粉體力學流態(tài)化課件

1、5.3 流流 態(tài)態(tài) 化化 特特 征征5.3.1 5.3.1 流態(tài)化的基本特征流態(tài)化的基本特征5.3.2 5.3.2 最小流態(tài)化速度最小流態(tài)化速度5.3.3 5.3.3 最小鼓泡速度最小鼓泡速度5.3.4 5.3.4 流態(tài)化氣泡特征流態(tài)化氣泡特征5.3.5 5.3.5 GeldartGeldart顆粒分類顆粒分類5.3.6 5.3.6 流化床反應器結構流化床反應器結構5.3.7 5.3.7 流化床反應器工藝計算流化床反應器工藝計算5.3.1 5.3.1 流態(tài)化的基本特征流態(tài)化的基本特征 1 1、 床層物料具有很高的顆粒表面積床層物料具有很高的顆粒表面積 2 2、床層內有大量的不同尺寸的氣泡、床層

2、內有大量的不同尺寸的氣泡 3 3、顆粒損失大、顆粒損失大 4 4、容易實現連續(xù)控制、容易實現連續(xù)控制流態(tài)化曲線流態(tài)化曲線床層孔隙率（或床層高度）、壓降與流體表觀流床層孔隙率（或床層高度）、壓降與流體表觀流速的關系曲線。速的關系曲線。流體通過流化床的阻力流體通過流化床的阻力 流體通過顆粒床層的阻力與流體表觀流速（空床流速）之間的關系可由實驗測得。圖是以空氣通過砂粒堆積的床層測得的床層阻力與空床氣速之間的關系。由圖可見，最初流體速度較小時，床層內固體顆粒靜止不動，屬固定床階段，在此階段，床層阻力與流體速度間的關系符合歐根方程；當流體速度達到最小流化速度后，床層處于流化床階段，在此階段，床層阻力基本

3、上保持恒定。1 1、有明顯的臨界流態(tài)化點和臨、有明顯的臨界流態(tài)化點和臨界流態(tài)化速度界流態(tài)化速度; ;2 2、流態(tài)化床層的壓降為一常數、流態(tài)化床層的壓降為一常數; ;3 3、有平穩(wěn)的流態(tài)化界面、有平穩(wěn)的流態(tài)化界面; ;4 4、流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下、流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下, ,都具有一個代都具有一個代表表性的均勻值性的均勻值, ,不因床層內的位置而變化。不因床層內的位置而變化。理想流化床的特點理想流化床的特點:實際流化床的特點實際流化床的特點:固定床與流化床分界點所對應的流體表觀流速。固定床與流化床分界點所對應的流體表觀流速。請同學們總結出實際流化床的特點請同學們總結出實際流化床

4、的特點？臨界流態(tài)化速度臨界流態(tài)化速度臨界流化狀態(tài)（速度）臨界流化狀態(tài)（速度） 流體的流速達到顆粒受到的阻力流體的流速達到顆粒受到的阻力= =重力重力- -浮力浮力 顆粒懸浮在流體中顆粒懸浮在流體中 床層壓降的理論值床層壓降的理論值gAlpAp)(1 (5.3.2 5.3.2 最小流化速度最小流化速度確定方法確定方法 可由實驗測定，即通過可由實驗測定，即通過p-up-u關系曲線確定。關系曲線確定。 可用近似計算法求得可用近似計算法求得量綱分析或相似理論法。量綱分析或相似理論法。1 1、細顆粒、細顆粒2 2、粗顆粒、粗顆粒3 3、有不良流態(tài)化現象發(fā)生時、有不良流態(tài)化現象發(fā)生時 gLAgLAAgVA

5、gVAgmAmgPpppbedpspf)(1)(1)(1)(1 根據上節(jié)中的歐根方程，對于小顆粒根據上節(jié)中的歐根方程，對于小顆粒(Rep20）又可以利用固）又可以利用固定床壓降的計算式（定床壓降的計算式（5-32）（1）流化床的壓降）流化床的壓降675（2）固定床的壓降）固定床的壓降此時，床層壓降既符合固定床計算式，又符合流化床計算式。此時，床層壓降既符合固定床計算式，又符合流化床計算式。 設流化床的床層高度為設流化床的床層高度為L，床層空隙率為，床層空隙率為，則此時，床層，則此時，床層壓降既符合固定床計算式，又符合流化床計算式。壓降既符合固定床計算式，又符合流化床計算式。流化床的操作范圍流化

6、床的操作范圍1、起始流化速度、起始流化速度umf udLp2ev232f1150 5.3.3 5.3.3 最小鼓泡速度最小鼓泡速度 對于小顆粒，對于小顆粒，u= uu= umfmf時，散式流化床時，散式流化床u uu umbmb時，鼓泡流化床時，鼓泡流化床347. 006. 045)716. 0exp(07. 2vmbdxu 與顆粒的平均尺寸有關與顆粒的平均尺寸有關 與顆粒的尺寸分布有關與顆粒的尺寸分布有關 對于大顆粒，對于大顆粒，u= uu= umfmf時，聚式流化床時，聚式流化床氣泡的尾渦與尾跡氣泡的尾渦與尾跡 1 1、氣泡的產生與運動與顆粒的性質、風板、流化床的尺寸、氣泡的產生與運動與顆

7、粒的性質、風板、流化床的尺寸有關；有關； 2 2、相同的顆粒，相同的流化速度、相同的深寬比具有相同、相同的顆粒，相同的流化速度、相同的深寬比具有相同氣泡與顆粒流型；氣泡與顆粒流型；3 3、尾渦與尾跡的產生尾渦與尾跡的產生常見的三種氣泡尺寸定義常見的三種氣泡尺寸定義 (1)(1)投影尺寸投影尺寸d db b； (2) (2) 氣泡弓玄尺寸氣泡弓玄尺寸d dbhbh； (3) (3) 體積尺寸體積尺寸d dbvbv； 5.3.4 5.3.4 流態(tài)化氣泡特征流態(tài)化氣泡特征氣泡的尺寸與速度氣泡的尺寸與速度 (1)(1)床層高度增加，氣泡增加；床層高度增加，氣泡增加； (2) (2) 流態(tài)化速度增加，氣

8、泡增加；流態(tài)化速度增加，氣泡增加； (3) (3) 氣泡間存在合并長大過程，同時大氣泡可分裂為許多小氣泡；氣泡間存在合并長大過程，同時大氣泡可分裂為許多小氣泡； (4) (4) 流化床存在最大平衡氣泡尺寸流化床存在最大平衡氣泡尺寸 氣泡暈氣泡暈 單個氣泡：頂部球單個氣泡：頂部球形，尾部內凹。在尾形，尾部內凹。在尾部由于壓力比近旁稍部由于壓力比近旁稍低，使一部分粒子被低，使一部分粒子被卷了進去。形成局部卷了進去。形成局部渦流渦流尾渦尾渦 在氣泡上升途中，不斷有一部分粒子離開這一區(qū)域，另一部分粒子又在氣泡上升途中，不斷有一部分粒子離開這一區(qū)域，另一部分粒子又補充進去。這樣，就把床層下部的粒子夾帶上

9、去，促進了整個床層粒補充進去。這樣，就把床層下部的粒子夾帶上去，促進了整個床層粒子的循環(huán)和混合。所以氣泡是床層運動的動力。子的循環(huán)和混合。所以氣泡是床層運動的動力。 氣泡外形成一層不與乳相中流體相混合的區(qū)域。這一層為氣泡云，在氣泡外形成一層不與乳相中流體相混合的區(qū)域。這一層為氣泡云，在其中，氣泡內的氣體與固體顆粒獲得了有效的接觸，得到反應。氣泡越其中，氣泡內的氣體與固體顆粒獲得了有效的接觸，得到反應。氣泡越大，氣泡的上升速度越快，氣泡云也就越薄，氣泡云的作用也就減大，氣泡的上升速度越快，氣泡云也就越薄，氣泡云的作用也就減弱。弱。 氣泡云和尾渦都在氣泡氣泡云和尾渦都在氣泡之外，可合稱為泡暈。之外

10、，可合稱為泡暈。1 1、是床層運動的動力，加劇氣、是床層運動的動力，加劇氣- -固兩相相對運動；固兩相相對運動； 氣泡的作用氣泡的作用3 3、參與傳質，使反應物：氣泡相、參與傳質，使反應物：氣泡相 乳相；乳相； 產物：乳相產物：乳相 氣泡相氣泡相2 2、造成床層內顆粒的劇烈攪拌，使流化床具有很高、造成床層內顆粒的劇烈攪拌，使流化床具有很高的顆粒與氣體、床料與表面的換熱速率，因此流化床的顆粒與氣體、床料與表面的換熱速率，因此流化床具有等溫的特征；具有等溫的特征； 4 4、降低流化床氣固接觸效率；、降低流化床氣固接觸效率； 5 5、上升到床層表面破碎時，將大量顆粒拋入床層上、上升到床層表面破碎時，

11、將大量顆粒拋入床層上方，使流化床顆粒損失。方，使流化床顆粒損失。 5.3.5 Geldart5.3.5 Geldart 顆粒分類顆粒分類 1 1、 C C組顆粒組顆粒 2 2、A A組顆粒組顆粒 3 3、B B組顆粒組顆粒 4 4、D D組顆粒組顆粒5.3.6流化床反應器的結構流化床反應器的結構n流化床反應器類型流化床反應器類型按固體顆粒是否在系統(tǒng)內循環(huán)分按固體顆粒是否在系統(tǒng)內循環(huán)分 （1 1）單器流化床）單器流化床 （2 2）雙器流化床）雙器流化床按床層的外型分按床層的外型分 (1)(1)圓筒形圓筒形 (2)(2)圓錐形圓錐形 按床層中是否置有內部構件分按床層中是否置有內部構件分 (1)(1

12、)自由床自由床 (2)(2)限制床限制床 按反應器內層數的多少分按反應器內層數的多少分 (1)(1)單層單層 (2)(2)多層多層 n 工業(yè)生產中常見流化床反應器形式n 工業(yè)生產中常見流化床反應器形式n 工業(yè)生產中常見流化床反應器形式n流化床反應器結構反應器主體擴大段擴大段分離段分離段濃相段濃相段錐底錐底錐底：一般錐角為90或60作用：對進入氣體起預分布作用、卸催化劑。 床層（濃相段）：床高與催化劑的裝填量、氣速有關，是反應器的有效體積。通常催化劑填充層的靜止高度與流化床直徑的比值很少超過1，一般接近于1。分離段擴大段n流化床反應器結構 包括氣體預分布器和氣體分布板。其作用是使氣體均勻分布，以

13、形成良好的初始流化條件，同時支承固體顆粒。以下為常見氣體分布板形式： 凹型篩孔板 單個直孔泡帽 氣體分布裝置：泡帽側縫分布板 泡帽側孔分布板 氣體分布裝置：條形側縫分布板直孔泡帽分布板 氣體預分布器同心圓錐殼式分布器帽式分布器充填式分布器開口式分布器彎管式分布器 氣體預分布器 包括檔網、檔板和填充物等。 作用：破碎氣體在床層中產生的大氣泡，增大g-s相間的接觸機會，減少返混，從而增加反應速度和提高轉化率。 外旋擋板 內部構件：多旋擋板內旋擋板 內部構件： 濃相區(qū)（床層）高度：床層上界面以下的床層高度。濃相區(qū)（床層）高度：床層上界面以下的床層高度。ssmfmfALAL)1 ()1 (物料衡算：1

14、1mfmfLL得：gLpsf)(1(由：5.3.7 流化床的高度與直徑流化床的高度與直徑 (1) 流化床的高度流化床的高度 高度高度=濃相區(qū)高度濃相區(qū)高度+稀相區(qū)高度稀相區(qū)高度濃相區(qū)濃相區(qū)稀相區(qū)稀相區(qū)150)(22gdksv令：ukLLmfmf31則： 稀相區(qū)高度稀相區(qū)高度（分離高度分離高度 ）：濃相區(qū)上界面到稀相區(qū)顆粒濃度濃相區(qū)上界面到稀相區(qū)顆粒濃度 恒定處的距離。恒定處的距離。1150)(322gdusv得： 分離高度取決于顆粒的粒度分布、顆粒的密度和氣體的密度、分離高度取決于顆粒的粒度分布、顆粒的密度和氣體的密度、粘度及結構尺寸和氣速。粘度及結構尺寸和氣速。 目前，尚無可靠的計算公式。目

15、前，尚無可靠的計算公式。 氣速愈大，分離高度愈大。氣速愈大，分離高度愈大。(2) 流化床的直徑流化床的直徑確定好流化床的操作氣速后，即可根據氣體的處理量確定流化確定好流化床的操作氣速后，即可根據氣體的處理量確定流化床所需的直徑床所需的直徑D D 。uVD4 V - 氣體的處理量，氣體的處理量，m3/s ； u - 流化床的實際操作氣速，流化床的實際操作氣速，m/s。 流化床反應器的工藝計算流化床反應器的工藝計算 要求：確定床徑和床高要求：確定床徑和床高 確定床內構件確定床內構件 計算傳熱面積計算傳熱面積 n直徑 反應器主體直徑D1 v0-操作條件下的氣體體積流量擴大段直徑D2 vd-擴大段的氣

16、體體積流量 0014uvDtduvD41n流化床的高度總高度分： 床層（濃相段）高度hf 分離段（稀相段）高度h1 擴大段高度h2 錐底高度h3濃相段高度hf床層高度由靜床高h0和膨脹比R確定 或h0=u u：氣體停留時間其中催化劑體積VS和催化劑質量GS 的確定方法與固定床相同。 22044DGDVhBSS 3 擴大段高度h2 經驗?。篽2=D2 4錐底高h3 一般錐角=60度或90度 H=hf+h1+h2+h322113ctgDh 1、化學反應過程、化學反應過程濕法冶金中：流態(tài)化浸出和洗滌、流態(tài)化離子交換濕法冶金中：流態(tài)化浸出和洗滌、流態(tài)化離子交換火法冶金：沸騰焙燒（火法冶金：沸騰焙燒（ZnS精礦）沸騰氯化（鈦鐵精礦）沸騰氯化（鈦鐵礦精礦）礦精礦）2、 物理過程：物理過程：顆粒分級顆粒分級流態(tài)化洗滌流態(tài)化洗滌流態(tài)化干燥（噴霧干燥）流態(tài)化干燥（噴霧干燥）物料輸送：最典型的是顆粒物料的氣力輸送物料輸送：最典型的是顆粒物料的氣力輸送 1、優(yōu)點、優(yōu)點 易于連續(xù)化和自動控制。易于連續(xù)化和自動控制。 相際混合均勻