第三章 固體流態(tài)化技術(shù)

第三章固體流態(tài)化技術(shù)第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月流態(tài)化技術(shù)是20世紀(jì)四十年代化工原理上的重大發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用非常廣泛。

大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體之中，顆粒具有類似于流體的表觀特性，這種流固接觸狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。

二次大戰(zhàn)后，石油催化裂化的催化劑再生，原來是通空氣使表面炭層燒除，易發(fā)生危險(xiǎn)，用流化技術(shù)后得到改進(jìn)，石油加工得到發(fā)展。第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、流化床的基本概念1、流態(tài)化的理論根據(jù)—單顆粒運(yùn)動(dòng)懸浮↑上浮↓下沉·uut第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2、流態(tài)化機(jī)理通過調(diào)節(jié)氣速，改變床層的空隙率，使床層處于流態(tài)化。

固定床階段→流化床階段→顆粒輸送階段第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月此時(shí)流體的真正速度u

<顆粒的沉降速度u0此時(shí)u=u0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此時(shí)u>u0固體流態(tài)化運(yùn)用在粉粒狀物料的輸送、混合、加熱或冷卻、干燥、吸附、煅燒和氣

固反應(yīng)等過程中。

第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3、流化床存在的基礎(chǔ)—大量顆粒群居顆粒能在相當(dāng)寬范圍內(nèi)懸而不走，離開群體的個(gè)別顆粒上升后，速度將減小，則會(huì)回落。第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月二、實(shí)際流化現(xiàn)象聚式流化氣-固系統(tǒng)存在空穴（氣泡）的移動(dòng)和合并空穴破裂→界面起伏

界面以下濃相區(qū)界面以上稀相區(qū)流態(tài)化按其性狀的不同，可以分成兩類，即散式流態(tài)化和聚式流態(tài)化。散式流化液-固系統(tǒng)固體顆粒均勻分布、上界面清晰

聚式流化床

散式流化床

第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月三、流化床的主要特性1、液體樣特性2、固體顆粒的均勻混合流化床的主要優(yōu)點(diǎn)流化床的一般特性第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月騰涌現(xiàn)象的特征，就是氣泡直徑大到與床徑相等，將床層分為幾段，變成一段氣泡和一段顆粒的相互間隔狀態(tài)。此時(shí)顆粒層被氣泡像活塞一樣向上推動(dòng)，達(dá)到一定高度后氣泡破裂，引起部分顆粒的分散下落。騰涌發(fā)生時(shí)，床層的均勻性被破壞，使氣固相的接觸不良，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且器壁磨損加劇，引起設(shè)備的振動(dòng)。產(chǎn)生的原因：出現(xiàn)騰涌現(xiàn)象時(shí)，由于顆粒層與器壁的摩擦造成壓降大于理論值，而氣泡破裂時(shí)又低于理論值，即壓降在理論值上下大幅度波動(dòng)。一般來說，床層越高、容器直徑越小、顆粒越大、氣速越高，越容易發(fā)生騰涌現(xiàn)象。處理方法：在床層過高時(shí)，可以增設(shè)擋板以破壞氣泡的長(zhǎng)大，避免騰涌發(fā)生。3、氣流的不均勻分布和氣-固的不均勻接觸P174第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月溝流對(duì)反應(yīng)過程的影響：溝流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，大部分氣體沒有與固體顆粒很好接觸就通過了床層，這在催化反應(yīng)時(shí)會(huì)引起催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低。由于部分顆粒沒有流化或流化不好，造成床層溫度不均勻，從而引起催化劑的燒結(jié)，降低催化劑的壽命和效率。第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月流化床床層壓降=（重量-浮力）/單位床截面積流化階段，壓降與氣速無關(guān)，始終保持定值4、恒定的壓降流化床的重要優(yōu)點(diǎn)固定床

流化床

帶出開始

C

B

A

￠

起始流化速度

D（帶出速度）表觀速度

ΔPu流體通過顆粒床層的壓降第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月推導(dǎo)：

即：流化床層阻力=單位面積床層中顆粒的總重力，

因此流化床階段，床層壓降基本恒定。流化床階段，近似認(rèn)為顆粒處于動(dòng)態(tài)平衡。第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月流化床的優(yōu)缺點(diǎn)比較

①顆?；旌暇鶆颉矊訙囟炔钚、劬哂辛鲃?dòng)性——便于輸送②恒定壓降——可使用小顆粒優(yōu)點(diǎn)：小顆粒大（比表面積），則阻力大。對(duì)固定床則不同，第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月①流動(dòng)不均勻（空穴的存在引起），催化劑利用率、反應(yīng)器利用率較低。②催化劑破碎嚴(yán)重（相互碰撞引起），損失大。（一般需配套良好的旋風(fēng)分離器）缺點(diǎn)：主要用途：

強(qiáng)放熱反應(yīng)催化劑再生細(xì)顆粒干燥FCC第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月四、流化床的操作范圍因?yàn)榇矊拥姆蔷鶆蛐裕荒芎?jiǎn)單以顆粒直徑求起始流化速度umf原因在于：1、起始流化速度umf流化床操作范圍下限第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月二者壓降相等起始流化點(diǎn)為固定床階段與流化床階段之交點(diǎn)Umf為流化床操作范圍下限固定床

流化床

帶出開始

C

B

A

￠

起始流化速度

D（帶出速度）表觀速度

logΔPlogu第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月常見小顆粒的起始流化速度umf

：（非均勻顆粒）如顆粒直徑相差6倍以上，當(dāng)大顆粒起動(dòng)，而小顆粒已被帶走；公式不適用于粒徑變化很大的顆粒床層。此公式計(jì)算的umf偏差較大（±34%），實(shí)際umf應(yīng)以實(shí)驗(yàn)測(cè)定值為準(zhǔn)；但公式提供了影響umf的變量，當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件與操作條件不同時(shí)，可用來對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月流化數(shù)（操作范圍）=流化床實(shí)際操作速度/起始流化速度小顆粒操作范圍>大顆粒操作范圍流化床操作范圍上限小顆粒大顆粒2、帶出速度固定床

流化床

帶出開始

C

B

A

￠

起始流化速度

D（帶出速度）表觀速度

logΔPlogu第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月【例3-11】某流化床在常壓、20℃下操作，固體顆粒群的直徑范圍為50～175mm，平均顆粒直徑為98mm，其中直徑大于60mm的顆粒不能被帶出，試求流化床的初始流化速度和帶出速度。其它已知條件為：固體密度為1000kg/m3，顆粒的球形度為1，初始流化時(shí)床層的空隙率為0.4。

解：查表得20℃空氣的粘度μ＝0.0181mPa·s、密度ρ＝1.205kg/m3。（1）允許最小氣速就是用平均直徑計(jì)算的umf。假設(shè)顆粒的雷諾數(shù)Reb<20，由式3-94可以寫出其臨界流化速度為p177第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月校核雷諾數(shù)由于不希望夾帶直徑大于60mm的顆粒，因此最大氣速不能超過60mm的顆粒的帶出速度ut。假設(shè)顆粒沉降屬于滯流區(qū)，其沉降速度用斯托克斯公式計(jì)算，即第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）流化數(shù)顆粒沉降速度和臨界流化速度之比為29:1，最大顆粒能夠流化。一般情況下，所選氣速不應(yīng)太接近ut或umf。通常取操作流化速度為（0.4-0.8）ut。第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、流化質(zhì)量(教材上沒有)流化質(zhì)量反映了流化床內(nèi)流化分布及流固兩相接觸均勻程度，內(nèi)部不穩(wěn)定性是導(dǎo)致流化質(zhì)量不高的根源。（空穴導(dǎo)致阻力減小→空穴增大→導(dǎo)致內(nèi)部不穩(wěn)定性）——空穴→溝流→死床第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月多孔板風(fēng)帽管式1、增加分布板阻力2、采用內(nèi)部構(gòu)件

3、采用小直徑、寬分布的顆粒

提高流化利用率的措施P1784、采用細(xì)顆粒、高氣速流化床

第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.5氣力輸送（自學(xué)）