第四章固體流態(tài)化

第四章固體流態(tài)化第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五一、概述固體流態(tài)化：流體以一定的流速通過固體顆粒組成的床層時，可將大量固體顆粒懸浮于流動的流體中，顆粒在流體作用下上下翻滾，類似于液體的沸騰。這種狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。簡單來說，固體流態(tài)化就是固體物質(zhì)流體化。流態(tài)化技術(shù)是近50多年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)強度大、易于實現(xiàn)連續(xù)化、自動化操作。該技術(shù)在食品工業(yè)中，主要用于加熱（Heating）、冷卻(Cooling)、冷凍(Freezing)、干燥(Drying/Dehydration)、混合(Mixing)、造粒(Granulation)、浸出(Extraction)、洗滌(Scrubbing/Cleaning/Washing)等方面。第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五固體流態(tài)化的優(yōu)點1、顆粒流動平穩(wěn)，類似液體，可實現(xiàn)連續(xù)、自動控制；2、固體顆?；旌涎杆?，整個流化床內(nèi)處于等溫狀態(tài)；3、流體與顆粒之間的傳熱和傳質(zhì)速率高；4、整個床層與浸沒物體之間傳熱速率高。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五二、床層的流態(tài)化過程在垂直裝填有固體顆粒的床層中，流體自下而上通過顆粒床層，隨著流速從小到大變化，床層將出現(xiàn)下述三種不同的狀態(tài)，如下圖所示。(一)流態(tài)化現(xiàn)象a.固定床；b-c-d.流化床；e.氣力輸送第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(1)固定床階段特點：通過床層的流速低；顆粒受的曳力小，顆粒之間緊密相接，靜止不動；床層高度不變；u↑，流體通過床層的阻力↑，其關(guān)系可以用歐根公式表示，如圖(a)。第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(2)流化床階段

特點：當(dāng)u↑一定值時，(顆粒的)曳力接近凈重力（重力減去浮力），或者流體通過床層的阻力接近單位截面床層的重量時，顆粒開始浮動，但仍未脫離原來的位置，如圖(b)。在此狀態(tài)時，u稍稍↑，顆粒便互相離開，床層的高度也會有所提高，則這時的狀態(tài)稱為起始流化狀態(tài)或臨界流化狀態(tài)，對應(yīng)的流速稱為起始流化速度(umf)或最小流化速度。第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五在臨界流化狀態(tài)時，繼續(xù)↑u

，則顆粒間的距離增大，顆粒作劇烈的隨機運動，這個階段稱為流化床階段(沸騰床)。在流化床階段，隨流體空床流速的增加，床層高度增高，床層的空隙率也增大，使顆粒間的流體流速保持不變；此時床層空隙中的流速=顆粒的沉降速度，同時床層的阻力幾乎保持不變，等于單位截面床層的重量。流化床階段還有一個特點是床層有明顯的上界面，如圖(c、d)所示。第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(3)氣力（或液力）輸送階段特點：當(dāng)流體流速（空塔速度u）=顆粒的沉降速度時，顆粒被流體帶出器外，床層的上界面消失，此時的流速稱為流化床的帶出速度，流速高于帶出速度后，為流體輸送階段，如圖(e)所示。第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(二)兩種不同的流化形式（1）散式流化（液-固系統(tǒng)）

固體顆粒均勻地分散在流化介質(zhì)中，亦稱均勻流化或理想流化。特點：a在流化過程中有一個明顯的臨界流態(tài)化點和臨界流化速度；b流化床層的壓降為一常數(shù)：c床層有一個平穩(wěn)的上界面；d流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下都有一個代表性的均勻值。不因床層內(nèi)的位置而變化。通常兩相密度差小的系統(tǒng)趨向散式流化，故大多數(shù)液-固流化屬于“散式流化”。第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五（2）聚式流化（氣-固系統(tǒng)）通常兩相密度差較大的系統(tǒng)趨向于聚式流化。如氣固系統(tǒng)往往成為聚式流化。聚式流化床一般存在兩相：連續(xù)相：是由空隙小，而固體濃度大的氣固均勻混合物構(gòu)成。氣泡相：是夾帶有少量固體顆粒而以氣泡形式通過床層的不連續(xù)相。特點：床層內(nèi)各點處不再處處相等，床層無穩(wěn)定的上界面，上界面以某種頻率作上下波動，床層壓降也隨之作相應(yīng)波動。第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五判斷流化形式（散式或聚式流化）的依據(jù)：

弗魯特準數(shù)

第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五三、流化床的類似液體的特性流化床中的流-固運動很象沸騰著的液體，并且在很多方面表現(xiàn)出類似于液體的性質(zhì)，如下圖所示。第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(1)密度比床層密度小的物體能浮在床層的上面，見圖(a)；(2)床層傾斜，床層表面仍能保持水平，見圖(b)；(3)床層中任意兩截面間的壓差可用靜力學(xué)關(guān)系式表示(△p=ρgL,其中ρ和L分別為床層的密度和高度)，見圖?；(4)有流動性，顆粒能像液體一樣從器壁小孔流出，見圖(d)）；(5)聯(lián)通兩個高度不同的床層時，床層能自動調(diào)整平衡，見圖(e)。利用流化床的這種似液性，可以設(shè)計出不同的流-固接觸方式，易于實現(xiàn)過程的連續(xù)化與自動化。第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五四、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(guān)系可由實驗測得。下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(guān)系。第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五由圖可見，最初流體速度較小時，床層內(nèi)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(guān)系符合歐根方程；當(dāng)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，床層阻力基本上保持恒定。作為近似計算，可以認為流化顆粒所受的總曳力與顆粒所受的凈重力（重力與浮力之差）相等，而總曳力等于流體流過流化床的阻力與床層截面積之積，即：第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五式中A-床層截面積，m2；

L-床層高，m；

ε-床層空隙率；

ρs-固體顆粒的密度，kg/m3；

ρ

-流體密度，kg/m3。式中

A——空床截面積,m2;m——床層顆粒的總質(zhì)量，kg；ρp,ρ——分別為顆粒與流體的密度，kg/m3。

第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五所以，單位高度流化床層的阻力可表示為：對于氣-固流化床，由于顆粒與流體的密度差較大，故又可近似表示為：上式表明，氣體通過流化床的阻力與單位截面床層顆粒所受的重力相等。

流化床階段床層阻力恒等于單位截面床層顆粒的凈重力。第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五五、流化床的操作范圍

(一)臨界流化速度umf（umf=εut）流化床的正常操作范圍為氣速高于臨界流化速度umf，低于顆粒的帶出速度ut(即沉降速度)。[umf

<u<ut]1.實測法一般用空氣作流化介質(zhì)測得△p

～

u

曲線（如前圖）直接讀數(shù)，若實際操作流化介質(zhì)不同于空氣時，則：代表以空氣為流化介質(zhì)時測出的臨界流化速度。2.計算法由于臨界點是固定床與流化床的交叉點，所以臨界點的壓強降既符合流化床的規(guī)律也符合固定床的規(guī)律。

第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)顆粒直徑較小時，兩式聯(lián)立求解對于大顆粒，Rep>1000的情況，可只考慮因局部阻力而造成的動能損失。對于球形顆粒，有εmf=0.4，φs=1.0，以上計算可進一步化簡。第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五對于其它許多系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)存在以下關(guān)系：∴對于小顆粒對于大顆粒(二)帶出速度顆粒帶出速度即為顆粒的沉降速度，計算同前，即：注意：計算umf時要用實際存在于床層中不同粒度顆粒的平均直徑de，而計算ut時則必須用相當(dāng)數(shù)量的最小顆粒的直徑。第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(三)流化床的操作范圍流化床的操作范圍即為空塔-截面速度的上下限，用比值ut/umf的大小來衡量，稱流化數(shù)。對于細顆粒，ut/umf=91.76

大顆粒，ut/umf=8.61

由此可以看出，細顆粒流化床較粗顆粒床有更寬的流速操作范圍。不同的生產(chǎn)工藝過程中，流化數(shù)可在很大的幅度上變化，有些流化床的流化數(shù)可高達數(shù)百，遠遠超過上述的最高理論值。第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五六、流化床的主要特點(一)流化床中的兩相流動床內(nèi)各處溫度或濃度均勻一致，避免局部過熱。但傳熱、傳質(zhì)推動力下降。原因:在同一截面各處流體速度不完全相同，顆粒總是上下作往復(fù)循環(huán)運動；同時還作雜亂無章的不規(guī)則運動。流化床內(nèi)部分流體也有相應(yīng)的循環(huán)和混合現(xiàn)象。(二)流化床有類似液體的特點流化床具有類似液體的流動性，故使操作易于實現(xiàn)連續(xù)化與自動化。第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(三)流化床的不正?，F(xiàn)象1、節(jié)涌現(xiàn)象(騰涌現(xiàn)象)床高：床徑的比值（長徑比）過大（床層為細長形），或氣速過高時導(dǎo)致小氣泡合并成大氣泡的現(xiàn)象；當(dāng)氣泡直徑=床層直徑時，則床層被形成相互間隔的氣泡與顆粒層；顆粒層被氣泡向上推動，到達上部后氣泡崩裂，而顆粒又分散下落，這種現(xiàn)象稱為節(jié)涌現(xiàn)象。如圖示：第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五出現(xiàn)節(jié)涌現(xiàn)象時，由于顆粒層與器壁的摩擦造成壓強降大于理論值，而在氣泡破裂值又低于理論值，因而

△p

～

u圖上表現(xiàn)為△p在理論值附近作大幅度的波動，如圖所示：床層發(fā)生節(jié)涌現(xiàn)象時，氣固兩相接觸不良，且使容器受顆粒磨損加劇，同時引起設(shè)備振動。防止節(jié)涌現(xiàn)象的措施：實際操作中應(yīng)采用適宜的床層高度/床徑之比值，以及適宜的操作氣速。第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五2、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，大量氣體經(jīng)過局部地區(qū)的溝道上升，如圖示，而床層的其余部分處于固定床狀態(tài)而未被流化?！鱬

～

u的關(guān)系為△p

低于單位面積上的凈重力。溝流現(xiàn)象的出現(xiàn)主要與顆粒的特性和氣體分布板有關(guān)。顆粒過細、密度過大，易于粘結(jié)的顆粒，以及氣體在分布板的初始分布不均勻，都宜引起溝流。溝流現(xiàn)象第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(四)利用流化現(xiàn)象判斷顆粒尺寸流化質(zhì)量：是指流化床中流體分布與流固接觸的均勻程度。能夠進行良好流化的顆粒尺寸在20~500μm范圍內(nèi)。粒徑小于20μm時，極易形成溝流和死床難于流化。粒徑大于500μm的極粗顆粒，流化時床層極不穩(wěn)定。粒徑在20~100μm的細顆粒開始時為散式流化，氣速加大到某值后出現(xiàn)氣泡變?yōu)榫凼搅骰?0~500μm的粗顆粒開始不出現(xiàn)散式流化，而出現(xiàn)氣泡。所以用流化現(xiàn)象可粗略估計顆粒尺寸。第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五流化床的兩個主要尺寸：直徑：由操作氣速確定高度：由兩段高度決定，即流化上界面以下的床層（也稱濃相區(qū)），和床層上界面以上的分離高度（稱為稀相區(qū)）組成。(1)流化床的直徑確定操作氣速后，即可根據(jù)氣體的處理量確定流化床所需的直徑D：七、流化床的高度與直徑

V-氣體的處理量，m3/s；

u-流化床的實際操作氣速，m/s。第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五(2)床層高度（濃相區(qū)高度）流化床的濃相區(qū)高度與氣體的實際速度，也即與床層的空隙率有關(guān)。經(jīng)推導(dǎo)，有：也可將流化床中流體流動近似看作通過具有相同空隙率的固定床的流體流動，則有：式中k是反映物系特性的系數(shù)。上式表明了流化床操作的空床氣速與床層空隙率的關(guān)系。聯(lián)立上兩式得：第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五注意，以上各式只是近似地表示流化床空床氣速與床層空隙率及濃相區(qū)高度之間的關(guān)系。對于ε<0.8的液-固流化床，誤差不大，但對于氣-固流化床，則有較大的誤差。(3)分離高度TDH(又稱稀相區(qū))分離高度取決于：顆粒的粒度分布、密度和氣體的密度、粘度以及床層的結(jié)構(gòu)尺寸和氣速等。目前尚無可靠的計算公式，一般說氣速愈大，分離高度愈大。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五八、氣力輸送簡介氣力輸送：利用氣體在管內(nèi)流動以輸送粉粒狀固體的方法。一、氣力輸送的分類(一)按氣流壓強分類1、吸送式

輸送管中壓強低于常壓的輸送

型式

真空度

輸送距離

低真空式

<10KPa

近距離的細粉塵的清掃

高真空式

10～50KPa

50～100m

適用于須在輸送起始處避免粉塵飛揚的場合。2、壓送式

輸送管中壓強大于常壓的輸送。型式表壓狀態(tài)距離低壓式<50KPa粉狀物料近距離高壓式可達700KPa大量長距離第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年