第五章 流态化与气力输送
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整理得：
p L mf (1 mf )( s f ) g ( N / m 2 )
2.2 临界流化速度
流体流经固定床的压力降公式(层流)：
p 200 f (1 0 ) 2 L0 u
2 s 30 d 2 p
200 f (1 mf ) 2 L mf
s
0.065
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.1 1 10 Re pt 100 1000
流化数(fluidization number)K： K u
流化床操作速度u必须保持在umf和ut之间；
u mf
计算umf时，须用床层中实际颗粒粒度分布的平均直径； 计算ut时，须用具有相当数量的最小颗粒粒度； ut/umf 反映了流化操作的机动灵活性； 大颗粒的ut/umf值较小，说明其操作灵活性较小颗粒差； u/umf的值常在10:1和90:1之间。
C mf 0 .0007 Re pmf
u mf 0 .00923 dp
1 .82
得Cmf 与Repmf的关系： 则：
① 当Repmf＜5时： ② 当Repmf＞5时：
0 .063
( s f ) 0.94
0 .88
f
f
0 .06
(m / s)
u mf ' FG u mf
对细颗粒，Rep＜0.4： 对大颗粒，Rep＞1000：
ut 91.6 u mf
ut 8.72 u mf
工业上常用的操作速度为0.2~1.0m/s。
提高设备生产能力的措施：
采用尽可能高的操作速度； 增加床层高度； 在床层中设置挡板或挡网； 改进粉尘回收系统； ……
例 某分体的平均直径dp=230μm，密度ρs=1500kg/m3。假设球形度φs=1， 床层的临界空隙率εmf=0.4。以空气为流化介质，其黏度μf=0.0178cP，密 度ρf=1.204 kg/m3。试确定流化操作速度。 解：临界流化速度为：
1.4 流化床的不正常现象 (1) 沟流现象
当流体通过床层时分布不均匀，则大量流体与固体颗粒不 能很好地接触，就会产生“短路”，即沟流现象。
logP B C
A logu
沟流现象的Δp-u关系
(2) 腾涌现象
logp
logu
腾涌现象的Δp-u关系
沟流和腾涌都是流态化操作中的不正常现象，应尽量避免。 床层发生腾涌时，会使颗粒对器壁的磨损加剧，引起设备振动。 可以增加挡板，破坏气泡长大，避免腾涌现象发生。
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1
(m / s)
式中，
dp—颗粒平均直径，m； ρs—固体颗粒的密度，kg/m3； ρf—流体密度，kg/m3； μf—流体黏度，N·s/m； FG——修正系数，查表。
FG
10 Rep
100
1000
粗略计算法： 对小颗粒（Rep＜20）：
u mf d 2 p ( s f )g 1650 f
(1) 部分熔融固化
附着在粉体表面的黏合剂使粉末表层熔融固化，并相互连接， 形成较为坚固的颗粒，亲水性物料的颗粒造粒过程多属此类。
(2) 黏合剂固化
将黏合剂溶液的挥发性组分汽化，黏合剂固化后将粉体粒子连 接在一起。疏水性物料颗粒的造粒过程多属此类。
Lmf——临界流化条件下的床层厚度。
f——流体黏度；
D——流化管的直径。
1.3 密相流化床和稀相流化床 (1) 密相流化床(dense phase fluidized bed)(或密相鼓泡床) 定义： 具有清晰的床层上界面的流化床。 特点： 具有许多液体的特征，如浮力、表面保持 水平、流体静力学、黏性。 (2) 稀相流化床(dilute phase fluidized bed) 当流速超过固体颗粒的极限速度时，床层的上界面就会消 失，并可以观察到夹带现象，固体颗粒随流体从床层中带 出。稀相流化床为气力输送阶段。
则：
1 mf L 1 Lmf
或
L 1 0 L0 1
式中，L/Lmf（或L/L0）称为膨胀比(expansion ratio)，以R表示。
对于液-固系统： 式中，
u n ut
u—流化操作速度； ut—颗粒自由沉降速度； ε—在流化操作速度下床层的空隙率； n—ReP的函数。
(1) 固定床阶段 (2) 流化床阶 (3) 气力(或水力)输送阶段
u固
(a) 固定床 气流 固体物料
u流
u气
(b) 流化床 (c) 气力输送
u固<u流<u气
(a) 固定床 (b) 流化床 (c) 气力(水力)输送
1.2 流态化的分类
按照流化状态
散式流态化 聚式流态化
按照流化介质
液固流态化 气固流态化
向日葵籽 花生仁
(1) 当：
Re pt
d put f
f
0 .4
(球形颗粒，层流区)
d 2 p ( s f )g 18 f
可用斯托克斯定律计算ut： u t
(2) 当： Rept>0.4
查校正系数修正ut 。
(3) 非球形颗粒：还要乘以形状校正系数C
F=ut/ut'
C 0.843 lg
振动流化床结构示意图
3.3 流化床造粒
流化床造主要是将黏合剂溶液雾化喷洒在分散的粉体上，使粉体相互 接触附着，并逐渐凝聚长大，再经干燥后，形成多孔的颗粒产品。
粘合剂
(1) (2) (3)
粉体
(4)
(1) 黏合剂分散在粉体周围 (2) 附着 (3) 长大 (4) 干燥后的多孔颗粒
颗粒形成过程
粉体与黏合剂的黏连机制：
Re pmf
故umf不需作校正。带出速度ut 为： ( 2.3 10 4 ) 2 (1500 1.204 ) 9.81
ut 18 1.78 10
5
2.43( m / s）
Re pt
2.3 10 4 1.71 1.204 26 .6 5 1.78 10
对大颗粒（Rep＞1000）：
u mf d p ( s f )g 24.5 f
2.3 最大流化速度和流化操作速度(带出速度、悬浮速度=沉降速度) 流化床操作中流体速度的上限 一些食品的悬浮速度
物料名称 密度(kg/m3) 松密度(kg/m3) 粒度(mm) 悬浮速度(m/s)
面 豌 茶 玉 菜 小 大 扁 棉 稻 细 粉 豆 叶 米 籽 麦 豆 豆 籽 谷 盐 1400 1260 1360 1220 1040 1260 1200 1250 640 520 1070 1090 — 560～670 738 — 708 638 789 721 788～810 343 252 631 672 — 0.2 4.7～7.5 — 5～10.9 1.3～2.2 4.9～6.5 6.8～8.8 3.4～13 10.5～15.2 7.4～10.3 10.8～16.7 6.4～9.3 — 1～2 12.5～13.8 6.9 11～12 7.6～8.4 8.4～9.7 12.4～13.8 9.2～15.3 6.2～7.4 6.2～7.2 13.8～14 7.8～8.6 12.8～14
u mf ( 2.3 10 4 )1.82 (1500 1.204 ) 0.94 2 0.00923 3 . 19 10 ( m / s） 5 0 .88 0 .06 (1.78 10 ) 1.204
2.3 10 4 3.19 10 2 1 .204 0.496 5 5 1 .78 10
温度 (1) (2) (3) 距床壁的距离
3.2 流化床干燥
废气 含尘气体 旋风分离器 流化床干燥器 料斗 干物料(轻)出 物料进 热空气进 匀风板
干物料出
连续式单层流化装置的结构简图
物料进
废气出口
流化床 溢流管
匀风板
热气进口 物料出
多层流化床的结构
湿物料进
废气
振动筛板 匀风板
出料口
干物料(轻) 热空气 振动机构
Lmf D
dp g
s f f
(2) 其他判别法
( Frmf )(Re pmf )( )( )
umf——临界流化速度； dp ——固体颗粒直径。
当上式小于100时，为散式流态化； 大于100时为聚式流态化。
Re pmf
d p u mf f
f
s——固体的密度； f——流体的密度；
3 流化床的应用及常见流化床 3.1 流化床传热 3.1.1 流化床中传热的特点 内部温度分布的均匀
(1) 固体粒子的热容远较气体大,热惯性大； (2) 粒子运动剧烈，与气体之间的热交换快； (3) 剧烈的沸腾运动所产生的对流混合，消灭了局部热点和冷 点。 流化床中存在三种形式的传热： 流化床床层与床壁或物体表面之间； 固体颗粒与流体之间； 以及固体颗粒之间。
n ( 4.35 175
n (4.45 18 dp D
当0.2＜ReP＜1时： 当1＜ReP＜200时：
dp D
) Re p
0.1
0.08
) Re p
当200＜ReP＜500时： n 4 .45 Re p 0.1 当ReP＞500时：
n 2.39
② 流化床的分离高度(Transport disengaging height,TDH) 指夹带接近于常数的气体出口处距床层料面的高度。
logp
B D
E
logp
B
C D
E1 E E2
A
A ’
A umf log u
A ’
umf
log u
(a) 散式流态化
(b) 聚式流态化
两种形式流化床的Δp-u关系
流态化型态的判断 (1) 弗鲁德准数判别法
Frmf
2 u mf
Frmf<0.13，散式流态化； Frmf>0.13，聚式流态化。
查图(图5-7)得ft=0.55，故得校正后的带出速度为： ut 2.43 0.55 1.337(m / s） 采用流化数K=u/umf=30，则操作速度为： 操作速度u在umf和ut之间。
u K umf 30 2.32 10 2 0.696(m / s）
2.4 流化床的设计
32流化床干燥连续式单层流化装置的结构简图热空气进物料进干物料出废气含尘气体流化床干燥器旋风分离器干物料轻出料斗多层流化床的结构废气出口物料进物料出热气进口流化床溢流管振动流化床结构示意图湿物料进热空气废气振动机构干物料轻33流化床造粒流化床造粒主要是将黏合剂溶液雾化喷洒在分散的粉体上使粉体相互接触附着并逐渐凝聚长大再经干燥后形成多孔的颗粒产品
2 流化床的流体力学
2.1 流化床的压力降
阻力 Fd 浮力 Fb
u
Fg
Fb
Fd
6
d 3s g
d 3 g
4 2
床层
重力 Fg
6
d 2 u2
在临界流化点时，以上两方向的力应互成平衡，即
s为颗粒密度
L mf A(1 mf ) s g L mf A(1 mf ) f g p A
100.0 u=0.305m/s u=0.453m/s u=0.61m/s u=0.7177m/s
粒子夹带量
夹带浓度 kg/m 3
10.0
1.0
0.1 0 1 2 3 出口高度 /m
分离高度与床径和气速有关。 对于给定的粒子和流化床，气速增加时，TDH也增加。 而对于给定的气速，TDH则随床径的增大而减小。
结构组成：
壳体
出风
圆柱形壳体； 多孔匀风板； 锥形底部； 进风口和出风口； …… 主要设计内 容： 直径和总高 度。
TDH
D 匀风板
锥形底 进风
流化床的主体尺寸
L
H
(1) 流化床直径D的计算 (2) 流化床总高度H的计算
D
4Q u
H L TDH
① 流化床的膨胀高度 设：
L、ε为某一操作速度下流化床的高度和空隙率； Lmf、εmf为临界流化点时的床层高度和空隙率； L0、ε0为固定床的高度和空隙率。
Principles of Food Engineering
华中农业大学食品工程教研室
赵思明，刘友明，熊善柏，刘茹
内容提要
1. 固体流态化 2. 气力输送
基本要求
掌握固体流态华的基本原理 掌握气力输送的原理与应用 了解流态化技术在食品加工中的 应用
第一节 固体流态化
流态化(fluidization)： 固体微粒与流体充分接触而形成类似流体状态的单元操作。 流态化技术也称沸腾床技术 。 1 固体流态化的原理和基本概念 1.1 流态化的三种状态
2 2 3
将此式用于临界流化点：
s d p mf L mf (1 mf )( s f ) g
p u mf
整理：
umf 0.005d 2 p 2 s 3 mf ( s f ) g
f (1 mf )
( m / s)
令：
C mf 0.005 2 s 3 mf /(1 mf )
p L mf (1 mf )( s f ) g ( N / m 2 )
2.2 临界流化速度
流体流经固定床的压力降公式(层流)：
p 200 f (1 0 ) 2 L0 u
2 s 30 d 2 p
200 f (1 mf ) 2 L mf
s
0.065
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.1 1 10 Re pt 100 1000
流化数(fluidization number)K： K u
流化床操作速度u必须保持在umf和ut之间；
u mf
计算umf时，须用床层中实际颗粒粒度分布的平均直径； 计算ut时，须用具有相当数量的最小颗粒粒度； ut/umf 反映了流化操作的机动灵活性； 大颗粒的ut/umf值较小，说明其操作灵活性较小颗粒差； u/umf的值常在10:1和90:1之间。
C mf 0 .0007 Re pmf
u mf 0 .00923 dp
1 .82
得Cmf 与Repmf的关系： 则：
① 当Repmf＜5时： ② 当Repmf＞5时：
0 .063
( s f ) 0.94
0 .88
f
f
0 .06
(m / s)
u mf ' FG u mf
对细颗粒，Rep＜0.4： 对大颗粒，Rep＞1000：
ut 91.6 u mf
ut 8.72 u mf
工业上常用的操作速度为0.2~1.0m/s。
提高设备生产能力的措施：
采用尽可能高的操作速度； 增加床层高度； 在床层中设置挡板或挡网； 改进粉尘回收系统； ……
例 某分体的平均直径dp=230μm，密度ρs=1500kg/m3。假设球形度φs=1， 床层的临界空隙率εmf=0.4。以空气为流化介质，其黏度μf=0.0178cP，密 度ρf=1.204 kg/m3。试确定流化操作速度。 解：临界流化速度为：
1.4 流化床的不正常现象 (1) 沟流现象
当流体通过床层时分布不均匀，则大量流体与固体颗粒不 能很好地接触，就会产生“短路”，即沟流现象。
logP B C
A logu
沟流现象的Δp-u关系
(2) 腾涌现象
logp
logu
腾涌现象的Δp-u关系
沟流和腾涌都是流态化操作中的不正常现象，应尽量避免。 床层发生腾涌时，会使颗粒对器壁的磨损加剧，引起设备振动。 可以增加挡板，破坏气泡长大，避免腾涌现象发生。
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1
(m / s)
式中，
dp—颗粒平均直径，m； ρs—固体颗粒的密度，kg/m3； ρf—流体密度，kg/m3； μf—流体黏度，N·s/m； FG——修正系数，查表。
FG
10 Rep
100
1000
粗略计算法： 对小颗粒（Rep＜20）：
u mf d 2 p ( s f )g 1650 f
(1) 部分熔融固化
附着在粉体表面的黏合剂使粉末表层熔融固化，并相互连接， 形成较为坚固的颗粒，亲水性物料的颗粒造粒过程多属此类。
(2) 黏合剂固化
将黏合剂溶液的挥发性组分汽化，黏合剂固化后将粉体粒子连 接在一起。疏水性物料颗粒的造粒过程多属此类。
Lmf——临界流化条件下的床层厚度。
f——流体黏度；
D——流化管的直径。
1.3 密相流化床和稀相流化床 (1) 密相流化床(dense phase fluidized bed)(或密相鼓泡床) 定义： 具有清晰的床层上界面的流化床。 特点： 具有许多液体的特征，如浮力、表面保持 水平、流体静力学、黏性。 (2) 稀相流化床(dilute phase fluidized bed) 当流速超过固体颗粒的极限速度时，床层的上界面就会消 失，并可以观察到夹带现象，固体颗粒随流体从床层中带 出。稀相流化床为气力输送阶段。
则：
1 mf L 1 Lmf
或
L 1 0 L0 1
式中，L/Lmf（或L/L0）称为膨胀比(expansion ratio)，以R表示。
对于液-固系统： 式中，
u n ut
u—流化操作速度； ut—颗粒自由沉降速度； ε—在流化操作速度下床层的空隙率； n—ReP的函数。
(1) 固定床阶段 (2) 流化床阶 (3) 气力(或水力)输送阶段
u固
(a) 固定床 气流 固体物料
u流
u气
(b) 流化床 (c) 气力输送
u固<u流<u气
(a) 固定床 (b) 流化床 (c) 气力(水力)输送
1.2 流态化的分类
按照流化状态
散式流态化 聚式流态化
按照流化介质
液固流态化 气固流态化
向日葵籽 花生仁
(1) 当：
Re pt
d put f
f
0 .4
(球形颗粒，层流区)
d 2 p ( s f )g 18 f
可用斯托克斯定律计算ut： u t
(2) 当： Rept>0.4
查校正系数修正ut 。
(3) 非球形颗粒：还要乘以形状校正系数C
F=ut/ut'
C 0.843 lg
振动流化床结构示意图
3.3 流化床造粒
流化床造主要是将黏合剂溶液雾化喷洒在分散的粉体上，使粉体相互 接触附着，并逐渐凝聚长大，再经干燥后，形成多孔的颗粒产品。
粘合剂
(1) (2) (3)
粉体
(4)
(1) 黏合剂分散在粉体周围 (2) 附着 (3) 长大 (4) 干燥后的多孔颗粒
颗粒形成过程
粉体与黏合剂的黏连机制：
Re pmf
故umf不需作校正。带出速度ut 为： ( 2.3 10 4 ) 2 (1500 1.204 ) 9.81
ut 18 1.78 10
5
2.43( m / s）
Re pt
2.3 10 4 1.71 1.204 26 .6 5 1.78 10
对大颗粒（Rep＞1000）：
u mf d p ( s f )g 24.5 f
2.3 最大流化速度和流化操作速度(带出速度、悬浮速度=沉降速度) 流化床操作中流体速度的上限 一些食品的悬浮速度
物料名称 密度(kg/m3) 松密度(kg/m3) 粒度(mm) 悬浮速度(m/s)
面 豌 茶 玉 菜 小 大 扁 棉 稻 细 粉 豆 叶 米 籽 麦 豆 豆 籽 谷 盐 1400 1260 1360 1220 1040 1260 1200 1250 640 520 1070 1090 — 560～670 738 — 708 638 789 721 788～810 343 252 631 672 — 0.2 4.7～7.5 — 5～10.9 1.3～2.2 4.9～6.5 6.8～8.8 3.4～13 10.5～15.2 7.4～10.3 10.8～16.7 6.4～9.3 — 1～2 12.5～13.8 6.9 11～12 7.6～8.4 8.4～9.7 12.4～13.8 9.2～15.3 6.2～7.4 6.2～7.2 13.8～14 7.8～8.6 12.8～14
u mf ( 2.3 10 4 )1.82 (1500 1.204 ) 0.94 2 0.00923 3 . 19 10 ( m / s） 5 0 .88 0 .06 (1.78 10 ) 1.204
2.3 10 4 3.19 10 2 1 .204 0.496 5 5 1 .78 10
温度 (1) (2) (3) 距床壁的距离
3.2 流化床干燥
废气 含尘气体 旋风分离器 流化床干燥器 料斗 干物料(轻)出 物料进 热空气进 匀风板
干物料出
连续式单层流化装置的结构简图
物料进
废气出口
流化床 溢流管
匀风板
热气进口 物料出
多层流化床的结构
湿物料进
废气
振动筛板 匀风板
出料口
干物料(轻) 热空气 振动机构
Lmf D
dp g
s f f
(2) 其他判别法
( Frmf )(Re pmf )( )( )
umf——临界流化速度； dp ——固体颗粒直径。
当上式小于100时，为散式流态化； 大于100时为聚式流态化。
Re pmf
d p u mf f
f
s——固体的密度； f——流体的密度；
3 流化床的应用及常见流化床 3.1 流化床传热 3.1.1 流化床中传热的特点 内部温度分布的均匀
(1) 固体粒子的热容远较气体大,热惯性大； (2) 粒子运动剧烈，与气体之间的热交换快； (3) 剧烈的沸腾运动所产生的对流混合，消灭了局部热点和冷 点。 流化床中存在三种形式的传热： 流化床床层与床壁或物体表面之间； 固体颗粒与流体之间； 以及固体颗粒之间。
n ( 4.35 175
n (4.45 18 dp D
当0.2＜ReP＜1时： 当1＜ReP＜200时：
dp D
) Re p
0.1
0.08
) Re p
当200＜ReP＜500时： n 4 .45 Re p 0.1 当ReP＞500时：
n 2.39
② 流化床的分离高度(Transport disengaging height,TDH) 指夹带接近于常数的气体出口处距床层料面的高度。
logp
B D
E
logp
B
C D
E1 E E2
A
A ’
A umf log u
A ’
umf
log u
(a) 散式流态化
(b) 聚式流态化
两种形式流化床的Δp-u关系
流态化型态的判断 (1) 弗鲁德准数判别法
Frmf
2 u mf
Frmf<0.13，散式流态化； Frmf>0.13，聚式流态化。
查图(图5-7)得ft=0.55，故得校正后的带出速度为： ut 2.43 0.55 1.337(m / s） 采用流化数K=u/umf=30，则操作速度为： 操作速度u在umf和ut之间。
u K umf 30 2.32 10 2 0.696(m / s）
2.4 流化床的设计
32流化床干燥连续式单层流化装置的结构简图热空气进物料进干物料出废气含尘气体流化床干燥器旋风分离器干物料轻出料斗多层流化床的结构废气出口物料进物料出热气进口流化床溢流管振动流化床结构示意图湿物料进热空气废气振动机构干物料轻33流化床造粒流化床造粒主要是将黏合剂溶液雾化喷洒在分散的粉体上使粉体相互接触附着并逐渐凝聚长大再经干燥后形成多孔的颗粒产品
2 流化床的流体力学
2.1 流化床的压力降
阻力 Fd 浮力 Fb
u
Fg
Fb
Fd
6
d 3s g
d 3 g
4 2
床层
重力 Fg
6
d 2 u2
在临界流化点时，以上两方向的力应互成平衡，即
s为颗粒密度
L mf A(1 mf ) s g L mf A(1 mf ) f g p A
100.0 u=0.305m/s u=0.453m/s u=0.61m/s u=0.7177m/s
粒子夹带量
夹带浓度 kg/m 3
10.0
1.0
0.1 0 1 2 3 出口高度 /m
分离高度与床径和气速有关。 对于给定的粒子和流化床，气速增加时，TDH也增加。 而对于给定的气速，TDH则随床径的增大而减小。
结构组成：
壳体
出风
圆柱形壳体； 多孔匀风板； 锥形底部； 进风口和出风口； …… 主要设计内 容： 直径和总高 度。
TDH
D 匀风板
锥形底 进风
流化床的主体尺寸
L
H
(1) 流化床直径D的计算 (2) 流化床总高度H的计算
D
4Q u
H L TDH
① 流化床的膨胀高度 设：
L、ε为某一操作速度下流化床的高度和空隙率； Lmf、εmf为临界流化点时的床层高度和空隙率； L0、ε0为固定床的高度和空隙率。
Principles of Food Engineering
华中农业大学食品工程教研室
赵思明，刘友明，熊善柏，刘茹
内容提要
1. 固体流态化 2. 气力输送
基本要求
掌握固体流态华的基本原理 掌握气力输送的原理与应用 了解流态化技术在食品加工中的 应用
第一节 固体流态化
流态化(fluidization)： 固体微粒与流体充分接触而形成类似流体状态的单元操作。 流态化技术也称沸腾床技术 。 1 固体流态化的原理和基本概念 1.1 流态化的三种状态
2 2 3
将此式用于临界流化点：
s d p mf L mf (1 mf )( s f ) g
p u mf
整理：
umf 0.005d 2 p 2 s 3 mf ( s f ) g
f (1 mf )
( m / s)
令：
C mf 0.005 2 s 3 mf /(1 mf )