化工原理讲稿(上册)-应化固体流态化.ppt

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1、第四章 固体流态化和气力输送,第一节 概述第二节 固体流态化第三节 气力输送,第一节 概 述,固体流态化,将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似流体的某些表观特性，这种流固接触状态称固体流态化。,1942年美国成功地将流态化技术应用到石油加工工业的催化反应上，使催化裂化由间歇操作变为连续操作，大大提高了设备的生产能力，以后又在石油化工、冶金及原子能工业等部门应用范围日益扩大，已成为我国石油加工工业部门中的重要技术。,高低并列提升管催化裂化装置,优点：,颗粒剧烈搅拌，床层各部分温度均匀，避免了局部过热；流化层中常用20100m的粒子，因此床层中固体或气体与固体的接触表面积大，利于

2、传热、传质速率的提高；床层中颗粒的运动犹如流体，易于从装置输入和输出，使过程连续化；,第一节 概 述,缺点：,粒子搅拌剧烈，无法保证流体与粒子间的逆流接触及轴向的温度与浓度梯度，对传质、传热及化学反应不利；由于床中粒子的混合作用，无法将新鲜粒子与失活粒子完全分开；颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重，生成的细粉易被气体带出，加大了损失量，同时要求具有较高效率的除尘设备；流化床反应器中流体流速与固体粒子性质有关，许可变化范围较窄。,第一节 概 述,第二节 固体流态化(Fluidization),一、流化床的不同阶段,固定床阶段：,空床气速（表观速度）u 低；实际流速um沉降速度ut；颗粒静止不

3、动，床层高度不变,流化床阶段：,表观速度u 曳力重力，床层开始流化床层空隙率；实际流速um=颗粒沉降速度ut 时，颗粒悬浮于流体中，形成流化床；颗粒彼此脱离，做不规则运动，但不脱离床层，床层有明显上界面。,第二节 固体流态化(Fluidization),颗粒输送阶段：,实际速度um 颗粒沉降速度ut，颗粒被带出 气力输送阶段,第二节 固体流态化(Fluidization),二、流化床的流化类型,散式流态化（Particulate fluidization）,特征：颗粒分散均匀，随流速增加床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定、波动很小。一般流-固两相密度差较小的体系呈现散式

4、流态化特征，如液-固流化床。,第二节 固体流态化(Fluidization),聚式流态化（Aggregative fluidization）：,特征：s，形成气泡，长大并破裂，床层波动剧烈，膨胀程度不大，上界面起伏不定。,一般出现在流-固两相密度差较大的体系，如气-固流化床。,第二节 固体流态化(Fluidization),鼓泡流态化,聚式与散式流态化的判断：,气-固流态化与液-固流态化并不是区分聚式与散式流态化的唯一依据，在一定的条件下气-固床可以呈现散式流态化(密度小的颗粒在高压气体中流化)或者液-固床呈现聚式流态化(重金属颗粒在水中流化)行为。,第二节 固体流态化(Fluidizatio

5、n),散式流态化,聚式流态化,临界流化条件下的弗鲁德数,根据流-固两相的性质及流化床稳定性理论，B.Bomero 和 提出了如下的准数群判据：,第二节 固体流态化(Fluidization),临界流化床层高度，D 为床层直径,临界流化条件下颗粒的雷诺数,三、流化床的主要特性,类似于液体的特性：,轻物浮起,床面呈水平,压强符合流体静力学,流动性,连通床面趋于水平,第二节 固体流态化(Fluidization),固体颗粒剧烈运动与迅速混合：,强烈的碰撞与摩擦：,固体颗粒上升，必有等量颗粒下降，使颗粒均匀混合，但导致停留时间不均，固体产品的质量不均；,颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重，生成的细

6、粉易被气体带出，加大了损失量；,第二节 固体流态化(Fluidization),气流的不均匀分布与气固床层的不均匀接触聚式流化床的不正常操作,沟流：,床层中出现气沟；床层部分流化，部分形成“死床”；气体与颗粒不能良好接触，工艺过程严重恶化；流化部分空隙率大，床层压降较正常时低。,第二节 固体流态化(Fluidization),粒径：颗粒直径小，易内聚成较大粒团；粒子的形状与密度：球型度，密度P易发生沟流；粒子的湿度：湿度颗粒易粘结易发生沟流；流体分布板设计不完善，或升气孔太少。,影响沟流程度的主要因素：,第二节 固体流态化(Fluidization),节涌（腾涌，lugging）：,气泡汇合占

7、满床层，床层波动，压降波动；床层稳定性下降，磨损严重。,第二节 固体流态化(Fluidization),颗粒粒径大，颗粒、流体密度差大；流体空床气速大，分布板开孔大易形成大气泡；床层高径比过大。,注：节涌与沟流都会使气固两相接触不充分、不均匀、流化质量不高，使传热、传质和化学反应效率下降。,第二节 固体流态化(Fluidization),引起节涌的原因：,恒定的压降：,定值,第二节 固体流态化(Fluidization),logPlogu图：,AB段：固定床阶段，,起始流化速度,B点：颗粒开始流化 umf,BC段：流化床阶段，L，P 恒定；,CD段：气力输送段，颗粒逐渐减少，P下降空管流动阻力

8、,说明：,由BC段减小流体速度，压降返回线BA，有明显转折，且PABPAB；,P=单位床层横截面积内固体颗粒的表观重量（重量-浮力），与速度无关，为定值；,流化床操作范围：临界流化速度 umf u带出速度ut；,第二节 固体流态化(Fluidization),可由P 数值的变化了解床层是否流化，稳定性和正常性：,第二节 固体流态化(Fluidization),四、流化床的操作范围,起始流化速度umf 流化床操作的下限：,实验测定：B点（AB与BC段的交点）；,第二节 固体流态化(Fluidization),经验关联式计算：,流化床压降：,小固体颗粒固定床压降（ReP 10）-康采尼(Kozen

9、g)公式：,（A）,（B）,起始流化时，（A）（B）（L=Lmf，mf），则：,第二节 固体流态化(Fluidization),说明：,该式适用于ReP 10的起始流化速度的计算；,对非球形颗粒：引入（将式中dP 用dP 代替）；不均匀颗粒：引入比表面积平均直径（邵特直径）；,球形颗粒mf=0.4，则上式可写为：,第二节 固体流态化(Fluidization),带出速度ut流化床操作的上限：,ut=颗粒在流体中的沉降速度,操作范围：,umfuut,流化数N：,N=实际操作流体速度/起始流化速度=u/umf,第二节 固体流态化(Fluidization),五、流化床高度及分离高度,膨胀比R：,密

10、相区高度L与床层空隙率：,散式流化具有空隙率随流化数均匀变化的规律；聚式流化乳化相的空隙率几乎不变，床层膨胀主要由气泡相的膨胀所引起。聚式流化床膨胀比是一个较难确定的参数。,第二节 固体流态化(Fluidization),分离高度（H 或 TDH）：（Transport Disengaging Height）,固体颗粒浓度达定值的这一点距离床层上界面的距离。流化床膨胀高度以上颗粒可以依靠重力沉降回落的高度,第二节 固体流态化(Fluidization),说明：,即使设备出口再高也不能减少颗粒的带出量，TDH是使被气体带出床面的较大颗粒返回床层（密相区）所必需的高度，超过这一高度后颗粒将被带出；

11、流化床的出口（或内旋分的入口）应位于分离高度之上，但不应过高；TDH 的确定对流化床气体出口位置的设计具有重要意义。一般，气速uTDH。,第二节 固体流态化(Fluidization),第三节 气力输送（Pneumatic transport）,气力输送：在密闭的管道中借用气体(最常用的是空气)动力使固体颗粒悬浮并进行输送。输送对象：从微米量级的粉体到数毫米大小的颗粒。优点：效率高；全密闭式的输送既可保证产品质量、又可避免粉体对环境的污染；容易实现管网化和自动化；缺点：能耗高，设计和操作不当易使颗粒过度碰撞而磨蚀、破碎，同时造成管道和设备的磨损。,输送类型：,负压体系（吸送式）,第三节 气力输送（Pneumatic transport）,正压体系（压送式）,实验五 固体流态化实验,一、实验目的：观察散式和聚式流态化现象；,二、实验装置：,实验五 固体流态化实验,思考题,1.什么是固体流态化？其优点是什么？2.什么是固定床？什么是流化床？3.什么是聚式流态化？什么是散式流态化？4.流化床的主要特性？气-固流化床中的两种不正常操作现象是什么？5.流化床的操作范围是什么？,