流体化床实验范例

實驗五流體化和流體化床熱傳導

一、實驗目的

1.探討粉粒體流體化時熱傳送之各種現象。

2.模擬粉粒體觸媒層流體化之熱傳性質。

二、原理

工業中屢有流體通過多孔床或粒子床之操作，藉著流體與粉體間密切接觸而完成，例如：催化反應器與氣體吸收塔，其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力落差，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。

有別於固定床者，流體化床乃利用流體的拖曳力，代替支撐粉體的鐵柵格板，當粉體配合流體上揚時，粉粒子間的接觸相對減少，增加了異種粒子的接觸而使混合的程度更趨完美。

流體化之過程中，可能產生似液體沸騰時之氣泡，此類氣泡上升至破裂，造成一股強力的擾動混合力，同時造成床面呈波紋狀。

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一大的接觸面積，故溫度變化很小。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，前者通常大於後者。此乃界面層妨礙熱傳，當界面層被連續的熱(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，即承受一拉力且發展為一壓降，此壓降隨表面速度(superficial 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表現出似流體之特性。橫越流體床之壓降( P)，當流速增至最大時，呈現一固定常數，相當於單位面積床體重量的效應。

b

b

g S F F -=∆P (1) g )(S M

p b

p ρρρ∆P -=

(2)

其中 F b ：作用於固體粒子之浮力(N)

F g ：作用於固體粒子之重力(N) g ：重力加速度(kg ．m/s 2) M ：固體粒子的質量(kg)

ρp ：固體粒子的密度(kg/m 3) ρ：流體密度(kg/m 3)

S b ：流體床的截面積(m 2) ∆P ：壓降(N/m 2)

流體為空氣，操作壓力約等於大氣壓，忽略空氣密度項ρ。式(2)可寫為：

g S M

b

=

∆P (3)

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, u 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應該對應於最小流體化空隙度(mf ε)和由式(2)所得之單位面積重量之關係。藉此關係式可預測最小流體化速度(u mf )。爾根關係式如下：

)1(D V 75.1)

D (V )1(150

h 3

f

f

p s 2s 2

p 3f s

2f m

εεφρφεμε∆P

-+-= (4)

其中 h m ：填充床高度(m)

εf ：填充床的空隙度 μ：流體黏度(kg/m ．s)

s V ：表面速度，用空圓管截面積做為基準的流體速度(m/s)

D p ：粒子直徑(m)

φ：粒子形狀因子

空隙度(εf )定義為：

b

m p f S h M

1ρε-==

流體床的總體積流體床內的空隙體積 (5)

)(75.0)

(1砂粒球狀面積

同體積下固體粒子的表積

已知體積的球體的表面形狀因子 ≈≈=

φ

由式(2)推出，於最小流體化時：

g

))(1)(h S (g

))(1(V g )(M

P S p mf mf b p mf b p p

b ρρερρερρρ∆--=--=-=

(6)

V b ：流體床之體積(m 3) h mf ：最小流體化床之高度(m)

將式(6)代入(4)爾根方程式中：

)1(75.1)1(150)(32

322

3mf mf p mf p mf mf p p V D V D g

D φεμρμρεφεμρρρ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫

⎝⎛-=- (7) 則 ()⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+-=3mf

2mf

mf 3

mf

2

mf r Re 75.1Re )

1(150

A εφε

φε (8)

其中 A r ：為阿基米德數

μ

ρ

mf p mf V D Re =

：最小流體化時之雷諾數

式(8)右邊第一項為層流(20Re p <)時的能量損失，第二項為亂流發展完全(1000Re p >)時之能量損失。於轉移區下操作時，兩者皆須考慮。

當層流時，由式(8)可得

V D g mf s p p mf

mf =

--()()()

φρρεμε231501 (9)

亂流時：

V

D g mf

s p p mf 23175=-(.)()φρρρ

ε (10)

mf ε為實驗值，可查自化工手冊或以下式估算之：

1

143

φε

mf

≈ (11) 11123-≈εφεmf

mf

(12)

將上式代入式(7)則最小流體化速度(mf V )可表為：

20Re , 1650)(2

<-=

mf p p mf g

D V μ

ρρ

(13) 1000Re , 5.24)(2

>-=

mf p p mf

g D V

ρ

ρρ

(14)

於流體輸送之狀態當0.1Re

1Re , 18)(2<-=

mf p p t gD V μ

ρρ

(15) 或 500Re <1 , )(25543

122<⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢

⎣⎡-=mf p p t D g V ρμρρ (16) 000,200Re <500 , )(1.32

1<⎥⎦

⎤⎢⎣⎡-=mf p p t D g V ρρρ (17)

V t ：端速，為最後下降時之速度 流體床熱傳特性：

氣體流體化床由於氣泡不斷的產生，固體粒子持續循環，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。

(一)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 μm ，密度小於4000 kg/m 3 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而得一重要機構。此即為熱傳固傳粒子對流機構。由於其所具之高熱容量，固體粒子具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，因此熱傳之瞬間速率提高。