(xiàn)象 在大直徑床層中，由于顆粒堆積不勻或氣體初始分布不良，可在床內(nèi)局部地方形成溝流。此時(shí)，大量氣體經(jīng)過(guò)局部地區(qū)的通道上升，而床層的其余部分仍處于固定床階段而未被流化（死床）。顯然，當(dāng)發(fā)生溝流現(xiàn)象時(shí)，氣體不能與全部顆粒良好接觸，將使工藝過(guò)程嚴(yán)重惡化。3流化床壓降與流速關(guān)系床層一旦流化，全部顆粒處于懸浮狀態(tài)?，F(xiàn)取床層為控制體，并忽略流體與容器壁面間的摩擦力，對(duì)控制體作力的衡算，則

6、（121）式中，床層的壓力差，N/m2； 空床截面積，m2； 床層顆粒的總質(zhì)量，kg； 床層內(nèi)流體的質(zhì)量，kg。而 （122）式中，床層高度，m；流體密度，kg/m3； 固體顆粒的密度，kg/m3。將式（122）代入（121），并引用廣義壓力概念，整理得 （123）由于流化床中顆?？偭勘３植蛔儯蕪V義壓差恒定不變，與流體速度無(wú)關(guān)，在圖123中可用一水平線(xiàn)表示，如BC段所示。注意，圖中BC段略向上傾斜是由于流體與器壁及分布板間的摩擦阻力隨流速增大而造成的。又由流體的機(jī)械能衡算方程可知，數(shù)值上等于流體通過(guò)床層的阻力損失。圖123流化床壓力降與氣速關(guān)系圖中AB段為固定床階段，由于流體在此階段流速較低

7、，通常處于層流狀態(tài)，廣義壓差與表觀(guān)速度的一次方成正比，因此該段為斜率等于1的直線(xiàn)。圖中AB段表示從流化床回復(fù)到固定床時(shí)的廣義壓差變化關(guān)系，由于顆粒由上升流體中落下所形成的床層較人工裝填的疏松一些，因而廣義壓差也小一些，故AB線(xiàn)段處在A(yíng)B線(xiàn)段的下方。圖中CD段向下傾斜，表示此時(shí)由于某些顆粒開(kāi)始為上升流體所帶走，床內(nèi)顆粒量減少，平衡顆粒重力所需的壓力自然不斷下降，直至顆粒全部被帶走。根據(jù)流化床恒定壓差的特點(diǎn)，在流化床操作時(shí)可以通過(guò)測(cè)量床層廣義壓差來(lái)判斷床層流化的優(yōu)劣。如果床內(nèi)出現(xiàn)騰涌，廣義壓差將有大幅度的起伏波動(dòng)；若床內(nèi)發(fā)生溝流，則廣義壓差較正常時(shí)為低。三實(shí)驗(yàn)裝置和流程該實(shí)驗(yàn)設(shè)備是由水、氣兩個(gè)系統(tǒng)

8、組成的，其流程如圖12-4所示。兩個(gè)系統(tǒng)各有一透明二維床，床底部為多孔板均布器，床層內(nèi)的固體顆粒為石英砂。圖12-4 固體流態(tài)化裝置流程圖采用空氣系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)時(shí)，空氣由風(fēng)機(jī)供給，經(jīng)過(guò)流量調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、氣體分布器進(jìn)入分布板，空氣流經(jīng)二維后由床層頂部排出。通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量，可以進(jìn)行不同流動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。設(shè)備中裝有壓差計(jì)指示床層壓降，標(biāo)尺用于測(cè)量床層高度的變化。采用水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，用泵輸送的水經(jīng)過(guò)流量調(diào)節(jié)閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、液體分布器送至分布板，水經(jīng)二維床層后從床層上部溢流至下水槽。四實(shí)驗(yàn)步驟1. 檢查裝置中各個(gè)開(kāi)關(guān)及儀表是否處于備用狀態(tài)。2. 用木棒輕敲床層，目的使固體顆粒填充較緊密，然后測(cè)定靜床高度。3. 啟動(dòng)風(fēng)機(jī)或泵，由小到大改變進(jìn)氣量（注意，不要把床層內(nèi)的固體顆粒帶出?。?，記錄壓差計(jì)和流量計(jì)讀數(shù)變化。觀(guān)察床層高度變化及臨界流化狀態(tài)時(shí)的現(xiàn)象。4. 由大到小改變氣（或液）量，重復(fù)步驟3，注意操作要平穩(wěn)細(xì)致。5. 關(guān)閉電源，測(cè)量靜床高度，比較兩次靜床高度的變化。6. 實(shí)驗(yàn)中需注意，在臨界流化點(diǎn)前必須保證有六組以上數(shù)據(jù)，且在臨界流化點(diǎn)附近應(yīng)多測(cè)幾組數(shù)據(jù)。五實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上