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1、流态化技术流态化技术 中国矿业大学中国矿业大学 电力学院电力学院 China University of Mining and Technology课程性质目的和任务 本课程是面向热能与动力工程专业本科生的一门专业选修课，是流体力学、锅炉原理与技术、传热学和燃烧课程等的后继课程；也具有重要的节能环保意义，是能源工作的重要基础知识。 通过本课程的学习，熟悉和掌握流态化技术的基本原理、特点与发展前景，掌握流化床的动力学基础及两相理论、传热分析和燃烧过程，对流态化装置设计也要有一定认识，了解流态化的应用。为拓宽学生的知识面，为培养科研人员和高级工程技术人才奠定基础。2024/8/302China U
2、niversity of Mining and Technology参考书目流态化技术，江苏大学讲义。吴占松等，流态化技术基础及应用，化学工业出版社。金涌，祝京旭等，流态化工程原理，清华大学出版社。2024/8/303China University of Mining and Technology第一章第一章 流态化现象与特征流态化现象与特征2024/8/304China University of Mining and Technology 自然界自然界 ：泥砂的夹带、飞沙走石、沙尘暴：泥砂的夹带、飞沙走石、沙尘暴 定义定义：流态化是一种使固体颗粒通过与气流态化是一种使固体颗粒通过与气 体
3、或液体（流体）接触而转变成类似流体体或液体（流体）接触而转变成类似流体状态的操作。状态的操作。2024/8/305China University of Mining and Technology 生活生活： 淘米、扬簸谷物、淘金淘米、扬簸谷物、淘金 2024/8/306China University of Mining and Technology 工业工业：固体燃料：固体燃料的燃烧、煤的气化、气固相催化反应、的燃烧、煤的气化、气固相催化反应、物料干燥、固体物料的输送物料干燥、固体物料的输送 定定义义：流流态态化化是是一一种种使使固固体体颗颗粒粒通通过过与与气气 体体或或液液体体（流流体体
4、）接接触触而而转转变变成成类类似似流流体状态的操作体状态的操作。2024/8/307China University of Mining and Technology流化床流化床1921年最早出现于德国，年最早出现于德国，应用于粉煤气化。应用于粉煤气化。温克勒温克勒 (Fritz Winkler)的流化床粉煤的流化床粉煤气化，此法于气化，此法于1922年获得德国年获得德国专利。第一台煤气发生炉，高专利。第一台煤气发生炉，高13米截面积米截面积12平米平米,于于1926年年顺利投入运行顺利投入运行二战期间应用于石油催化裂化二战期间应用于石油催化裂化后广泛应用于石油、化工、冶后广泛应用于石油、化工
5、、冶炼、粮食、医药等部门炼、粮食、医药等部门2024/8/308China University of Mining and Technology流化床干燥器（沸腾床干燥器）流化床干燥器（沸腾床干燥器） 原理：流化床干燥器是流原理：流化床干燥器是流态化原理在干燥中的应用。态化原理在干燥中的应用。在流化床干燥器中，颗粒在流化床干燥器中，颗粒在热气流中上下翻动，彼在热气流中上下翻动，彼此碰撞和混合，气、固间此碰撞和混合，气、固间进行传热、传质，以达到进行传热、传质，以达到干燥目的。干燥目的。 加料加料 单层圆筒沸腾床干燥器单层圆筒沸腾床干燥器 至分离器至分离器出料出料热空气热空气分布盘分布盘202
6、4/8/309China University of Mining and Technology气体出口气体出口加料加料出料出料床内分离器床内分离器第一层第一层第二层第二层热空气热空气 多层流化床干燥器多层流化床干燥器 2024/8/3010China University of Mining and Technology2024/8/3011China University of Mining and Technology2024/8/3012China University of Mining and Technology1.1 流态化形成的过程流态化形成的过程一、流态化形成的过程一、流态
7、化形成的过程聚式流化聚式流化散式流化散式流化2024/8/3013China University of Mining and Technology1固定床阶段固定床阶段u 颗粒间仍保持紧密接触颗粒间仍保持紧密接触 床高床高Lm不变不变u气流对颗粒的曳力气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力气流对颗粒的浮力 Uc后，被带出的物料后，被带出的物料 逐渐增多，大的颗粒也被带出逐渐增多，大的颗粒也被带出l原有的床层上界面逐渐消失原有的床层上界面逐渐消失l对应的料层阻力急剧减小。对应的料层阻力急剧减小。l气流对颗粒的曳力气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力气流对颗粒的浮力 颗粒受到的重力颗粒受到的重
8、力 2024/8/3017China University of Mining and TechnologyUmf 临界流化速度临界流化速度，是指刚刚能够使固体颗，是指刚刚能够使固体颗粒流化起来的气体空床流化速度，也称最小流化粒流化起来的气体空床流化速度，也称最小流化速度。速度。Ut 带出速度带出速度，当气体速度超过这一数值时，当气体速度超过这一数值时，固体颗粒就不能沉降下来，而被气流带走，此带固体颗粒就不能沉降下来，而被气流带走，此带出速度也称最大流化速度。出速度也称最大流化速度。 流化速度流化速度U2024/8/3018China University of Mining and Tech
9、nology操作速度、操作速度、表观流速（表观流速（U U）是指假想流体是指假想流体通过流化床整个截面（不考虑堆积固体粒子）通过流化床整个截面（不考虑堆积固体粒子）时的截面平均流速（也称空塔速度或空管速时的截面平均流速（也称空塔速度或空管速度），用度），用U表示。表示。U=V/A (m/s)式中：式中：VV通过流化床的流体体积流量，通过流化床的流体体积流量，m m3 3/s/s；AA流化床的截面积，流化床的截面积，m m2 2。2024/8/3019China University of Mining and Technology划分并不严格划分并不严格2024/8/3020China Uni
10、versity of Mining and Technologyl固体颗粒可以参加化学反应 ：气化、燃烧 l不参加化学反应，如气相化学反应中的固体催化剂 l参与多种物理过程 ： 热空气干燥粮食 二、形成流态化的条件二、形成流态化的条件1.有固体颗粒存在有固体颗粒存在2024/8/3021China University of Mining and Technology2.有流体介质存在有流体介质存在 流体介质有：l热空气(用于干燥物料或使物料散开等)l一般空气(用于流态化燃烧、煤炭气化等l加重介质(矸石与煤分层分选)；l化产蒸气(如重碳氢化合物蒸气在固体催化剂作用下发生裂解反应等)。l有时流体
11、介质可能是一种以上。2024/8/3022China University of Mining and Technology3固体与流体介质在特定条件下发生固体与流体介质在特定条件下发生作用作用这些这些条件条件包括：包括：（1）固体颗粒有）固体颗粒有粒度粒度限制，如一般鼓泡床沸腾燃烧锅炉限制，如一般鼓泡床沸腾燃烧锅炉要求入料粒度要求入料粒度10mm；循环流化床要求给煤粒度；循环流化床要求给煤粒度2mm等。等。（2）流体介质应具有一定的）流体介质应具有一定的温度、压力温度、压力，保证正常流态，保证正常流态化的实现及床内反应过程的正常进行。化的实现及床内反应过程的正常进行。（3）固体颗粒与流体介质
12、在一定的）固体颗粒与流体介质在一定的空间空间内互相作用。内互相作用。2024/8/3023China University of Mining and Technology三、流态化过程具有的特点三、流态化过程具有的特点l轻小的物料颗粒容易浮起； l当容器倾斜时，流态化床层的上界面仍保持相对水平状态 l容易变形、流动，没有固定的形状 l连通器原理1.类似液体的特性（物性参数）类似液体的特性（物性参数） 2024/8/3024China University of Mining and Technology2. 2.固体颗粒的剧烈运动与迅速混合固体颗粒的剧烈运动与迅速混合固体颗粒的剧烈运动与迅速
13、混合固体颗粒的剧烈运动与迅速混合 l上下运动和左右运动l床层基本处于全混状态l温度与浓度趋于均匀 3. 强烈的碰撞与摩擦强烈的碰撞与摩擦 l颗粒之间 l颗粒与容器壁之间 优点优点：有利对流传热的，颗粒表面的更新促进加热、冷却缺点缺点：磨损较严重 2024/8/3025China University of Mining and Technology单位体积的颗粒所具有的表面积 5.气体与颗粒的接触时间不均匀气体与颗粒的接触时间不均匀 4.颗粒比表面积大颗粒比表面积大 2024/8/3026China University of Mining and Technology四、流化床的基本构造四、
14、流化床的基本构造通常的流态化装置由以下几部分组成：（1）流体分布装置(这里仅介绍气-固流态化)（2）内部构件，如挡板、受热面、搅动机械等（3）气-固分离装置，可设在床内或床出口以外, 使固体物重新回到床内；（4）进料及排料装置。2024/8/3027China University of Mining and Technology循环流化床锅炉2024/8/3028China University of Mining and Technology循环流化床锅炉的结构特点循环流化床锅炉的结构特点1、炉膛、炉膛 2、旋风分离器、旋风分离器 3、过热器、过热器 4、外置式换热器、外置式换热器 5、煤
15、仓、煤仓 6、返料装置、返料装置 7、石灰石进料口、石灰石进料口 8、灰冷却器、灰冷却器 9、省煤器、省煤器 10、空气预热、空气预热 11、除尘器、除尘器 12、引风机、引风机 13、尾部烟道、尾部烟道 14、汽包、汽包 2024/8/3029China University of Mining and Technology典型流化床组成典型流化床组成典型流化床组成典型流化床组成（1）风室风室 ，也称气体预分布器 、等压风室（2）布风板布风板，又叫布风板或气体分布器 作用 ：l具有均匀分布气流的作用。l使流态化床有一个良好的起始流态化状态。l支撑容器内固体颗粒重量，保证分布器不被堵塞和过快磨
16、蚀。（3）容器容器 ，对燃烧而言，就是燃烧室、炉子2024/8/3030China University of Mining and Technology2024/8/3031China University of Mining and Technology2024/8/3032China University of Mining and Technology五、流态化过程中的不正常现象五、流态化过程中的不正常现象1沟流（channel flow)定义：又称穿孔现象，指料层不均匀或气体介质分布不均匀时，在容器内由固定床向流化床转化的初始阶段，气流可能从阻力较小的“通道”处通过，形成气流短路的现
17、象 沟流沟流2024/8/3033China University of Mining and Technology(1)局部沟流局部沟流(2)贯穿沟流贯穿沟流 (3)引起沟流的主要原因有引起沟流的主要原因有 :l布风装置设计不当，导致布风不均匀；l料层筛分不合理，粉末太多或太少；l料层过薄或水分较大，容易引起颗粒粘连；l气流速度偏小等2024/8/3034China University of Mining and Technology2024/8/3035China University of Mining and Technology危害：危害：产生产生死床死床，造成催化剂烧结，降低催，
18、造成催化剂烧结，降低催化剂使用寿命，降低转化率和生产能力化剂使用寿命，降低转化率和生产能力消除方法消除方法：加大气速；干燥颗粒；加内部构：加大气速；干燥颗粒；加内部构件；改善分布板。件；改善分布板。2024/8/3036China University of Mining and Technology2.腾涌腾涌 （slugging)（1）定义）定义：当床层内气泡汇合到大小接近床截面时，床内料层：当床层内气泡汇合到大小接近床截面时，床内料层可能会分成几段，形成气塞像活塞似地运动。当大气泡破裂可能会分成几段，形成气塞像活塞似地运动。当大气泡破裂时，大颗粒下落，细小的物料可能会被气流带走，这种现象
19、时，大颗粒下落，细小的物料可能会被气流带走，这种现象就是腾涌，也叫节涌就是腾涌，也叫节涌（2）害处）害处：气：气固接触不良；固接触不良； 器壁磨损加剧；器壁磨损加剧； 设备振动设备振动（3）原因：）原因： 布风板设计不良布风板设计不良，如风帽尺寸不合适，风帽开孔率不当等如风帽尺寸不合适，风帽开孔率不当等； 流化床直径太小流化床直径太小，（，（L/D)较大时，易产生腾涌。较大时，易产生腾涌。 筛分不均匀筛分不均匀等 腾涌腾涌2024/8/3037China University of Mining and Technology2024/8/3038China University of Mini
20、ng and Technology3. 3.分层分层分层分层 定义：当床内物料筛分范围较宽，粗颗粒和细颗粒较多，中当床内物料筛分范围较宽，粗颗粒和细颗粒较多，中间大小的颗粒较少时，在气流作用下，细小物料颗粒被间大小的颗粒较少时，在气流作用下，细小物料颗粒被吹到床层上部，粗大颗粒沉积在下部，形成物料的分层吹到床层上部，粗大颗粒沉积在下部，形成物料的分层现象现象 主要原因 ： 颗粒的筛分颗粒的筛分 容器设计不当容器设计不当 分层分层2024/8/3039China University of Mining and Technology4.气泡气泡 缺点：缺点：气固间接触不好，使催化反应或非催化的气
21、固反应效率气固间接触不好，使催化反应或非催化的气固反应效率降低。降低。床层高时，容易产生大气泡，在床层加设内部构件避免大床层高时，容易产生大气泡，在床层加设内部构件避免大气泡。气泡。气泡气泡2024/8/3040China University of Mining and Technology六、气六、气-固流化床的一般性评价固流化床的一般性评价1良好的床层均温性良好的床层均温性 上下或左右方向的温度梯度均在1020之内 固体颗粒的热容量比相同体积气体的热容量高1001000倍 2较高的传热传质速率较高的传热传质速率 3输送能力大输送能力大 4可利用或加工粉末状物料可利用或加工粉末状物料 20
22、24/8/3041China University of Mining and Technology不足 ：（1）固体物料的停留时间不均匀）固体物料的停留时间不均匀（2）气流分布不均会影响气）气流分布不均会影响气-固接触效率固接触效率 （3）颗粒磨损与设备磨损严重）颗粒磨损与设备磨损严重 2024/8/3042China University of Mining and Technology1.2 流态化的状态流态化的状态 及其它流态化形式及其它流态化形式 一、流态化状态与判别准则一、流态化状态与判别准则聚式流态化聚式流态化aggregative fluidization散式流态化散式流态化d
23、ispersed fluidization1聚式流态化聚式流态化（不均匀流化床，气体流化床）（不均匀流化床，气体流化床）水水-铅铅气泡相气泡相bubble phase：就是内部几乎没有固体：就是内部几乎没有固体颗粒，仅颗粒，仅在其在其边壁边壁或或 外表面外表面 有固体颗粒环绕的运动空间有固体颗粒环绕的运动空间 乳化乳化相相emulsion phase：指的是固体颗粒与气体：指的是固体颗粒与气体介质的介质的 混合混合区域区域2024/8/3043China University of Mining and Technology2散式流态化散式流态化（均匀流化床，液体流化床） 当当液液-固固系统流
24、态化介质的流动速度超过流态化对应系统流态化介质的流动速度超过流态化对应的临界速度以后，床层可以连续膨胀，以致固体颗粒间的的临界速度以后，床层可以连续膨胀，以致固体颗粒间的距离几乎平均或同步增加，形成颗粒与介质均匀分布的状距离几乎平均或同步增加，形成颗粒与介质均匀分布的状态。这就是散式流态化。态。这就是散式流态化。 气气-固固系统的散式流态化系统的散式流态化 ：颗粒密度低、粒度较小，：颗粒密度低、粒度较小，流速不高，气体量也不是很大流速不高，气体量也不是很大 空气空气-多孔树脂多孔树脂2024/8/3044China University of Mining and Technology2024
25、/8/3045China University of Mining and Technology3 3流态化类型的判别流态化类型的判别流态化类型的判别流态化类型的判别(1)方法一：威海姆方法一：威海姆( Wilhelm)和郭慕孙和郭慕孙(Cuo Mosun)方法。方法。 2024/8/3046China University of Mining and Technology郭慕孙郭慕孙 中国科学院院士 广东潮州人。1920年5月9日 化学工程学家。1943年毕业于沪江大学。1945年5月赴美国普林斯顿大学研究生院进修化工，1946年10月获硕士学位。在普林斯顿，他在R威廉（Wilhelm）教授
26、指导下进行流态化研究，共同撰文固体颗粒的流态化，发表于1948年美国化工进展。这篇论文对液-固和气-固体系进行了共同关联，指出两体系截然不同的行为，命名为“散式”和“聚式”，并列出了大量实验数据。长期以来，此文在流态化领域中被广泛引用。 为中国科学院化学部学部委员。曾任中国科学院化工冶金研究所研究员、所长、名誉所长 2024/8/3047China University of Mining and Technology(2)(2)方法二：约翰逊方法二：约翰逊方法二：约翰逊方法二：约翰逊(Johnson)(Johnson)和罗迈洛和罗迈洛和罗迈洛和罗迈洛(Romero)(Romero)稳定性方稳
27、定性方稳定性方稳定性方程判别法程判别法程判别法程判别法 2024/8/3048China University of Mining and Technology【例例1-1】试确定用高压饱和蒸气做流化介质时，煤粉所形成试确定用高压饱和蒸气做流化介质时，煤粉所形成的流态化的形态。的流态化的形态。已知：已知：【解解】查表得：查表得：p=210.54105Pa时，饱和蒸汽密度时，饱和蒸汽密度2024/8/3049China University of Mining and Technology说明压力很高的情况下，气体是可以形成散式流态化的。但是，在通说明压力很高的情况下，气体是可以形成散式流态化的
28、。但是，在通常情况下常情况下p/t很大很大,导致导致 , 一般一般情况下大于情况下大于100,所以在常压情况下所以在常压情况下,气体流化床很难形成散式气体流化床很难形成散式流态化流态化.2024/8/3050China University of Mining and Technology二、其它流态化系统二、其它流态化系统1喷流态化系统喷流态化系统(spout -fluid bed) 即在流化床的下部，单独设一喷动气体管路，由该管路喷出的气体在即在流化床的下部，单独设一喷动气体管路，由该管路喷出的气体在剧烈运动的流化床中犹如一处中心喷泉或射流，使固体物料形成围剧烈运动的流化床中犹如一处中心喷
29、泉或射流，使固体物料形成围绕绕“喷泉喷泉”翻滚而有规律的循环运动。翻滚而有规律的循环运动。 喷动喷动-流化床示意图流化床示意图 2024/8/3051China University of Mining and Technology优点：优点： 克服流化床克服流化床分层或腾涌分层或腾涌的缺点，能够在的缺点，能够在很宽的流速很宽的流速范围以及范围以及高径比较大高径比较大的床层条件下实现良好的物料循的床层条件下实现良好的物料循环运动环运动 应用：应用： 目前已在目前已在煤的气化及油的蒸气裂解煤的气化及油的蒸气裂解等等方面应用方面应用 已有的试验研究表明，在喷动已有的试验研究表明，在喷动流态化床中单
30、位体积的流态化床中单位体积的原油处理量比一般流化床原油裂解反应器高原油处理量比一般流化床原油裂解反应器高20一一40倍。因倍。因而这是一种很有前途的气而这是一种很有前途的气固或液固或液固接触方法固接触方法2024/8/3052China University of Mining and Technology2多层流态化床多层流态化床 定义：定义：在传统的单层气在传统的单层气-固流态化系统的基础上，在固流态化系统的基础上，在床内不同高度设置床内不同高度设置多块多块气体布风板，将床层气体布风板，将床层分分成多段成多段区域，这就构成了多层流态化床区域，这就构成了多层流态化床 l 该床既可以保持原单层
31、床的诸多优点该床既可以保持原单层床的诸多优点(如床层如床层均温均温 性、传热性能优越等性、传热性能优越等)l 在一定程度上在一定程度上抑制抑制床内气体与颗粒的混合，床内气体与颗粒的混合，改善气、固相的改善气、固相的滞留时间滞留时间分布分布l 可借助流化介质的再分布，使可借助流化介质的再分布，使大气泡变小大气泡变小，降低扩散阻力，提高传质、传热速率降低扩散阻力，提高传质、传热速率。 优点：优点： 2024/8/3053China University of Mining and Technology3快速流态化快速流态化定义：定义： 在普通的气在普通的气-固鼓泡或聚式流态化床的基础上，固鼓泡或聚
32、式流态化床的基础上，将固体颗粒的将固体颗粒的给料粒度给料粒度控制在比较小的范围控制在比较小的范围适当适当提高提高气体介质的气体介质的操作速度操作速度将床的将床的高径比高径比增大增大介质介质夹带夹带的固体颗粒量较大的固体颗粒量较大 这这就形成快速流态化。就形成快速流态化。2024/8/3054China University of Mining and Technology特点：特点：u用于快速流态化操作的固体颗粒一般用于快速流态化操作的固体颗粒一般粒度较细粒度较细；平均粒径；平均粒径在在100um以下，以下，A类颗粒类颗粒u操作气速较高操作气速较高，可达到颗粒自由沉降速度，可达到颗粒自由沉降速度Ut的的515倍；倍；u操作气速很高，固体的操作气速很高，固体的夹带量很大夹带量很大，然而由于颗粒返回床，然而由于颗粒返回床层的再循环量也很大、因而床层仍可保持较高的床密度；层的再循环量也很大、因而床层仍可保持较高的床密度；u快速流态化床中快速流态化床中不存在不存在鼓泡床中的鼓泡床中的定形气泡定形气泡，因为沿整个，因为沿整个横截面床密度分布均匀，气相返混小或不返混，并且气横截面床密度分布均匀，气相返混小或不返混，并且气团团接触良好，因此可严格控制反应时间，是快速加工过程中较接触良好，因此可严格控制反应时间，是快速加工过程中较理想的理想的操作状态。操作状态。2024/8/3055
