流體化和流體化床熱傳導

1、991 化工實驗（一）實驗四流體化和流體化床熱傳導Fluidization and Fluidized Bed Heat Transfer一、實驗目的1. 探討粉粒體流體化時壓降與表面速度之關係。2. 瞭解粉粒體流體化之熱傳性質。二、原理工業(yè)中屢有流體通過多孔床 (porous medium)或粒子床 (packed bed)之操作，藉流體與粉體間密切接觸完成反應，如：催化反應器與氣體吸收塔，目的在增加反應面積或吸收面積。而流體化床效率遠比多孔床大，惟流體化床造成的壓降，易使粒子破損，為其缺點。固體流體化之另一用途為利用流體輸送粒子。有別於固定床，流體化床乃利用流體的拖曳力，代替支撐粉體的鐵柵

2、格板，當粉體配合流體浮動時，粒子間的接觸面積相對減少，增加了異種粒子的接觸而使混合更趨完美。流體化過程會產生類似液體沸騰時之氣泡，氣泡上升至破裂，造成一股強力的擾動混合力，造成床面呈波紋狀。一完全之流體化床，由於氣體與粉粒體間已完全混合且具有最大的接觸面積，故兩相間之溫度差異很小。氣體離開時的溫度幾乎接近流體化床溫度。將一不同於流體化床溫度的物體，浸入於床內後，和僅有物體、氣體時的熱傳速率相比較，浸入於床內者通常大於後二者。此乃界面層妨礙熱傳，當界面層被連續(xù)的熱 (或冷 )粒子滲透時，粒子會與物體做物理接觸，提高熱傳。流體流經一管柱狀粒子床時，即承受一拉力且發(fā)展為一壓降，此壓降隨表面速度 (s

3、uperficial velocity) 增加而增加。表面速度乃流體流經空管之速度，慣用於流體床實驗；要使流體床不受約束，並使流體能由下往上通過床體，需增加流體速度。最先，拉力造成流體床之膨脹，當流速繼續(xù)增至某定值，則上升力足夠支撐床內粒子重量，此時床體稱為流體化床。流體化床中流體與粒子系統(tǒng)表現(xiàn)出似流體之特性。當流速增至最大時，橫越流體床之壓降 ( P， N/m2)，呈現(xiàn)一固定常數，相當於單位面積床體的重量。Fg FbSbM)g( pp Sb(1)(2)其中Fb、Fg：作用於固體粒子之浮力、重力 (N)1991 化工實驗（一）M：固體粒子的質量 (kg)、 p：流體、固體粒子的密度 (kg/m

4、 3) Sb：流體床的截面積 (m2)由於p >>，忽略流體密度項，式 (2)改寫為：M g(3)Sb當氣體流速 (u)增至超越流體化所須之條件時，亦即越過最小流體化速度 (minimum fluidization velocity, V mf )，流體床開始產生氣泡，即為整體流體化 (aggregative fluidization) ，其產生之空洞 (cavities)有如沸騰中之氣泡。速度大量增加，氣泡將增大或充滿整個管柱的截面積，而粒子群則有如栓塞騰湧於大空洞之上，此時稱之為騰湧流體床 (slugging bed)。爾根 (Ergun)導出，當一壓降經一填充床之空隙時，其對

5、應於最小流體化空隙度 ( mf)和式 (2)所得單位面積重量之爾根關係式如下：(1mf ) 2 Vs1.75Vs2 1mf)(4)hm15032(3mf ( D p )s D pmff流體床內的空隙體積1M(5)流體床的總體積p hmSb其中 hm：流體床高度 (m)：流體黏度 (kg/ms)V s ：表面速度，用空圓管截面積做為基準的流體速度(m/s)Dp：粒子直徑 (m)f：空隙度：粒子形狀因子形狀因子已知體積的球體的表面積同體積下固體粒子的表1(球狀)面積0.75 ( 砂粒 )將式 (5)帶入式 (2)推出，於最小流體化時：M( p)g(Sb hmf )(1 mf )( p) gSb P

6、pVb (1mf )(p) gVb：流體床之體積 (m3)hmf：最小流體化床之高度(m)將式 (6)代入 (4)爾根方程式中，定義Ar 為阿基米德數：D p3() g(1mf ) D p V mfD p V mf2p1Ar =2150231.75( 3 )mfmf則Ar 1501mfRemf1.75Remf22 33mfmf(6)(7)(8)2991 化工實驗（一）D pVmfRemf：最小流體化時之雷諾數式 (8)右邊第一項為層流 (Rep 20)時的能量損失，第二項為亂流發(fā)展完全 (Rep1000)時之能量損失。於轉移區(qū)下操作時，兩者皆須考慮。當層流時，由式 (8)可得( sD p )2

7、 ( p) g mf3V mf(9)150 (1mf )亂流時：2s D p ) ( p) g mf3(10)V mf (175.mf 為實驗值，可查化工手冊或以下式估算之：1mf11(11)23mf114(12)3mf將(11)(12)式代入式 (9)(10)，則最小流體化速度 (Vmf )可表為：D p2 (p) g20(13)V mf, Remf16502D p (p) g1000(14)V mf, Remf24.5流體床熱傳特性：氣體流體化床由於氣泡不斷的產生，固體粒子持續(xù)循環(huán)，因此具有良好且均勻之混合性，所以在高溫放熱反應中，流體床均能有一致的溫度。同時，由於粒子群之最大表面積皆曝露

8、於流體化之氣體中，故氣體與粒子間皆具有相同的溫度。氣體流體化床在熱特性質上之另一優(yōu)點為可以獲得介於流體床與浸漬其中之熱傳表面間最高的熱傳速率。除了細小且具黏性之材質外，當固體粒子床，其粒子直徑小於 500 m，密度小於 4000 kg/m3 時，可由流體床之整體與其直接貼近熱傳表面之範圍所造成的粒子循環(huán)而得熱傳固傳粒子對流機構，其具高熱容量，固體粒子有能傳送大量熱之能力。在介於流體床之整體和傳送表面之間，於整個溫度差範圍內，當其最先抵達接近於熱傳表面時，將產生一大的局部溫度梯度，此時熱傳之瞬間速率提高。但較大粒子愈接近於傳送表面，其溫度愈趨於表面溫度，猶如熱流過他們和表面之間，瞬間熱傳速率將降

9、低。因此，平均一週期的時間，在低於粒子殘留之最短時間下操作，使其接近熱傳表面，可預期獲得更高的熱傳速率。因流體床行為之複雜性，粒子經一熱傳表面之循環(huán)與由床至表面的熱傳係數等之定理與經驗式發(fā)展極其有限。式(15)乃由一個小的量熱球，投3991 化工實驗（一）入一個熱的流體床之簡單實驗中所導出之一經驗式：h358.0.2 k 0.6 D0.36(15)pcmaxpp其中 hpcmax：最大粒子對流熱傳係數(W m-2 K-1)k：氣體熱傳係數， kair = 0.027 W m-1K-1此係數乃得自介於浸漬冷卻管和流體床之間，故可預期將較實際為小。其在浸漬冷卻管上之最大值，由式 (15)約僅預測出

10、其 70 。此乃因粒子循環(huán)擾動及浸漬表面和其所承受的冷卻溫度之影響。粒徑較大且密度較高之固體粒子所造成之流體床，氣體流動之型式應為亂流或至少在轉移區(qū)內。在這種環(huán)境下，熱以對流的形態(tài)傳送至氣體成為一重要的模式；此即 "界面氣體對流 "，為熱傳之一構成要素。熱傳係數因低密度氣體之流動與粒徑之大小成正比，故依平均粒徑之增加而增加，因此熱傳為界面氣體對流之形態(tài)。於平均粒徑 1 mm，約在床至表面最大區(qū)間，砂粒與空氣構成的流體床其熱傳係數將趨於最小。圖 1 壓降對表面速度關係圖圖 2 孔隙度對雷諾數關係圖4991 化工實驗（一）圖3流體床高及壓降對表面速度關係圖(粒徑，空氣中)177

11、 m 20圖 4 表面?zhèn)鲗S數與表面速度關係圖5991 化工實驗（一）圖5表面速度與流體床壓降關係圖圖6 最小流體化速度與平均粒徑之關係（ 20 ， 1 atm下空氣造成之流體化床）6991 化工實驗（一）三、設備裝置請在圖 7 畫出空氣流動方向。圖7 流體化床裝置圖四、實驗步驟(1)降壓之影響1.微開空氣流量計，使用螺帽將加熱器固定於分佈室高度L=2 cm 處，T2 熱電偶溫度探針已固定在加熱器上方0.5 cm 處無需調整。2.開啟總電源與溫度顯示面板開關，加熱器表面溫度T1 設定為 80，調整可變電阻，控制電流與電壓轉盤，使達T1 達到 80。3. 流量計校正：將空氣流量調至 1.5 L/

12、s，紀錄小孔計差壓 x cmH2O，因空氣流量正比於x ，得校正係數k15. ，則校正空氣流率 Vm k x 。x4. 輕拍流體化床體，使床體粉粒緊密，床面呈水平狀態(tài)，記錄初始床高H。5. 將空氣流量調至 0.2 L/s，當 T1 達 80穩(wěn)定，待 30 秒後，觀察流體床中粒子運動狀態(tài)，並記錄各項數值：流體化床溫度T2，進入空氣溫度T3，流體床高度H，流體床壓降P，小孔計差壓x。6.將空氣流量往上增加，增加間距約0.025 0.1 L/s ，重複步驟 5，至空氣流量調至 1.5 L/s 止。7991 化工實驗（一）7.空氣流量再由1.5 L/s 逐步降低，降低間距為0.1 L/s，重覆步驟 5

13、，記錄數值，至空氣流量降至0.2 L/s 止。(2)流體化床之熱傳1.微開空氣流量計，使用螺帽將加熱器固定於分佈室高度L = 2 cm 處，將加熱器插入底部，以螺帽將固定。 T2 熱電偶溫度探針已固定在加熱器上方 0.5 cm 處無需調整。2. 將空氣流量調到 1.5 L/s，流體化床呈完全混合狀態(tài)。3. 加熱器表面溫度 T1 設定為 80，調整可變電阻，控制電流與電壓轉盤使達 T1 達到 80。4.當溫度達穩(wěn)定，待30 秒後，記錄數值：流體化床的溫度T2，進入空氣溫度 T3，小孔計差壓x，加熱器電壓E，加熱器電流量I 。5. 空氣流量逐步降低 0.2 L/s，調整可變電阻，使 T1 為 80

14、穩(wěn)定，記錄數據。6. 重覆步驟 (5)至空氣流量 0.3 L/s 止。7. 改變加熱器於分佈室上高度 L 為 4 cm、6 cm，重覆步驟 (1)(6)。五、注意事項1. 流體化床室之壓力探針需插入床內，始可測得床壓。2. 流體床高度 H 為粒子靜止或跳起到達之最高點。3. 須確認 T1 達 80穩(wěn)定，並待 30 秒狀態(tài)穩(wěn)定後，始可記錄數據。8六、實驗結果(1)數據紀錄材料名稱：熔凝氧化鋁砂粒平均粒徑 (Dp)：177 m加熱器之表面積 (A) ：1.6×10-3 m2空氣密度 ( air)：1.2 kg/m3 壓降之影響991 化工實驗（一）固體粒子質量 (m)：1.3 kg固體粒

15、子密度 ( )：3770 kg/m3截面積 (Sb)： 8.6×10-3 m2空氣黏度 ( air)：2.13×10-5 kg/msk1.5x初始床高 H：cm空氣流量：增加減少空氣流量計讀數(L/s)小孔計差壓 x (cmH2O)流體床溫度 T2 ()入口空氣溫度 T3 ()流體床高度 H (cm)流體床壓降P (cmH2O)流體化床中粒子運動狀態(tài)(#表格請視需要複印 #)流體化床之熱傳分佈室上加熱器高度L：cm空氣流量計讀數(L/s)1.51.31.10.90.70.50.3小孔計差壓 x (cmH2O)流體床溫度 T2 ()入口空氣溫度 T3 ()加熱器電壓E (vo

16、lt)加熱器電流 I (amps)(#表格請視需要複印 #)9991 化工實驗（一）(2)結果整理壓降之影響1. 計算各項數值，並整理成表格： (溫度計算單位為 K)(a)校正空氣流率 Vm (L/s)(b)空氣流經床之流量Vb Vm T2(L/s)(c)表面速度 Vs = 10-3T3(V b/Sb) (m/s)(d)孔隙度 (式5)(e)雷諾數 Re(f) 最小流體化速度 Vmf (m/s) (實驗值，理論值 )(g) 最小流體化時雷諾數 Remf (實驗值，理論值 )2. 參考圖 1，作出空氣流速上升時，流體床壓降對表面速度之對數關係圖，說明其與理論圖形之異同處，並討論其原因。3. 參考圖 2，作出流體床孔隙度 對雷諾數 Re 之對數關係圖，說明其與理論圖形之異同處，並討論其原因。4. 參考圖 3，作出空氣流速下降時，流體床壓降對表面速度關係圖，說明討論，並在圖上標繪出最小流體化速度 Vmf。5. 參考圖 3，以流體化床高度對表面速度作圖，並說明討論。流體化床之熱傳1. 計算各項數值，並整理成表格：(a)校正空氣流率 Vm (L/s)(b) 空氣流經床之流量 Vb (L/s)(c)表面速度 Vs = 10-3 (V b/Sb) (m/s)(d) 熱功率 Q = E x I (W)(e)表面熱傳係數 h = Q / A(T 1-T 2) (W/m 2K)(