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1、第4章 固体流态化和气力输送4.1 概述 4.2 流体通过固定床的流动 4.3 固体流态化 4.4 气力输送4.1 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，这状流固接触状态称固体 流态化。1942年美国成功地将流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。催化裂化反再系统原则流程图催化裂化吸收稳定系统原则流程图反应再生 系统流程图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
2、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； 为颗粒和粉末原料的加工开辟了途径。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，生成的吸粉易被气体带出，加大了损失量，同时要求具有较果效率 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。4.2 流体通过固定床的流动固
3、定床（Fixed bed）：固定不动的固体颗粒层 例：固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换器等。流体在固定床中的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。流体在颗粒床层纵横交错的空隙通道中流动，流速的方向与大小时刻变化，一方面使流体在床层 截面上的流速分布趋于均匀，另一方面使流体产生 相当大的压降。困难：通道的细微几何结构十分复杂，压降的理论 计算十分困难。解决方法：用简化模型通过实验数据关联。 一、简化的机理模型 把颗粒床层的不规则通道虚拟为一组长为Le 的平行细管，其总的内表面积等于床层中颗粒的全部 表面积、总的流动空间等于床层的全部空隙体积。该管组（即床层）的当量直径可表达为二、固定床压
4、降的计算将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为 Le、当量直 径 deb 的管内流动，床层的压降P 表达为： u1 流体在虚拟细管内的流速，等价于流体在床层颗粒 空隙间的实际 (平均) 流速。 u1 与空床流速(又称表观流速) u、空隙率 的关系：单位床层高度上的压降： 固定床流动摩擦系数床层雷诺数：康采尼（Kozeny）式：Reb 280 (Rep 1000) 时，欧根方程右侧第一项可忽略。 即流动为湍流时，压降与流速的平方成正比而与粘度无关。 4.3 固体流态化(Fluidization)(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
5、降速度ut； 颗粒静止不动，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，流化状态达到极限，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。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，随着流速增 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。 散式流态化是较理想的流化状态。 一般流-固两相密度差较小的体系 呈现散式流态化特征，如液
6、-固流 化床。 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。 颗粒分布不均匀，床层呈现两相结构，即颗粒浓度与空隙率 分布较均匀且接近初始流化状态 的连续相(乳化相)和以气泡形式 夹带着少量颗粒穿过床层向上运 动的不连续相(气泡相)。一般出现在流-固两相密度差较 大的体系，如气-固流化床。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
7、颗粒在水中流化)行为。散式流态化聚式流态化临界流化条件下的弗鲁德数，D为床径 根据流-固两相的性质及流化床稳定性理论，B.Bomero 和 I.N.Johanson 提出了如下的准数群判据： 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 ，生成的吸粉易被气体带出，加大了损失量 ；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： 颗粒粒径小，
8、流体空床气速u小； 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原因：粒径：颗粒直径小，易内聚成较大粒团； 粒子的形状与密度：球行度，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。节涌（腾涌，Slugging）： 粒径大，密度大的固体颗粒在直径小、高度大的容器中进行流化； 气泡汇合占满床层，床层波动，压降波动 床层稳定性下降，磨损严重。原因：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：腾涌与沟流都会使气固两相接触不充分、不均匀、
9、流化质量不高，使传热、传质和化学反应效率下降。恒定的压降：若流化流体为气体，则可以认为，上式可以写为：定值logPlogu图：AB段：固定床阶段， 起始流 化速度B点：颗粒开始流化 umfBC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；可由P数值的变化了解床层是否流化，稳 定性和正常性： 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
10、：B点（AB与BC段的交点）；经验关联式计算：流化床压降： 小固体颗粒固定床压降（ReP10）-科诚尼公式： （A）（B）起始流化时，（A）（B）（L=Lmf ，mf），则：说明：该式适用于ReP10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）； ，mf不知时，一般工业颗粒球形颗粒mf=0.4，则上式可写为： 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五、流化床高度及分离高度膨胀比R：密相区高度L与床层空隙率： 散式流化具有空隙
11、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。分离高度（TDH）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 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
12、。 一般，气速uTDH。广义流态化体系：对高流化数(数百)下的操作，可在床顶设置旋风分离器将随气流带出的 颗粒(ut u)回收并返回床内。 广义流态化体系：包括密相层、稀相段和颗粒输送段。广义流态化体系：例：流态化催化裂化装置：原料油高温气化后与催化剂颗粒在提升 管内形成高速并流向上的稀相输送，5 7秒即可完成原料油的催化裂解反应 。催化剂经旋风离器分离后由下行管进 入再生器，被从底部送入的空气流化再 生，停留时间约为712分钟。 4.4 气力输送 (Pneumatic transport)(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
13、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；可在输送过程中同步进 行气固两相的物理和化学加工(颗粒干燥、表面包裹、气固反应 等)。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。 气源 颗粒进料与加速段稳定输送段气固分离装置一、气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图颗粒-流体两相的流体动力学特征常表现为流型转变：影响参数：气体流速 敏感参数：输送管内的压降系统动力消耗评价 指标用来表征流型垂直气力输送管内流型 垂直气力输送： 稀相输送与
14、密相输送 均相垂直气力输送流型图 压降最低曲线 密相区稀相区“哽噎”速度 轻微 团聚 聚团 节涌 水平气力输送： 输送中重力的作用方向与流动方向垂直，使颗粒保持悬浮的不再是 曳力、而是水平流动的气流对颗粒产生的升力，因此管内流型（主要是 密相）也有所不同。 垂直气力输送管内流型 均匀稀相 颗粒堆积 “沉寂”速度 “沙丘”流 水平“拴塞” 水平气力输送流型图 “沉寂”速度 二、气力输送的类型及装置输送类型： 负压体系：一般为稀相输送 低压：100 kPa；中压：300 kPa；高压：1000 kPa 正压体系组合体系：固体颗粒加料器：需考虑颗粒特性（流动性、粘附性、易碎性、大小、形状、温度等），操作压力，是否连续加料以及加料量的控制精度等。旋转阀 文丘里管 螺旋 加料器板阀 密相脉冲 加料
