流態(tài)化原理與及應(yīng)用

流態(tài)化原理與及應(yīng)用PrincipleandApplicationofFluidization*第一章緒論1.1、流態(tài)化的基本概念及發(fā)展歷史1.1.1流態(tài)化（Fluidization)的基本概念:——固體流態(tài)化的簡(jiǎn)稱，即依靠流體流動(dòng)的作用使固體顆粒懸浮在流體中或隨流體一起流動(dòng)的過(guò)程。普通應(yīng)用于：（1）固體燃料的燃燒（2）煤的氣化與焦化（3）化工生產(chǎn)中的氣固相催化反應(yīng)（4）物料干燥、加熱與冷卻（5）吸附和浸?。?）固體物料的輸送等*1.1.2流態(tài)化的發(fā)展歷史淘金、冶煉、淘米、揚(yáng)簸等都可看成是流態(tài)化技術(shù)在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。1922年：FritzWinkler(德國(guó)科學(xué)家）獲得流態(tài)化氣化爐的專利；1926年：FritzWinkler在洛伊納（Leuna）建成第一臺(tái)實(shí)用的常壓流化床氣化發(fā)生爐，用于煤的氣化，實(shí)現(xiàn)了流態(tài)化的首次工業(yè)化應(yīng)用。*1.1.2流態(tài)化的發(fā)展歷史(續(xù)）上世紀(jì)40年代：美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)和美孚石油公司(SOD．Co.)率先推出了流態(tài)化催化裂化裝置(FCC)以取代傳統(tǒng)的固定床法(Houdry)生產(chǎn)。第一臺(tái)工業(yè)化規(guī)模的SOD—I型流化催化裂化裝置于1942年建成。該裝置采用石油蒸氣為流態(tài)化介質(zhì)。使催化劑粒子呈流態(tài)化運(yùn)動(dòng)，設(shè)備的傳熱效果明顯改善，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化，處理能力大大增加。從40年代中期開始，美國(guó)和加拿大等地出現(xiàn)了流態(tài)化焙燒裝置，用于黃鐵礦、石灰石等物料的焙燒或煅燒。1955年南京化學(xué)工業(yè)公司采用流態(tài)化技術(shù)焙燒黃鐵礦生產(chǎn)SO2并制造H2SO4。*1.1.2流態(tài)化的發(fā)展歷史(續(xù)）1957年：我國(guó)在遼寧葫蘆島采用流態(tài)化裝置培燒精鋅礦以生產(chǎn)ZnO和SO2，獲得成功。50年代中期，采用新型的全沸騰風(fēng)帽式流態(tài)化技術(shù)用于固體煤顆粒的燃燒，獲得良好的效果。在燃燒技術(shù)領(lǐng)域，往往稱這種全風(fēng)帽式沸騰燃燒爐為“第一代沸騰爐”。

1975年，原西德魯奇Lurgi)公司在第一代風(fēng)幅式全沸騰爐(也稱鼓泡床燃燒爐)的燃燒裝置中引入爐外分離裝置，使燃燒效率大大提高，這就是第二代沸騰爐一循環(huán)床沸騰燃燒鍋爐。設(shè)置的分離裝置可較好地實(shí)現(xiàn)氣、固分離，使未燃盡的固體顆粒得以重新回到滬內(nèi)燃燒．因而燃燒效率大大提高。*1.1.2流態(tài)化的發(fā)展歷史(續(xù)）1979年，芬蘭生產(chǎn)出第一臺(tái)20t/h的商業(yè)化的循環(huán)流化床鍋爐．實(shí)現(xiàn)了循環(huán)流化床的工業(yè)應(yīng)用。幾乎同時(shí)，原西德的魯奇公司與撥伯葛(Babcock)公司聯(lián)合研制的270t／h循環(huán)流化床鍋爐在燃料適應(yīng)性、燃燒效率、脫硫效率、固氮效率、負(fù)荷調(diào)節(jié)寬度等方面均取得了驚人的成功，解決了流態(tài)化燃燒裝置的大型化問(wèn)題，使流態(tài)化燃燒技術(shù)成為較有前途的清潔、高效的固體燃料燃燒技術(shù)。我國(guó)自1964年開始流態(tài)化燃燒技術(shù)的研究工作；1965年開始工業(yè)應(yīng)用；80年代以來(lái)，我國(guó)也開始重視循環(huán)床燃燒技術(shù)的研究工作；

1988年11月35t／h循環(huán)床沸騰滬在山東明水熱電廠投運(yùn)。*氣力輸送PneumaticTransport1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.1流態(tài)化過(guò)程lnuln（Δp）/ln（H）固定床FixedBed流化床FluidizedBedumf*1.2、氣固流態(tài)化的形成固定床階段流態(tài)化階段氣力輸送階段流態(tài)化形成的三個(gè)階段：介紹上述三個(gè)階段前的幾個(gè)概念：2、床層高度

——固定床或流化床內(nèi)固體物料的高度。1、空隙率*1.2、氣固流態(tài)化的形成固定床階段空隙率不變；床層高度不變；床層壓降隨表觀氣速（空塔速度）的增加而增大。流化床階段空隙率增大；床層高度增大；床層壓降在表觀氣速的增加時(shí)保持恒定不變。氣力輸送階段空隙率進(jìn)一步增大；床層界面逐漸消失；床層壓降隨表觀氣速的增加而減小。氣體對(duì)顆粒的曳力＋浮力<顆粒自身重力氣體對(duì)顆粒的曳力＋浮力＝顆粒自身重力氣體對(duì)顆粒的曳力＋浮力>顆粒自身重力*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.2流態(tài)化實(shí)現(xiàn)要素及特點(diǎn)1、實(shí)現(xiàn)要素固體顆粒的存在；流體（氣體或液體）的存在；固體與潦體介質(zhì)在特定條件下發(fā)生作用。固體顆粒粒度要求；具有合適的溫度和壓力，保證流態(tài)化的穩(wěn)定；固體顆粒與流體在一定空間（流化床）內(nèi)相互作用*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.2流態(tài)化實(shí)現(xiàn)要素及特點(diǎn)2、特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)氣固接觸比表面積大，物理與化學(xué)過(guò)程速率高；床內(nèi)溫度、濃度等參數(shù)非常均勻穩(wěn)定；由于具有流動(dòng)性，非常容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作；床內(nèi)傳熱傳質(zhì)速率高；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，運(yùn)行安全可靠。氣固兩相系統(tǒng)復(fù)雜，工程放大難度高；鼓泡床操作時(shí)產(chǎn)生的大氣泡容易形成氣體的短路；床內(nèi)返混明顯，停留時(shí)間分布對(duì)連續(xù)生產(chǎn)時(shí)提高轉(zhuǎn)化率不利；容易造成設(shè)備的磨損；需具有效率較高的收塵裝置。*（1）具有象液體一樣的浮力（2）保持表面水平（3）象液體一樣流動(dòng)（4）連同容器中表面一致的趨勢(shì)1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.2流態(tài)化實(shí)現(xiàn)要素及特點(diǎn)2、特點(diǎn)之——類似流體的特性*流化床結(jié)構(gòu)示意圖旋風(fēng)分離器擴(kuò)大段料腿內(nèi)構(gòu)件布風(fēng)板自由空間換熱裝置1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.3流態(tài)床的基本結(jié)構(gòu)風(fēng)室（預(yù)分布器）氣體分布板自由段和擴(kuò)大段旋風(fēng)分離器和料腿內(nèi)部構(gòu)件風(fēng)室*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.3流態(tài)床的基本結(jié)構(gòu)（1）風(fēng)室作用：就是使氣體介質(zhì)壓力均勻穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)氣體介質(zhì)的預(yù)分配。結(jié)構(gòu)：倒錐形或漸縮形*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.3流態(tài)床的基本結(jié)構(gòu)（2）布風(fēng)板/分布板（Distributor）作用：1）具有均勻分布?xì)饬鞯淖饔茫?）使流態(tài)化床有一個(gè)良好的流態(tài)化狀態(tài)，保證在分布板附近有良好的氣－固接觸條件，使所有固體顆粒都進(jìn)入良好的流態(tài)化狀態(tài)。這需要從選擇分布板的結(jié)構(gòu)、型式、氣體介質(zhì)的噴出速度等方而加以保證；3）支撐流化床內(nèi)固體物料。*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.3流態(tài)床的基本結(jié)構(gòu)（2）布風(fēng)板/分布板（Distributor）典型結(jié)構(gòu)：（a）填料式分布板（b)凹形分布板（c）直孔泡帽式分布板*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.4不正常流化現(xiàn)象（1）溝流又稱穿孔現(xiàn)象，指料層不均勻或氣體介質(zhì)分布不均勻時(shí)，在容器內(nèi)固定床向流化床轉(zhuǎn)化的初始階段，氣流可能從阻力較小的“溝道”處通過(guò)，形成氣流短路的現(xiàn)象有局部溝流和貫穿溝流兩種情況。引起溝流的主要原因有：（1）布風(fēng)裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致布風(fēng)不均勻；（2）料層篩分不合理粉末太多或太少；（3）料層過(guò)薄或水分太多，容易導(dǎo)致顆粒粘結(jié)；（4）氣流速度偏小。*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.4不正常流化現(xiàn)象（2）騰涌當(dāng)床層內(nèi)氣泡匯合至接近床截面時(shí)，床內(nèi)戰(zhàn)層可就會(huì)分成幾段、形成氣塞(見圖)，似活塞似地運(yùn)動(dòng)。當(dāng)大氣泡破裂時(shí)．大顆粒下落，細(xì)小的物料可能會(huì)被氣流帶定，這種現(xiàn)象就是騰捅，也叫節(jié)涌。導(dǎo)致騰涌的原因可能有：（1）布鳳板設(shè)計(jì)不良，如風(fēng)帽尺寸不合適，風(fēng)帽開孔率不當(dāng)?shù)?；?）流化床高徑比較大；（3）篩分不均勻，顆粒偏大；（4）料層太薄或布風(fēng)不均勻等。*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.4不正常流化現(xiàn)象（3）分層當(dāng)床內(nèi)物料篩分范圍較寬，粗顆粒和細(xì)顆較較多．中間大小的顆粒較少時(shí)，在氣流作用下，細(xì)小物料顆粒被收到床層上部，粗大顆粒沉積在下部，形成物料的分層現(xiàn)象產(chǎn)生分層現(xiàn)象的原因主要與篩分分布有關(guān)。此外，如容器設(shè)計(jì)成漏斗狀(上大下小)也易引起分層，因?yàn)闅饬魉俣茸韵露蠒?huì)變小。*1.2、氣固流態(tài)化的形成1.2.4不正常流化現(xiàn)象（4）氣泡導(dǎo)致氣泡過(guò)大或分布不均的原因主要是布風(fēng)扳的設(shè)計(jì)質(zhì)量與容器高徑比的設(shè)計(jì)。*1.3、流態(tài)化的分類1.3.1流態(tài)化分類依據(jù)流化質(zhì)量（Fluidizationquality）流化床內(nèi)床層分布的均勻性，即固相在床內(nèi)分布的均勻程度1.3.2流態(tài)化分類（1）聚式流態(tài)化（Aggreativefluidization）（2）散式流態(tài)化（Particulatefluidization）固相均勻地分布于床層內(nèi)，通常液固系統(tǒng)較容易形成。其流化質(zhì)量較高。對(duì)于氣固系統(tǒng)，當(dāng)氣體速度大于起始流化速度后，多余的氣體會(huì)產(chǎn)生氣泡，并很快通過(guò)流化床，此時(shí)成為聚式流態(tài)化。聚式流態(tài)化中存在氣泡相（bubblephase）或稱稀相（leanphase）以及顆粒相（particulatephase）或稱密相（densephase）、乳化相（emulsionphase）。*1.3、流態(tài)化的分類1.3.2流態(tài)化分類方法（1)方法一；即威淘姆(wilhelm)和郭獲孫(GuoMosun)方法*1.3、流態(tài)化的分類1.3.3流態(tài)化分類方法（2)方法二：即約翰遜