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1、19:46:36,流态化原理及应用,Principle and Application of Fluidization,主讲：周勇敏,19:46:36,第一章 绪论,1.1、流态化的基本概念及发展历史 1.1.1 流态化（Fluidization)的基本概念:,固体流态化的简称，即依靠流体流动的作用使固体颗粒悬浮在流体中或随流体一起流动的过程。,普通应用于： （1）固体燃料的燃烧 （2）煤的气化与焦化 （3）化工生产中的气固相催化反应 （4）物料干燥、加热与冷却 （5）吸附和浸取 （6）固体物料的输送等,19:46:36,1.1.2 流态化的发展历史,淘金、冶炼、淘米、扬簸等都可看成是流态化技
2、术在生产和生活中的应用。,1922年： Fritz Winkler(德国科学家）获得流态化气化炉的专利； 1926年： Fritz Winkler在洛伊纳（Leuna）建成第一台实用的常压流化床气化发生炉，用于煤的气化，实现了流态化的首次工业化应用。,19:46:36,1.1.2 流态化的发展历史(续）,上世纪40年代：美国麻省理工学院(MIT)和美孚石油公司(SODCo.)率先推出了流态化催化裂化装置(FCC)以取代传统的固定床法(Houdry)生产。 第一台工业化规模的SODI型流化催化裂化装置于1942年建成。该装置采用石油蒸气为流态化介质。使催化剂粒子呈流态化运动，设备的传热效果明显改
3、善，结构更为简化，处理能力大大增加。,从40年代中期开始，美国和加拿大等地出现了流态化焙 烧装置，用于黄铁矿、石灰石等物料的焙烧或煅烧。,1955年 南京化学工业公司采用流态化技术焙烧黄铁矿生产SO2并制造H2SO4。,19:46:36,1.1.2 流态化的发展历史(续）,1957年：我国在辽宁葫芦岛采用流态化装置培烧精锌矿以生产ZnO和SO2，获得成功。,50年代中期，采用新型的全沸腾风帽式流态化技术用于固体煤颗粒的燃烧，获得良好的效果。在燃烧技术领域，往往称这种全风帽式沸腾燃烧炉为“第一代沸腾炉”。,1975年，原西德鲁奇Lurgi)公司在第一代风幅式全沸腾炉(也称鼓泡床燃烧炉)的燃烧装置
4、中引入炉外分离装置，使燃烧效率大大提高，这就是第二代沸腾炉一循环床沸腾燃烧锅炉。设置的分离装置可较好地实现气、固分离，使未燃尽的固体颗粒得以重新回到沪内燃烧因而燃烧效率大大提高。,19:46:36,1.1.2 流态化的发展历史(续）,1979年，芬兰生产出第一台20t/h的商业化的循环流化床锅炉实现了循环流化床的工业应用。几乎同时，原西德的鲁奇公司与拨伯葛(Babcock)公司联合研制的270th循环流化床锅炉在燃料适应性、燃烧效率、脱硫效率、固氮效率、负荷调节宽度等方面均取得了惊人的成功，解决了流态化燃烧装置的大型化问题，使流态化燃烧技术成为较有前途的清洁、高效的固体燃料燃烧技术。,我国自1
5、964年开始流态化燃烧技术的研究工作； 1965年开始工业应用； 80年代以来，我国也开始重视循环床燃烧技术的研究工作； 1988年11月35th循环床沸腾沪在山东明水热电厂投运。,19:46:36,气力输送 Pneumatic Transport,1.2、 气固流态化的形成,1.2.1 流态化过程,lnu,ln（p）/ln（H）,固定床 Fixed Bed,流化床 Fluidized Bed,umf,19:46:36,1.2、 气固流态化的形成,固定床阶段 流态化阶段 气力输送阶段,流态化形成的三个阶段：,介绍上述三个阶段前的几个概念：,2、床层高度 固定床或流化床内固体物料的高度。,1、空
6、隙率,19:46:36,1.2、 气固流态化的形成,固定床阶段 空隙率不变； 床层高度不变； 床层压降随表观气速（空塔速度）的增加而增大。 流化床阶段 空隙率增大； 床层高度增大； 床层压降在表观气速的增加时保持恒定不变。 气力输送阶段 空隙率进一步增大； 床层界面逐渐消失； 床层压降随表观气速的增加而减小。,气体对颗粒的曳力浮力 颗粒自身重力,气体对颗粒的曳力浮力 颗粒自身重力,气体对颗粒的曳力浮力 颗粒自身重力,19:46:36,1.2、 气固流态化的形成,1.2.2 流态化实现要素及特点,1、实现要素,固体颗粒的存在； 流体（气体或液体）的存在； 固体与潦体介质在特定条件下发生作用。 固
7、体颗粒粒度要求； 具有合适的温度和压力，保证流态化的稳定； 固体颗粒与流体在一定空间（流化床）内相互作用,19:46:36,1.2、 气固流态化的形成,1.2.2 流态化实现要素及特点,2、特点,主要优点,主要缺点,气固接触比表面积大，物理与化学过程速率高； 床内温度、浓度等参数非常均匀稳定； 由于具有流动性，非常容易实现连续操作； 床内传热传质速率高； 设备结构简单、造价低，运行安全可靠。,气固两相系统复杂，工程放大难度高； 鼓泡床操作时产生的大气泡容易形成气体的短路； 床内返混明显，停留时间分布对连续生产时提高转化率不利； 容易造成设备的磨损； 需具有效率较高的收尘装置。,19:46:36
8、,（1）具有象液体一样的浮力,（2）保持表面水平,（3）象液体一样流动,（4）连同容器中表面一致的趋势,1.2、 气固流态化的形成,1.2.2 流态化实现要素及特点,2、特点之类似流体的特性,19:46:36,流化床结构示意图,旋风分离器,扩大段,料腿,内构件,布风板,自由空间,换热装置,1.2、 气固流态化的形成,1.2.3 流态床的基本结构,风室（预分布器） 气体分布板 自由段和扩大段 旋风分离器和料腿 内部构件,风室,19:46:36,1.2、 气固流态化的形成,1.2.3 流态床的基本结构,（1）风室,作用：就是使气体介质压力均匀稳定，实现气体介 质的预分配。,结构：倒锥形或渐缩形,1
9、9:46:36,1.2、 气固流态化的形成,1.2.3 流态床的基本结构,（2）布风板/分布板（Distributor）,作用： 1）具有均匀分布气流的作用； 2）使流态化床有一个良好的流态化状态，保证在分布板附近有良好的气固接触条件，使所有固体颗粒都进入良好的流态化状态。这需要从选择分布板的结构、型式、气体介质的喷出速度等方而加以保证； 3）支撑流化床内固体物料。,19:46:36,1.2、 气固流态化的形成,1.2.3 流态床的基本结构,（2）布风板/分布板（Distributor）,典型结构：,（a）填料式分布板 （b) 凹形分布板 （c）直孔泡帽式分布板,19:46:36,1.2、 气
10、固流态化的形成,1.2.4 不正常流化现象,（1）沟流,又称穿孔现象，指料层不均匀或气体介质分布不均匀时，在容器内固定床向流化床转化的初始阶段，气流可能从阻力较小的“沟道”处通过，形成气流短路的现象,有局部沟流和贯穿沟流两种情况。,引起沟流的主要原因有： （1）布风装置设计不当，导致布风不均匀； （2）料层筛分不合理粉末太多或太少； （3）料层过薄或水分太多，容易导致颗粒粘结； （4）气流速度偏小。,19:46:36,1.2、 气固流态化的形成,1.2.4 不正常流化现象,（2）腾涌,当床层内气泡汇合至接近床截面时，床内战层可就会分成几段、形成气塞(见图)，似活塞似地运动。当大气泡破裂时大颗粒
11、下落，细小的物料可能会被气流带定，这种现象就是腾捅，也叫节涌。,导致腾涌的原因可能有： （1）布凤板设计不良，如风帽尺寸不合适，风帽开孔率不当等； （2）流化床高径比较大； （3）筛分不均匀，颗粒偏大； （4）料层太薄或布风不均匀等。,19:46:36,1.2、 气固流态化的形成,1.2.4 不正常流化现象,（3）分层,当床内物料筛分范围较宽，粗颗粒和细颗较较多中间大小的颗粒较少时，在气流作用下，细小物料颗粒被收到床层上部，粗大颗粒沉积在下部，形成物料的分层现象,产生分层现象的原因主要与筛分分布有关。此外，如容器设计成漏斗状(上大下小)也易引起分层，因为气流速度自下而上会变小。,19:46:3
12、6,1.2、 气固流态化的形成,1.2.4 不正常流化现象,（4）气泡,导致气泡过大或分布不均的原因主要是布风扳的设计质量与容器高径比的设计。,19:46:36,1.3、 流态化的分类,1.3.1流态化分类依据,流化质量（Fluidization quality）,流化床内床层分布的均匀性，即固相在床内分布的均匀程度,1.3.2流态化分类,（1）聚式流态化（Aggreative fluidization）,（2）散式流态化（Particulate fluidization）,固相均匀地分布于床层内，通常液固系统较容易形成。其流化质量较高。,对于气固系统，当气体速度大于起始流化速度后，多余的气体
13、会产生气泡，并很快通过流化床，此时成为聚式流态化。 聚式流态化中存在气泡相（bubble phase）或称稀相（lean phase）以及颗粒相（particulate phase）或称密相（dense phase）、乳化相（emulsion phase）。,19:46:36,1.3、 流态化的分类,1.3.2流态化分类方法,（1)方法一；即威淘姆(wilhelm)和郭获孙(Guo Mosun)方法,19:46:36,1.3、 流态化的分类,1.3.3流态化分类方法,（2)方法二：即约翰逊(Johnson)和罗迈洛(Romero)稳定 性方程判别法。,19:46:36,第二章 流态化的流体力学特性,2.1、流态床的流动特性 2.1.1 流化床压降与流速的关系,Wen & Yu研究后发现:,其余经验关联式参考流态化工程原理相关内容,umf起始流化速度（或最小流化速度/临界流化速度）（minimum fluidization velocity）,由Ergun公式得到：,
