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1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目:測(cè)定3um石英砂臨界流化諫度組別:第3組日期:2016年1月26日流化床臨界速度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?)觀察流態(tài)化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,學(xué)習(xí)通過(guò)顆粒床層流動(dòng)特性的測(cè)量方法;2)了解測(cè)量臨界流化速度的方法和儀器的使用;3)測(cè)定臨界流化速度,并作出流化曲線圖;、實(shí)驗(yàn)原理流態(tài)化是一種使用固體顆粒通過(guò)與流體接觸而轉(zhuǎn)變成類似于流體狀態(tài)的操作。近年來(lái),這種技術(shù)發(fā)展很快,許多工業(yè)部門在處理粉粒狀物料的輸送、混合、涂層、換熱、干燥、吸附、煨燒和氣-周反應(yīng)過(guò)程等過(guò)程中,都廣泛地應(yīng)用了流態(tài)化技術(shù)。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)三種不同的流化過(guò)程的幾個(gè)階段1
2、) 固定床階段如果流體通過(guò)顆粒床層的表觀速度(即空床速度)U較低,使顆粒空隙中流體的真實(shí)速度Ui,則小于顆粒的沉降速度Ut則顆粒基本上保持靜止不動(dòng),顆粒稱為固定床。2) 流化床階段當(dāng)流體的表觀速度U加大到某一數(shù)值時(shí),真實(shí)速度Ui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e也增大,而Ui=U/,所以,真實(shí)速度Ui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,這種床層稱為流化床。因?yàn)榱骰驳目障堵孰S流體
3、表觀速度增大而變化,因此,能夠維持流化床狀態(tài)的表觀速度可以有一個(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)臨界速度一般均有實(shí)驗(yàn)得出。3)顆粒輸送階段如果繼續(xù)提高流體的表觀速度U,使真實(shí)速度Ui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)稱為氣力輸送。2、固體流態(tài)化的分類流化床按其性狀的不同,可以分為兩類,即散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化。散式流態(tài)化一般發(fā)生在液一周系統(tǒng),此種床層從開始膨脹直到氣力輸送,床內(nèi)顆粒的擾動(dòng)程度是平緩的加大的,床層的上界面較為清晰。聚式流態(tài)化一般發(fā)生在氣一周系統(tǒng),這也是目前工業(yè)上應(yīng)用較多的流化床形式,從開
4、始流態(tài)化開始,床層的波動(dòng)逐漸加劇,但其膨脹程度卻不大。因?yàn)闅怏w與固體的密度差別較大,氣體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)大和相互合并,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。聚式流態(tài)化床中有以下兩種不正常現(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),就將床層分為幾段,床內(nèi)物料以活塞推進(jìn)的方式向上運(yùn)動(dòng),在達(dá)
5、到上部后氣泡破裂,部分顆粒又重新回落,這既是騰涌,又稱為節(jié)涌。騰涌嚴(yán)重地降低床層的穩(wěn)定性,使氣一周之間的接觸狀況惡化,并使床層受到?jīng)_擊,發(fā)生振動(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別不良,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)的通道上開,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、流化床壓降與流速的關(guān)系流化速度定義:Q_氣體體積流量F一床層橫截面積流化數(shù):n=U/Umf流化形成的條件和流態(tài)化的基本特征:(1)流態(tài)化是一種由于流體向上流過(guò)固體顆
6、粒堆積的床層,使得顆粒具有一般流體性質(zhì)的現(xiàn)象(2)當(dāng)流體速度較低時(shí),床層處于固定床狀態(tài),此時(shí),流體與床層壓降的關(guān)系可用Ergun公式(Ergun,1949)表示。Ergun公式是流態(tài)化原理中十分重要的一個(gè)公式:2)iudv2p床層壓降H一床高e床層空隙率仙-流體動(dòng)力粘度u-表觀流速dv-顆粒等體積當(dāng)量直徑pf-流體密度當(dāng)流體流速達(dá)到臨界流化速度后,P與流速的關(guān)系不再遵從Ergun公式均勻粒度沙粒床層的壓降與氣速的關(guān)系:寬篩分粒度床層的壓降與氣速的關(guān)系:Uq(cm/s)當(dāng)床料處于臨界流化狀態(tài)時(shí):P=p(1-;mf),fm(QHmf上式與Ergun公式聯(lián)立,并考慮顆粒球形度小s后可得:1.75dp
7、Um;-3(9.mm31501,s3mf3s-mf13s;mf143s;mf11代入前式得到:dpumf:f即:30.5c2cdp3?f:p-?f)g八|Ci2+C2f風(fēng)CC1-一-2-i0.5Remf=C12+CArI-C1-式中,C1=33.7,C2=0.0408當(dāng)顆粒較細(xì),Remf較小時(shí),Ergun公式中的粘性力項(xiàng)占主導(dǎo),慣性力項(xiàng)可忽略,即:Rep1000時(shí)2umfdp(p-f)g24.5f采用Grace公式(C1=27.2;C2=0.0408)計(jì)算彳4到的Remf與壓力條件下的測(cè)試結(jié)果比較吻合:2.05Grace公式:Remf=(27.2+0.0408Ar).-27.2三、實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)
8、過(guò)程中,由于測(cè)壓是測(cè)的布風(fēng)板以下和裝置出口的壓力,所以測(cè)的壓力多了布風(fēng)板的壓力,得到的總壓為:?P=?P布風(fēng)板+?P物料因此,實(shí)驗(yàn)前先測(cè)定布風(fēng)板總壓?P布風(fēng)板,再測(cè)定有物料時(shí)候的總壓?P物料。這樣就計(jì)算出實(shí)際要測(cè)定的總壓。四、實(shí)驗(yàn)裝置和儀器實(shí)驗(yàn)裝置主要儀器:冷態(tài)流化床實(shí)驗(yàn)裝置,空氣壓縮機(jī),U形壓差管,燒杯,電子秤。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、首先用燒杯稱取500g石英砂,篩分直徑為0.03um,作為實(shí)驗(yàn)備用;2、檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接是否完好的;3、開始測(cè)空床布風(fēng)板的壓差,啟動(dòng)風(fēng)機(jī),調(diào)整流量到0,穩(wěn)定之后再調(diào)到250,穩(wěn)定后記錄,然后按照壓差差值為250逐漸上調(diào),依次記錄數(shù)據(jù),直到調(diào)到2500,然后再以250
9、的差值往下調(diào),調(diào)到250,記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定三次。停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行。4、測(cè)定完布風(fēng)板壓力后,開始裝入物料。啟動(dòng)風(fēng)機(jī),調(diào)整流量到0,穩(wěn)定之后再調(diào)到250,穩(wěn)定后記錄,然后按照壓差差值為250逐漸上調(diào),依次記錄數(shù)據(jù),并觀察流化態(tài)的生成過(guò)程,預(yù)測(cè)臨界點(diǎn),在臨界點(diǎn)出作微調(diào),然后再以250的差值調(diào),直到調(diào)到2500,然后再以250的差值往下調(diào),同樣在臨界點(diǎn)作微調(diào),然后再以250的差值調(diào)到250,記錄數(shù)據(jù)。并記錄下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)流化態(tài)時(shí)的圖片,實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定三次。5,測(cè)定完物料壓力后,停止運(yùn)行,取出物料,整理數(shù)據(jù)。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1、空床壓差空床流量1組上行1組下行2組上行2組下行3組上行3組下行上行均值下行均
10、值2503040406050604053.3350040705070707053.337075080110801208012080116.67100012018016018014018014018012502002602202602102302102501500310340290340280330293.33336.671750400420400420390410396.67416.6720005005204505304905104805202250610630600610600610603.33616.672500740740700700710710716.67716.672、物料壓差加物1
11、組1組2組2組3組3組上行均值下行均值料流量上行下行上行下行上行下行250930650600640620630716.6764050018501180124010201200115014301116.6775018801730182014301610159017701583.3310002020195019401920194019501966.67194012502140203020302010202020202063.3202015002150215021402080211021402133.32123.3317502300222022202220224022502253.322302000
12、23502350234523402340236023452350225024502450247024302460245024602443.33250025502550252025202550256025402543.330.125m0.125m0.125m0.125m0.125m0.125m0.135m0.147m0.15m0.17m0.18m0.20m0.21m3、物料高度差2505007508009009501000125015001750200022502500七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理?P=?P布風(fēng)板+?P物料,所以岫界流化壓差為?P物料=?P-?P布風(fēng)板,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如下:8M:?P下行均值?
13、P布風(fēng)板下行均值?P物料實(shí)際壓力值25064053.33586.675001116.67701046.677501583.33116.671466.6710001940180176012502020250177015002123.33336.671786.6717502230416.671813.3320002350520183022502443.33616.671826.6725002543.33716.671826.67差為:1,原始數(shù)據(jù):流量計(jì)單位m3/h,最大量程2.5m3/h,溫度20(室溫),流化床直徑60*5mm(60是外徑,內(nèi)徑50),U形管里面介質(zhì)是水,石英砂質(zhì)量為500g,
14、篩分直徑為300um。2,由于實(shí)驗(yàn)的上行數(shù)據(jù)存在遲滯效應(yīng),所以所以結(jié)果采用下行數(shù)據(jù),其中實(shí)際需要測(cè)量的壓3數(shù)據(jù)處理得到的折線圖:臨界流化壓差300050。25002000150010000加物料壓差空.床壓差實(shí)際壓差4實(shí)驗(yàn)圖片八、數(shù)據(jù)分析與結(jié)果根據(jù)Q_氣體體積流量F床層橫截面積由所以所得數(shù)據(jù),可知在流量為950m3/h的時(shí)候,為臨界流化狀態(tài)開始的臨界點(diǎn),這個(gè)時(shí)候的壓差均值在1830pa。由公式Umf=Q/F=950/0.05*3.142*3600=0.54m2/s再由Grace公式計(jì)算:_,_2_05_Remf=(27.20.0408Ar).-27.2其中Ar為阿基米德數(shù):Ar=Lgpl(p-
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