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1、第三节第三节固体流态化固体流态化一、一、概述概述二、二、床层的流态化过程床层的流态化过程三、三、流化床的类似液体的特性流化床的类似液体的特性四、四、流体通过流化床的阻力流体通过流化床的阻力五、流化床的操作范围五、流化床的操作范围六、六、流化床的主要特点流化床的主要特点七、流化床的高度与直径七、流化床的高度与直径八、气力输送简介八、气力输送简介固体流态化课件一、一、概述概述固体流态化：固体流态化：流体以一定的流速通过固体颗粒组成流体以一定的流速通过固体颗粒组成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，颗粒在流体作用下上下翻滚，类似于液体的沸腾。颗
2、粒在流体作用下上下翻滚，类似于液体的沸腾。这种状态称为固体流态化。这种状态称为固体流态化。简单来说，简单来说，固体流态化固体流态化就是固体物质流体化。就是固体物质流体化。流态化技术是近流态化技术是近5050多年发展起来的一种新技术，设多年发展起来的一种新技术，设备结构简单、生产强度大、易于实现连续化、自动备结构简单、生产强度大、易于实现连续化、自动化操作。化操作。该技术在食品工业中，主要用于该技术在食品工业中，主要用于加热加热（HeatingHeating）、）、冷却冷却( (Cooling)Cooling)、冷冻冷冻( (Freezing)Freezing)、干燥干燥( (Drying/De
3、hydration)Drying/Dehydration)、混合混合( (Mixing)Mixing)、造粒造粒( (Granulation)Granulation)、浸出浸出( (Extraction)Extraction)、洗涤洗涤( (Scrubbing/Cleaning/Washing)Scrubbing/Cleaning/Washing)等方面。等方面。固体流态化课件固体流态化的优点固体流态化的优点1、颗颗粒粒流流动动平平稳稳，类类似似液液体体，可可实实现现连连续续、自动控制；自动控制；2、固固体体颗颗粒粒混混合合迅迅速速，整整个个流流化化床床内内处处于于等等温状态；温状态；3、流体
4、与颗粒之间的传热和传质速率高；、流体与颗粒之间的传热和传质速率高；4、整个床层与浸没物体之间传热速率高。、整个床层与浸没物体之间传热速率高。固体流态化课件二、二、床层的流态化过程床层的流态化过程在在垂垂直直装装填填有有固固体体颗颗粒粒的的床床层层中中，流流体体自自下下而而上上通通过过颗颗粒粒床床层层，随随着着流流速速从从小小到到大大变变化化，床床层层将将出出现现下下述述三三种种不不同同的的状状态态，如如下图所示。下图所示。(一一)流态化现流态化现象象a.固定床；固定床；b-c-d.流化床；流化床；e.气力输送气力输送固体流态化课件(1)固定床阶段固定床阶段特点：特点：通过床层的流速低；通过床层
5、的流速低；颗粒受的曳力小，颗粒之间紧密相接，静颗粒受的曳力小，颗粒之间紧密相接，静止不动；止不动；床层高度不变；床层高度不变；u，流体通过床层的阻力流体通过床层的阻力，其关系可以用，其关系可以用欧根公式表示，如图欧根公式表示，如图(a)。固体流态化课件(2)流化床阶段流化床阶段特点：特点：当当u一一定定值值时时，(颗颗粒粒的的)曳曳力力接接近近净净重重力力（重重力力减减去去浮浮力力），或或者者流流体体通通过过床床层层的的阻阻力力接接近近单单位位截截面面床床层层的的重重量量时时，颗颗粒粒开开始始浮浮动动，但但仍仍未未脱脱离离原来的位置，如图原来的位置，如图(b)。在在此此状状态态时时，u稍稍稍稍
6、，颗颗粒粒便便互互相相离离开开，床床层层的的高高度度也也会会有有所所提提高高，则则这这时时的的状状态态称称为为起起始始流流化化状状态态或或临临界界流流化化状状态态，对对应应的的流流速速称称为为起起始始流流化化速度速度(umf)或或最小流化速度最小流化速度。固体流态化课件在临界流化状态时，继续在临界流化状态时，继续u，则颗粒间的距离增则颗粒间的距离增大，颗粒作剧烈的随机运动，这个阶段称为大，颗粒作剧烈的随机运动，这个阶段称为流化流化床阶段床阶段(沸腾床沸腾床)。在在流化床阶段流化床阶段，随流体空床流速的增加，床层高，随流体空床流速的增加，床层高度增高，床层的空隙率也增大，使颗粒间的流体度增高，床
7、层的空隙率也增大，使颗粒间的流体流速保持不变；此时流速保持不变；此时床层空隙中的流速床层空隙中的流速=颗粒的沉颗粒的沉降速度降速度，同时床层的阻力几乎保持不变，等于单，同时床层的阻力几乎保持不变，等于单位截面床层的重量。位截面床层的重量。流化床阶段还有一个特点是流化床阶段还有一个特点是床层有明显的上界面床层有明显的上界面，如图如图(c、d)所示。所示。固体流态化课件(3)气力（或液力）输送阶段气力（或液力）输送阶段特点：特点：当流体流速（空塔速度当流体流速（空塔速度u）=颗粒的沉降速度颗粒的沉降速度时，颗粒被流体带出器外，时，颗粒被流体带出器外，床层的上界面消床层的上界面消失，此时的流速称为流
8、化床的带出速度失，此时的流速称为流化床的带出速度，流，流速高于带出速度后，为速高于带出速度后，为流体输送阶段流体输送阶段，如图，如图(e)所示。所示。固体流态化课件(二二)两种不同的流化形式两种不同的流化形式（1）散式流化（液散式流化（液-固系统）固系统）固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称均匀流均匀流化或理想流化化或理想流化。特点：特点：a在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界在流化过程中有一个明显的临界流态化点和临界流化速度；流化速度；b流化床层的压降为一常数：流化床层的压降为一常数：c床层有一个平稳的上界面；床层有一个平稳的上界面；d流态化床层的空
9、隙率在任何流速下都有一个代表流态化床层的空隙率在任何流速下都有一个代表性的均匀值。不因床层内的位置而变化。性的均匀值。不因床层内的位置而变化。通常两相密度差小的系统趋向散式流化，故大多通常两相密度差小的系统趋向散式流化，故大多数液数液-固流化属于固流化属于“散式流化散式流化”。固体流态化课件（2）聚式流化（气聚式流化（气-固系统）固系统）通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如气通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如气固系统往往成为固系统往往成为聚式流化聚式流化。聚式流化床一般存在两相：聚式流化床一般存在两相：连续相：连续相：是由空隙小，而固体浓度大的气固均匀混是由空隙小，而固体浓度大的
10、气固均匀混合物构成。合物构成。气泡相：气泡相：是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相。床层的不连续相。特点：床层内各点处不再处处相等，床层无稳定的特点：床层内各点处不再处处相等，床层无稳定的上界面，上界面以某种频率作上下波动，床层压降上界面，上界面以某种频率作上下波动，床层压降也随之作相应波动。也随之作相应波动。固体流态化课件判断流化形式（判断流化形式（散式或聚式流化散式或聚式流化）的依据：）的依据：弗鲁特准数弗鲁特准数固体流态化课件三、三、流化床的类似液体的特性流化床的类似液体的特性流化床中的流流化床中的流-固运动很象沸腾着的液体，并且在固运动
11、很象沸腾着的液体，并且在很多方面表现出类似于液体的性质，如下图所示。很多方面表现出类似于液体的性质，如下图所示。固体流态化课件(1)密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面，见密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面，见图图(a)；(2)床层倾斜，床层表面仍能保持水平，见图床层倾斜，床层表面仍能保持水平，见图(b)；(3)床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式表示示(p=gL,其中其中和和L分别为床层的密度和高度分别为床层的密度和高度)，见图，见图；(4)有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出，有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出，见图见图(d)）
12、；）；(5)联联通通两两个个高高度度不不同同的的床床层层时时，床床层层能能自自动动调调整整平平衡，见图衡，见图(e)。利利用用流流化化床床的的这这种种似似液液性性，可可以以设设计计出出不不同同的的流流-固接触方式，易于实现过程的连续化与自动化。固接触方式，易于实现过程的连续化与自动化。固体流态化课件四、四、流体通过流化床的阻力流体通过流化床的阻力流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空床流流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空床流速）之间的关系可由实验测得。速）之间的关系可由实验测得。下图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力下图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力与空床气速之间的关系
13、。与空床气速之间的关系。固体流态化课件由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗粒由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗粒静止不动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与静止不动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合欧根方程；流体速度间的关系符合欧根方程；当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段，床层阻力基本上保持恒定。阶段，在此阶段，床层阻力基本上保持恒定。作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与颗粒所受的净重力（重力与浮力之差）相等，而总颗粒所受的净重力（重力与浮
14、力之差）相等，而总曳力等于流体流过流化床的阻力与床层截面积之积，曳力等于流体流过流化床的阻力与床层截面积之积，即：即：固体流态化课件式中中A-床层截面积，床层截面积，m2；L-床层高，床层高，m；-床层空隙率；床层空隙率；s-固体颗粒的密度，固体颗粒的密度，kg/m3；-流体密度，流体密度，kg/m3。式式中中AA空床截面积空床截面积,m,m2 2; ; m m床层颗粒的总质量，床层颗粒的总质量，kgkg； p p , ,分别为颗粒与流体的密度，分别为颗粒与流体的密度，kg/mkg/m3 3。固体流态化课件所以，单位高度流化床层的阻力可表示为：所以，单位高度流化床层的阻力可表示为：对于气对于气
15、- -固流化床，由于颗粒与流体的密度差固流化床，由于颗粒与流体的密度差较大，故又可近似表示为：较大，故又可近似表示为： 上上式式表表明明，气气体体通通过过流流化化床床的的阻阻力力与与单单位位截面床层颗粒所受的重力相等。截面床层颗粒所受的重力相等。 流流化化床床阶阶段段床床层层阻阻力力恒恒等等于于单单位位截截面面床床层层颗颗粒的净重力。粒的净重力。固体流态化课件五、流化床的操作范围五、流化床的操作范围(一一)临界流化速度临界流化速度umf（umf=ut）流化床的正常操作范围为气速高于临界流化速度流化床的正常操作范围为气速高于临界流化速度umf，低于颗粒的带出速度，低于颗粒的带出速度ut(即沉降速
16、度即沉降速度)。umfu1000的情况，可只考虑因局部阻的情况，可只考虑因局部阻力而造成的动能损失。力而造成的动能损失。对于球形颗粒，有对于球形颗粒，有mf=0.4，s=1.0，以上计算可进以上计算可进一步化简。一步化简。固体流态化课件对于其它许多系统，发现存在以下关系：对于其它许多系统，发现存在以下关系：对于小颗粒对于小颗粒对于大颗粒对于大颗粒(二二)带出速度带出速度颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即：颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即：注意：计算注意：计算umf时要用实际存在于床层中不同粒度颗时要用实际存在于床层中不同粒度颗粒的平均直径粒的平均直径de，而计算而计算ut
17、时则必须用相当数量的时则必须用相当数量的最小颗粒的直径。最小颗粒的直径。固体流态化课件( (三三) )流化床的操作范围流化床的操作范围流化床的操作范围即为空塔流化床的操作范围即为空塔-截面速度的上下限，用截面速度的上下限，用比值比值ut/umf的大小来衡量，称流化数。的大小来衡量，称流化数。对于细颗粒，对于细颗粒，ut/umf=91.76大颗粒，大颗粒，ut/umf=8.61由此可以看出，细颗粒流化床较粗颗粒床有更宽的由此可以看出，细颗粒流化床较粗颗粒床有更宽的流速操作范围。流速操作范围。不同的生产工艺过程中，流化数可在很大的幅度上不同的生产工艺过程中，流化数可在很大的幅度上变化，有些流化床的
18、流化数可高达数百，远远超过变化，有些流化床的流化数可高达数百，远远超过上述上述的最高理论值。的最高理论值。固体流态化课件六、流化床的主要特点六、流化床的主要特点(一一)流化床中的两相流动流化床中的两相流动床内各处温度或浓度均匀一致，避免局部过热。但床内各处温度或浓度均匀一致，避免局部过热。但传热、传质推动力下降。传热、传质推动力下降。原因原因:在同一截面各处流体速度不完全相同，颗粒在同一截面各处流体速度不完全相同，颗粒总是上下作往复循环运动；同时还作杂乱无章的不总是上下作往复循环运动；同时还作杂乱无章的不规则运动。流化床内部分流体也有相应的循环和混规则运动。流化床内部分流体也有相应的循环和混合
19、现象。合现象。(二二)流化床有类似液体的特点流化床有类似液体的特点流化床具有类似液体的流动性，故使操作易于实现流化床具有类似液体的流动性，故使操作易于实现连续化与自动化。连续化与自动化。固体流态化课件(三三)流化床的不正常现象流化床的不正常现象1、节涌现象节涌现象( (腾涌现象腾涌现象) )床高：床径的比值（长径比）过大床高：床径的比值（长径比）过大（床层为细长形），或气速过高时（床层为细长形），或气速过高时导致小气泡合并成大气泡的现象；导致小气泡合并成大气泡的现象；当气泡直径当气泡直径=床层直径时，则床层床层直径时，则床层被形成相互间隔的气泡与颗粒层；被形成相互间隔的气泡与颗粒层；颗粒层被气
20、泡向上推动，到达上部颗粒层被气泡向上推动，到达上部后气泡崩裂，而颗粒又分散下落，后气泡崩裂，而颗粒又分散下落，这种现象称为节涌现象。如图示：这种现象称为节涌现象。如图示：固体流态化课件出现节涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压出现节涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压强降大于理论值，而在气泡破裂值又低于理论值，强降大于理论值，而在气泡破裂值又低于理论值，因而因而pu图上表现为图上表现为p在理论值附近作大幅度在理论值附近作大幅度的波动的波动，如图所示：，如图所示：床层发生节涌现象时，气固床层发生节涌现象时，气固两相接触不良，且使容器受两相接触不良，且使容器受颗粒磨损加剧，同时引起设颗粒磨损加
21、剧，同时引起设备振动。备振动。防止节涌现象的措施：实际防止节涌现象的措施：实际操作中应采用适宜的床层高操作中应采用适宜的床层高度度/床径之比值，以及适宜床径之比值，以及适宜的操作气速。的操作气速。固体流态化课件2、沟流现象沟流现象在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可在床内局部地方形成沟流。此时，大量布不良，可在床内局部地方形成沟流。此时，大量气体经过局部地区的沟道上升，如图示，而床层的气体经过局部地区的沟道上升，如图示，而床层的其余部分处于固定床状态而未被流化。其余部分处于固定床状态而未被流化。 pu的的关系为关系为p低于单位面积上
22、的净重力。沟流现象的低于单位面积上的净重力。沟流现象的出现主要与颗粒的特性和气体分布板有关。颗粒过出现主要与颗粒的特性和气体分布板有关。颗粒过细、密度过大，易于粘结的颗粒，以及气体在分布细、密度过大，易于粘结的颗粒，以及气体在分布板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。沟流现象沟流现象固体流态化课件(四四)利用流化现象判断颗粒尺寸利用流化现象判断颗粒尺寸流流化化质质量量：是是指指流流化化床床中中流流体体分分布布与与流流固固接接触触的的均均匀程度。匀程度。能够进行良好流化的颗粒尺寸在能够进行良好流化的颗粒尺寸在20500m范围内。范围内。粒径小于粒径小于20m时，极易
23、形成沟流和死床难于流化。时，极易形成沟流和死床难于流化。粒径大于粒径大于500m的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。粒径在粒径在20100m的细颗粒开始时为散式流化，气速的细颗粒开始时为散式流化，气速加大到某值后出现气泡变为聚式流化。加大到某值后出现气泡变为聚式流化。80500m的粗颗粒开始不出现散式流化，而出现气的粗颗粒开始不出现散式流化，而出现气泡。泡。所以用流化现象可粗略估计颗粒尺寸。所以用流化现象可粗略估计颗粒尺寸。固体流态化课件流化床的两个主要尺寸：流化床的两个主要尺寸：q直径直径：由操作气速确定：由操作气速确定q高高度度：由由两两段段高高度度决决定定，即
24、即流流化化上上界界面面以以下下的的床床层层（也也称称浓浓相相区区），和和床床层层上上界界面面以以上上的的分分离离高高度（称为稀相区）组成。度（称为稀相区）组成。(1)流化床的直径流化床的直径确定操作气速后，即可根据气体的处理量确定流确定操作气速后，即可根据气体的处理量确定流化床所需的直径化床所需的直径D：七、流化床的高度与直径七、流化床的高度与直径 V-气体的处理量，气体的处理量，m3/s；u-流化床的实际操作气速，流化床的实际操作气速，m/s。固体流态化课件(2)床层高度床层高度（浓相区高度）（浓相区高度）流化床的浓相区高度与气体的实际速度，也即与床流化床的浓相区高度与气体的实际速度，也即与
25、床层的空隙率有关。经推导，有：层的空隙率有关。经推导，有：也可将流化床中流体流动近似看作通过具有相同空也可将流化床中流体流动近似看作通过具有相同空隙率的固定床的流体流动，则有：隙率的固定床的流体流动，则有：式中式中k是反映物系特性的系数。上式表明了流化床操是反映物系特性的系数。上式表明了流化床操作的空床气速与床层空隙率的关系。作的空床气速与床层空隙率的关系。联立上两式得：联立上两式得：固体流态化课件注意注意，以上各式只是近似地表示流化床空床气速与，以上各式只是近似地表示流化床空床气速与床层空隙率及浓相区高度之间的关系。对于床层空隙率及浓相区高度之间的关系。对于0.8的的液液-固流化床，误差不大
26、，但对于气固流化床，误差不大，但对于气-固流化床，则固流化床，则有较大的误差。有较大的误差。(3)分离高度分离高度TDH(TDH(又称稀相区又称稀相区) )q分离高度取决于：颗粒的粒度分离高度取决于：颗粒的粒度分布、密度和气体的密度、粘度分布、密度和气体的密度、粘度以及床层的结构尺寸和气速等。以及床层的结构尺寸和气速等。q目前尚无可靠的计算公式，一目前尚无可靠的计算公式，一般说气速愈大，分离高度愈大。般说气速愈大，分离高度愈大。固体流态化课件八、气力输送简介八、气力输送简介1.气力输送：气力输送：利用气体在管内流动以输送粉粒状固体利用气体在管内流动以输送粉粒状固体的方法。的方法。一、气力输送的
27、分类一、气力输送的分类(一一)按气流压强分类按气流压强分类1、吸送式、吸送式输送管中压强低于常压的输送输送管中压强低于常压的输送型式型式真空度真空度输送距离输送距离低真空式低真空式10KPa近距离的细粉尘的清扫近距离的细粉尘的清扫高真空式高真空式1050KPa50100m适用于须在输送起始处避免粉尘飞扬的场合。适用于须在输送起始处避免粉尘飞扬的场合。2、压送式、压送式输送管中压强大于常压的输送。输送管中压强大于常压的输送。型式型式表压表压状态状态距离距离低压式低压式50KPa粉状物料粉状物料近距离近距离高压式高压式可达可达700KPa大量大量长距离长距离固体流态化课件(二二)按气流中固相浓度分
28、类按气流中固相浓度分类1、稀相输送、稀相输送混合比在混合比在25（通常为（通常为0.15）以下的气力输送。气速）以下的气力输送。气速较高，固体颗粒呈悬浮状态。较高，固体颗粒呈悬浮状态。混合比混合比单位质量气体所输送的固体质量。单位质量气体所输送的固体质量。2、密相输送、密相输送密相输送又可分成密相动压和密相静压输送两种。密相输送又可分成密相动压和密相静压输送两种。密相输送时，固体颗粒呈集团状态。风量低、混合密相输送时，固体颗粒呈集团状态。风量低、混合比高，物料在管内呈流态化或柱塞状运动。比高，物料在管内呈流态化或柱塞状运动。料的破碎及管道磨损较轻，适合于水泥、塑料粉、料的破碎及管道磨损较轻，适
29、合于水泥、塑料粉、纯碱、催化剂等粉状物料的输送。纯碱、催化剂等粉状物料的输送。固体流态化课件固体流态化课件固体流态化课件固体流态化课件(三三)气力输送的特点是：气力输送的特点是：优点：优点：(1)系统密闭，可避免物料飞扬，减少物料损失，改系统密闭，可避免物料飞扬，减少物料损失，改善劳动条件；善劳动条件；(2)输送管线受地形与设备布置的限制小，在无法铺输送管线受地形与设备布置的限制小，在无法铺设道路或安装输送机械的地方选择气力输送尤为适设道路或安装输送机械的地方选择气力输送尤为适宜；宜；(3)在输送的同时易于进行物料的干燥、加热、冷却在输送的同时易于进行物料的干燥、加热、冷却等操作；等操作；(4)设备紧凑，易于实现过程的连续化与自动化，便设备紧凑，易于实现过程的连续化与自动化，便于与连续的生产过程衔接。于与连续的生产过程衔接。缺点：缺点：动力消耗大、颗粒尺寸受一定限制，在输送动力消耗大、颗粒尺寸受一定限制，在输送过程中颗粒易破碎，管壁也受到一定程度的磨损；过程中颗粒易破碎，管壁也受到一定程度的磨损；对含水量大、有粘附或高速运动时易产生静电的物对含水量大、有粘附或高速运动时易产生静电的物料不宜用气力输送，而以机械输送为宜。料不宜用气力输送，而以机械输送为宜。固体流态化课件本章小结固体流态化课件固体流态化课件
