第4章固体流态化幻灯自学提纲介绍

欧根（Ergun）关联式：Reb=（0.17~420）
4.17 Reb
100

0.29
' 10
1.0 0.1 0.01 0.1 1.0 10 100 1000 10000
Reb
pb a 2 (1 )2 a (1 ) 2 4.17 u 0 . 29 u L 3 3
三、作业
课本228页第3（假设颗粒为光滑球体）、4题。
第四章 固体流态化和气力输送
4.1 4.2 4.3 4.4 概述 流体通过固定床的流动 固体流态化 气力输送
4.1 概 述
固体流态化
将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒 具有类似流体的某些表观特性，这状流固接触状态称固体 流态化。 1942年美国成功地将流化技术应用到石油加工工业的 催化反应上，使催化裂化由间歇操作变为连续操作，大大 提高了设备的生产能力，以后又在石油化工、冶金及原子 能工业等部门应用范围日益扩大，已成为我国石油加工工 业部门中的重要技术。
R eP d P uρ μ u - - - 空床速度
4 床层空隙体积 床层颗粒的全部表面积
d eb
4 ab

4 a 1
二、固定床压降的计算
将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为 Le 、当量 直径 deb 的管内流动，床层的压降P 表达为：
L e u1 pb d eb 2
2
u1 — 流体在虚拟细管内的流速，等价于流体在床层颗粒
二、思考题
⒈流化床出现下列异常现象时，可能是什么原因造成的？ ⑴床层的实际压降小于理论压降 ⑵床层的压降波动幅度很大 ⒉流化床压力降恒定是其特点和优点之一：
mg(1p L(1 - )( p - ) g (a) p A
) p
气固流化床
mg A
(b)
⑴流化床的操作气速范围∈（umf，ut），在此气速范围内，其床层压 降为何保持恒定？此时气体穿过颗粒床层的实际速度是如何变化的？ ⑵试从流化床与流体类似的一面理解上式中的（a）式，并将其与流体 静力学方程式 p = gH 进行对比。 ⑶流化床这一特点为其应用带来什么好处？
’ — 固定床流动摩擦系数 f Reb
床层雷诺数： Reb d ebu1
4
u a(1 )
康采尼（Kozeny）式：Reb < 2

K Re b
K—— 康采尼常数，K= 5.0
—— 康采尼（Kozeny）方程
pb a 2 (1 ) 2 K u 3 L
第四章 固体流态化和气力输送 自学提纲
一、熟练掌握以下基本概念 二、思考题 三、作业
一、熟练掌握以下基本概念
⒈固体流态化 ⒉固定床、流化床、颗粒输送三个阶段及其特点
⒊散式流化和聚式流化 ⒋流化床的类流体性质 ⒌聚式流化床的不正常现象：沟流和节涌 ⒍流化床的起始流化速度与带出速度（流化床的操作范围） ⒎流化床的输送分离高度 ⒏气力输送之垂直输送的噎塞速度及水平输送的沉积速度
催化裂化反再系统原则流程图
催化裂化吸收稳定系统原则流程图
反应再生 系统流程图
高低并列提升管催化裂化装置
优点：
颗粒剧烈搅拌，床层各部分温度均匀，避免了 局部过热； 流化层中常用20～100μm的粒子，因此床层中 固体或气体与固体的接触表面积大，利于传热、 传质速率的提高； 床层中颗粒的运动犹如流体，易于从装置输入 和输出，使过程连续化； 为颗粒和粉末原料的加工开辟了途径。
pb (1 )2 150 3 2 u L d ea
当 Reb > 280 (Rep >1000) 时，欧根方程右侧第一项可忽略。 即流动为湍流时，压降与流速的平方成正比而与粘度无关。
pb (1 ) 2 1.75 3 u L d ea
与管内 ~ Re 关系不同的是，’ ~ Reb 的变化是一条连 续光滑曲线，说明流体在颗粒床层中由滞流到湍流是渐变过 程，这反映了颗粒床层对流体速度分布的均化作用。
⒊强烈的碰撞与摩擦：
颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重， 生成的吸粉易被气体带出，加大了损失量；
⒋气流的不均匀分布与气固床层的不均匀接 触—聚式流化床的不正常操作
沟流：
颗粒粒径小，流体空床气速u小； 床层部分流化，部分形成“死床”； 气体与颗粒不能良好接触， 工艺过程严重恶化； 流化部分空隙率大，床层压降较正常时低
二、思考题
⒊流化床的起始流化速度是其重要的操作参数，如何从流化床操作曲 线上确定其值？理论分析可知起始流化速度与床层哪些因素有关？ ⒋若某流化床起始流化使得孔隙率为ε，其颗粒沉降速度为ut，则其 起始流化速度为多少？ ⒌对于一个经济合理的工程设计而言，流化床的气体出口高度是否需 要比其输送分离高度更高？为什么？ ⒍对于气力输送过程，当加料速率增大时，其噎塞速度或沉降速度如 何变化？
原因：①粒径：颗粒直径小，易内聚成较大粒团； ②粒子的形状与密度：球行度ψ↑，密度ρP↑→易发生沟流 ③粒子的湿度：湿度↑→颗粒易粘结→易发生沟流； ④流体分布板设计不完善，或升气孔太少。
节涌（腾涌，Slugging）：
粒径大，密度大的固体颗粒在直径小、 高度大的容器中进行流化； 气泡汇合占满床层，床层波动，压降波动 床层稳定性下降，磨损严重。
p恒定：流化正常 p波动剧烈： 节涌 p低于正常值：沟流
log p B
S
起伏
正常值
log u
log p b
pb W A
log u
四、流化床的操作范围
⒈起始流化速度umf－流化床操作的下限：
①实验测定：B点（AB与BC段的交点）；
②经验关联式计算：
流化床压降： P L( s )(1 ) g （A）
Fr mf Re p mf p L mf D 100
散式流态化 聚式流态化
Fr mf Re p mf p L mf D 100
Fr mf u 2 mf g d p
聚式与散式流态化的判断：
气-固流态化与液-固流态化并不是区分聚式与散式流态化 的唯一依据，在一定的条件下气 - 固床可以呈现散式流态 化 ( 密度小的颗粒在高压气体中流化 ) 或者液 - 固床呈现聚 式流态化(重金属颗粒在水中流化)行为。 根据流-固两相的性质及流化床稳定性理论，B.Bomero 和 I.N.Johanson 提出了如下的准数群判据：
原因：①颗粒粒径大，颗粒、流体密度差大； ②流体空床气速大，分布板开孔大易形成大气泡； ③床层高径比过大。
注：腾涌与沟流都会使气—固两相接触不充分、不均匀、
流化质量不高，使传热、传质和化学反应效率下降。
⒌恒定的压降：
P 床层颗粒重量 床层颗粒受到的浮力 流化床的截面积 m ( )g m ( )g A A
小固体颗粒固定床压降（ReP<10）--科诚尼公式：
(1 - ) 2 L ΔP 180 3 2 u

dP
（B）
起始流化时，（A）＝（B）（L=Lmf ，ε＝εmf），0(1- mf )
说明：
①该式适用于ReP<10的起始流化速度的计算；
4.3 固体流态化(Fluidization)
一、流化床的不同阶段
⒈固定床阶段：
空床气速（表观速度）u低； 实际流速um＜沉降速度ut； 颗粒静止不动，床层高度不变
⒉流化床阶段：
表观速度u→曳力＞重力，床层 开始流化→床层空隙率ε↑； 实际流速um= 颗粒沉降速度ut 时，流化状态达到极限，颗粒悬 浮于流体中，形成流化床； 颗粒彼此脱离，做不规则运动， 但不脱离床层，床层有明显上界 面。
解决方法：用简化模型通过实验数据关联。
一、简化的机理模型
L
Le
表观速度
u
u
把颗粒床层的不规则通道虚拟为一组长为 Le 的平行细管，其总的内表面积等于床层中颗粒的全 部表面积、总的流动空间等于床层的全部空隙体积。
该管组（即床层）的当量直径可表达为
4 管组流通截面积 deb 管组湿润周边
d eb
临界流化条件下的弗鲁德数，D为床径
三、流化床的主要特性
⒈类似于液体的特性：
压强符合流体静力学
L
p
u
(a)
u
(b) (c)
u
u
(d)
u
(e)
u
轻物 浮起
床面 呈水平
流动性
连通床面趋 于水平
⒉固体颗粒剧烈运动与迅速混合：
固体颗粒上升，必有等量颗粒下降，使颗粒均 匀混合，但导致停留时间不均，固体产品的质 量不均；
s s s s
定值
若流化流体为气体，则可以认为，上式可以写为：
m P g L( )(1 ) g A
s
log△P～logu图：
起始流 化速度
AB段：固定床阶段，ΔP u K 1 u P B点：颗粒开始流化→ umf BC段：流化床阶段，ε↑，L↑，△P恒定； CD段：气力输送段，颗粒逐渐减少， △P下降→空管流动阻力
⒊颗粒输送阶段：
实际速度um＞颗粒沉降速度ut， 颗粒被带出 ─气力输送阶段
二、流化床的流化类型
⒈散式流态化（Particulate fluidization）
特征：颗粒分散均匀，随着流速增 加床层均匀膨胀，床内空隙率均匀 增加，床层上界面平稳，压降稳定、 波动很小。 散式流态化是较理想的流化状态。 一般流 - 固两相密度差较小的体系 呈现散式流态化特征，如液 - 固流 化床。
⒉聚式流态化 （Aggregative fluidization）：
鼓泡 流态化