流化床的基本原理

.,將大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體之中，從而使顆粒具有類似于流體的某些表觀特性，這種流固接觸的狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。這種床層稱為流化床。反應(yīng)器、焙燒爐、干燥器等,重力場(chǎng)中，顆粒處于流體介質(zhì)中，顆粒與介質(zhì)之間的相對(duì)速度ut（設(shè)是層流狀態(tài)，并規(guī)定重力的方向?yàn)檎?。?與流體介質(zhì)運(yùn)動(dòng)與否沒(méi)有關(guān)系。,如果流體介質(zhì)靜止，則顆粒垂直向下的運(yùn)動(dòng)速度就是ut。,流化床的基本原理,為什么顆粒能夠懸浮于流體中呢？這要從顆粒的沉降速度、流體的運(yùn)動(dòng)速度分析起。,.,如果顆粒鄰近的流體介質(zhì)以方向向上的流速u1運(yùn)動(dòng)起來(lái)，則顆粒的絕對(duì)速度（表觀速度）（以固定點(diǎn)為參照點(diǎn)）up(規(guī)定向上的方向?yàn)檎?u1,顆?？障吨辛黧w的實(shí)際流速u1。顆粒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度up，床層表觀流速u，即空床流速。其關(guān)系：考察單位床層截面上流體的體積流量：,空隙率即等于橫截面上空隙面積的分率。,.,（1）固定床階段,隨著上升流體流量的增大，u1增大，當(dāng)達(dá)到u1=ut時(shí)，顆粒的表觀速度up=0。當(dāng)u1稍微大于ut時(shí)，顆粒便會(huì)上升，發(fā)生由固定床向流化床的轉(zhuǎn)化。,顆粒的直徑一定，在流體介質(zhì)中的沉降速度ut一定。,.,保持固定床狀態(tài)的最大空床氣速umax,床層形態(tài)由固定床向流化床轉(zhuǎn)換的臨界條件：,umax為維持固定床狀態(tài)的最大表觀氣速。,起始流化速度：umf=umax,如果是均一的顆粒，其ut可以計(jì)算出,.,當(dāng)流體的空床流速uumf時(shí)，則出現(xiàn)u1ut,即up0，則顆粒向上運(yùn)動(dòng)。同時(shí)引起床層空隙率的改變（增加）。床內(nèi)的顆粒將“浮起”，顆粒層將“膨脹”，床內(nèi)空隙率增大。,起始流化速度：umf=umax此時(shí)u1=ut,（2）流化床,如為均勻顆粒，其ut已知,.,出現(xiàn)暫時(shí)的顆?；芈洮F(xiàn)象，又出現(xiàn)床層空隙率減小。,顆粒再次上升，床層又膨脹，空隙率再次增大。當(dāng)床層膨脹到一定程度，空隙率穩(wěn)定在某一數(shù)值上，空隙中流體的流速u1穩(wěn)定于顆粒的ut時(shí)，顆粒懸浮于流體中，便形成了流化床。,（2）流化床,隨著流體流量的增加和空隙率的減小，又出現(xiàn),因此，在流化床的范圍內(nèi)，每一個(gè)表觀氣速u對(duì)應(yīng)一個(gè)空隙率，表觀氣速越大，空隙率也越大。只要顆粒懸浮狀態(tài)，表明流體通過(guò)空隙時(shí)的實(shí)際速度u1不變，始終為顆粒的ut。,.,（2）流化床,需要特別指出的是，流化床原則上應(yīng)有一個(gè)明顯的上界面。在此界面之下的顆粒，u1=ut。假設(shè)某個(gè)懸浮的顆粒由于某種原因離開(kāi)了床層而進(jìn)入界面以上的空間，在該空間中（=1.0）該顆粒的表觀速度u即為其真實(shí)速度u1u=u1ut故顆粒必然回落到界面上。,由此可見(jiàn)，流化床存在的基礎(chǔ)是大量顆粒的群居。群居的大量顆?？梢酝ㄟ^(guò)床層的膨脹以調(diào)整空隙率，從而能夠在一個(gè)相當(dāng)寬的表觀速度范圍內(nèi)懸浮于流體之中。這就是流化床之可能存在的物理基礎(chǔ)。,.,很顯然，如果將流體的流量（流速）逐漸減小，則將由流化床轉(zhuǎn)化為固定床。,如果流體（氣體）流量繼續(xù)增加，始終出現(xiàn)u1ut的關(guān)系，始終up0，則顆粒被帶出床外，此時(shí)，稱為顆粒輸送階段。此時(shí)的流體表觀速度u稱為帶出速度。在帶出狀態(tài)下床截面上的空隙率即認(rèn)為是1.0，此時(shí)u=u1。顯然，帶出速度u數(shù)值上等于ut。據(jù)此原理，可以實(shí)現(xiàn)固體顆粒的氣力輸送或液力輸送。,流化床的操作范圍：umfut,（3）顆粒輸送階段,.,三、Reh氣-固兩相接觸操作圖,1、顆粒的阻力與顆粒的有效重力比值范圍示意圖,2、Reh氣固兩相操作圖,二、懸浮顆粒的阻力系數(shù),.,回顧與總結(jié),固定床流速較低時(shí)，顆粒靜止不動(dòng)，流體只在顆粒之間的縫隙中通過(guò)料層高度不變實(shí)際流速線形增長(zhǎng)通風(fēng)阻力隨風(fēng)速的平方關(guān)系增大,2.流化床顆粒不再由布風(fēng)板所支持，而全部由流體的摩擦力所承托。此時(shí)，對(duì)于單個(gè)顆粒來(lái)講，可在床層中自由運(yùn)動(dòng)；就整個(gè)床層而言，具有了許多類似流體的性質(zhì)流態(tài)化。此時(shí)：料層膨脹，床高增加顆粒間實(shí)際空氣流速保持不變料層阻力變化不大，由托起的顆粒質(zhì)量決定,.,5.3流態(tài)化特征與Geldart顆粒分類,5.3.1流態(tài)化的基本特征5.3.2最小流態(tài)化速度5.3.3最小鼓泡速度5.3.4流態(tài)化氣泡特征5.3.5Geldart顆粒分類,.,5.3.1流態(tài)化的基本特征,流態(tài)化曲線床層孔隙率（或床層高度）、壓降與流體表觀流速的關(guān)系曲線。,.,流體通過(guò)流化床的阻力流體通過(guò)顆粒床層的阻力與流體表觀流速（空床流速）之間的關(guān)系可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。圖是以空氣通過(guò)砂粒堆積的床層測(cè)得的床層阻力與空床氣速之間的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，最初流體速度較小時(shí)，床層內(nèi)固體顆粒靜止不動(dòng)，屬固定床階段，在此階段，床層阻力與流體速度間的關(guān)系符合歐根方程；當(dāng)流體速度達(dá)到最小流化速度后，床層處于流化床階段，在此階段，床層阻力基本上保持恒定。,.,1、有明顯的臨界流態(tài)化點(diǎn)和臨界流態(tài)化速度;2、流態(tài)化床層的壓降為一常數(shù);,3、有平穩(wěn)的流態(tài)化界面;4、流態(tài)化床層的空隙率在任何流速下,都具有一個(gè)代表性的均勻值,不因床層內(nèi)的位置而變化。,理想流化床的特點(diǎn):,.,實(shí)際流化床的特點(diǎn):,固定床與流化床分界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流體表觀流速。,請(qǐng)同學(xué)們總結(jié)出實(shí)際流化床的特點(diǎn)？,臨界流態(tài)化速度,.,臨界流化狀態(tài)（速度）流體的流速達(dá)到顆粒受到的阻力=重力-浮力顆粒懸浮在流體中,床層壓降的理論值,5.3.2最小流化速度,確定方法可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，即通過(guò)p-u關(guān)系曲線確定?？捎媒朴?jì)算法求得量綱分析或相似理論法。1、細(xì)顆粒2、粗顆粒3、有不良流態(tài)化現(xiàn)象發(fā)生時(shí),.,根據(jù)第4章中的歐根方程，對(duì)于小顆粒(Rep20）又可以利用固定床壓降的計(jì)算式（5-32）,（1）流化床的壓降,（2）固定床的壓降,此時(shí)，床層壓降既符合固定床計(jì)算式，又符合流化床計(jì)算式。,設(shè)流化床的床層高度為L(zhǎng)，床層空隙率為，則此時(shí)，床層壓降既符合固定床計(jì)算式，又符合流化床計(jì)算式。,流化床的操作范圍,1、起始流化速度umf,.,5.3.3最小鼓泡速度,.,氣泡的尾渦與尾跡1、氣泡的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)與顆粒的性質(zhì)、風(fēng)板、流化床的尺寸有關(guān)；2、相同的顆粒，相同的流化速度、相同的深寬比具有相同氣泡與顆粒流型；3、尾渦與尾跡的產(chǎn)生,常見(jiàn)的三種氣泡尺寸定義(1)投影尺寸db；(2)氣泡弓玄尺寸dbh；(3)體積尺寸dbv；,5.3.4流態(tài)化氣泡特征,氣泡的尺寸與速度(1)床層高度增加，氣泡增加；(2)流態(tài)化速度增加，氣泡增加；(3)氣泡間存在合并長(zhǎng)大過(guò)程，同時(shí)大氣泡可分裂為許多小氣泡；(4)流化床存在最大平衡氣泡尺寸,.,氣泡暈,單個(gè)氣泡：頂部球形，尾部?jī)?nèi)凹。在尾部由于壓力比近旁稍低，使一部分粒子被卷了進(jìn)去。形成局部渦流尾渦,在氣泡上升途中，不斷有一部分粒子離開(kāi)這一區(qū)域，另一部分粒子又補(bǔ)充進(jìn)去。這樣，就把床層下部的粒子夾帶上去，促進(jìn)了整個(gè)床層粒子的循環(huán)和混合。所以氣泡是床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。,氣泡外形成一層不與乳相中流體相混合的區(qū)域。這一層為氣泡云，在其中，氣泡內(nèi)的氣體與固體顆粒獲得了有效的接觸，得到反應(yīng)。氣泡越大，氣泡的上升速度越快，氣泡云也就越薄，氣泡云的作用也就減弱。,氣泡云和尾渦都在氣泡之外，可合稱為泡暈。,.,1、是床層運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，加劇氣-固兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)；,2、造成床層內(nèi)顆粒的劇烈攪拌，使流化床具有很高的顆粒與氣體、床料與表面的換熱速率，因此流化床具有等溫的特征；,4、降低流化床氣固接觸效率；,5、上升到床層表面破碎時(shí)，將大量顆粒拋入床層上方，使流化床顆粒損失。,.,5.3.5Geldart顆粒分類,.,5.4流化態(tài)技術(shù)的應(yīng)用,一、流態(tài)化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用,1、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程濕法冶金中：流態(tài)化浸出和洗滌、流態(tài)化離子交換火法冶金：沸騰焙燒（ZnS精礦）沸騰氯化（鈦鐵礦精礦）,2、物理過(guò)程：顆粒分級(jí)流態(tài)化洗滌流態(tài)化干燥（噴霧干燥）物料輸送：最典型的是顆粒物料的氣力