固体流态化曲线图
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03.7固体流态化及气力输送
缺点：压力损失大、用水量大。
（3）塔式除尘 在某些逆流塔式传质设备中，尘粒与水滴相互凝聚，使
尘粒成团状，靠重力作用而沉降下来，随液流由塔底排出。
常用的塔式除尘设备有： 湍球塔、泡沫洗涤塔、 旋流塔板。
1－栅板 2－喷嘴 3－除雾器 4－人孔 5－供水管 6－视境
3.7 固体流态化及气力输送 3.7.1 床层的流态化过程
三个阶段：固定床、流化床、颗粒输送。
（a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Lm mfL
L L
气体或液体 气体或液体 （低速）
液体
气体
气体或液体 （高速）
图3-30 不同流速下床层状态的变化：（a）固定床（b）流化开始 （c）散式流化床（d）聚式流化床（e）水力或气力输送
稀 相
区
得：Rc
L Lmf
1 mf 1
浓 相 区
② 稀相区高度（分离高度 ）：浓相区上界面到稀相区颗粒浓度 恒定处的距离。
◆ 分离高度取决于颗粒的粒度分布、颗粒的密度和气体的密度、 粘度及结构尺寸和气速。
◆ 目前，尚无可靠的计算公式。
◆ 气速愈大，分离高度愈大。
(2) 流化床的直径 确定好流化床的操作气速后，即可根据气体的处理量确定流化 床所需的直径D 。
优点：有效地扑集0.1μm甚至更小的烟尘或雾滴， 分离效率可高达99.99%； 阻力小、气体处理量大。
缺点：设备费和运转费均较高、安装管理要求严格。
3.8.4 湿式除尘器
使含尘气体与水或其他液体相接触，利用水滴和尘粒的惯性 碰撞及扩散、粘附等作用把尘粒从气流中分离出来的设备。
（1）水膜除尘器
1－外壳；2－螺旋倒流片；3－内芯；4－灰浆斗
（3）塔式除尘 在某些逆流塔式传质设备中，尘粒与水滴相互凝聚，使
尘粒成团状，靠重力作用而沉降下来，随液流由塔底排出。
常用的塔式除尘设备有： 湍球塔、泡沫洗涤塔、 旋流塔板。
1－栅板 2－喷嘴 3－除雾器 4－人孔 5－供水管 6－视境
3.7 固体流态化及气力输送 3.7.1 床层的流态化过程
三个阶段：固定床、流化床、颗粒输送。
（a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Lm mfL
L L
气体或液体 气体或液体 （低速）
液体
气体
气体或液体 （高速）
图3-30 不同流速下床层状态的变化：（a）固定床（b）流化开始 （c）散式流化床（d）聚式流化床（e）水力或气力输送
稀 相
区
得：Rc
L Lmf
1 mf 1
浓 相 区
② 稀相区高度（分离高度 ）：浓相区上界面到稀相区颗粒浓度 恒定处的距离。
◆ 分离高度取决于颗粒的粒度分布、颗粒的密度和气体的密度、 粘度及结构尺寸和气速。
◆ 目前，尚无可靠的计算公式。
◆ 气速愈大，分离高度愈大。
(2) 流化床的直径 确定好流化床的操作气速后，即可根据气体的处理量确定流化 床所需的直径D 。
优点：有效地扑集0.1μm甚至更小的烟尘或雾滴， 分离效率可高达99.99%； 阻力小、气体处理量大。
缺点：设备费和运转费均较高、安装管理要求严格。
3.8.4 湿式除尘器
使含尘气体与水或其他液体相接触，利用水滴和尘粒的惯性 碰撞及扩散、粘附等作用把尘粒从气流中分离出来的设备。
（1）水膜除尘器
1－外壳；2－螺旋倒流片；3－内芯；4－灰浆斗
第三章 固体流态化技术
沟流对反应过程的影响：沟流现象发生时，大部分气体没有 与固体颗粒很好接触就通过了床层，这在催化反应时会引起催 化反应的转化率降低。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造 成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿 命和效率。
4、恒定的压降
流化床的重要优点
流化床床层压降 =（重量-浮力）/单位床截面积
固定床阶段 床层不动 u1 ut
流化床阶段 u1 ut开始悬浮
颗粒输送阶段 u1 ut 颗粒带走
u ，u1 ，u1 ut
(a)固定床
(b)流化床
(c)气力输送
此时流体的真正速 度 u < 颗粒的沉降 速度u0
此时u= u0 颗粒悬浮于流体中，床层 有一个明显的上界面，与 沸腾水的表面相似
流化阶段，压降与气速无关，始终保持定值
固定床 流化床 C ΔP B A ¢ u 带出开始
m P ( p ) g Ap
起始流化速度
表观速度 流体通过颗粒床层的压降
D（ 带出速度 ）
推导：
流化床阶段，近似认为颗粒处于动态平衡。
即：总曳力 总重力 总浮力
p f A Fg Fb AL(1 )(s ) g
此时u> u0
固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷 却、干燥、吸附、煅烧和气固反应等过程中。
3、流化床存在的基础—大量颗粒群居 颗粒能在相当宽范围内悬而不走，离开群体的个别颗粒上 升后， 速度将减小，则会回落。
浮力
曳力 u1（实际速度） 重力
u（表观速度）
二、实际流化现象
流态化按其性状的不同，可以分成两类， 即散式流态化和聚式流态化。
主要用途：
流态化一章
§1.2 流态化的状态 及其它流态化形式
一、流态化状态与判别准则
聚式流态化aggregative fluidization
散式流态化dispersed fluidization 1．聚式流态化（不均匀流化床，气体流化床）水-铅
气泡相bubble phase：就是内部几乎没有固体颗粒，仅在其边壁或 外表面 有固体颗粒环绕的运动空间
六、气-固流化床的一般性评价
1．良好的床层均温性
上下或左右方向的温度梯度均在10～20℃之内 固体颗粒的热容量比相同体积气体的热容量高100～ 1000倍
2．较高的传热传质速率
3．输送能力大 4．可利用或加工粉末状物料
不足 ：
（1）固体物料的停留时间不均匀 （2）气流分布不均会影响气-固接触效率 （3）颗粒磨损与设备磨损严重
曳力
浮力
重力
压降值△P单调增加
幻灯片 115
流态化过程曲线
2．流态化床阶段
气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力 = 颗粒 受到的重力
AP Lmf A(1 mf ) f g Lmf A(1 mf ) s g P Lmf (1 mf )( s f ) g
2．多层流态化床
定义： 在传统的单层气-固流态化系统的基础 上，在床内不同高度设置多块气体布风 板，将床层分成多段区域，这就构成了 多层流态化床
优点：
该床既可以保持原单层床的诸多优点(如
床层均温 性、传热性能优越等) 在一定程度上抑制床内气体与颗粒的混 合，改善气、固相的滞留时间分布 可借助流化介质的再分布，使大气泡变 小，降低扩散阻力，提高传质、传热速率。
固体颗粒可以参加化学反应 ：气化、燃烧 不参加化学反应，如气相化学反应中的固 体催化剂 参与多种物理过程 ： 热空气干燥粮食
《固体流态化技术》课件
新型流态化技术的研发
随着科技的不断发展，新型流态化技术也不断涌现，如气固 流态化技术、液固流态化技术等，这些新型流态化技术具有 更高的效率和更好的应用前景。
新型流态化技术的研发需要不断探索和尝试，通过实验和模 拟等方式，不断优化和完善技术参数和工艺条件，提高技术 的应用效果和可靠性。
智能化与自动化的提升
进一步拓展。
技术局限
颗粒大小限制
固体流态化技术对固体颗粒的大小有 一定要求，过小的颗粒可能导致技术 效果不佳。
操作参数敏感
该技术的操作参数较为敏感，需要精 确控制以获得最佳效果。
高成本
固体流态化技术的设备成本较高，增 加了应用成本。
稳定性问题
在某些情况下，固体流态化技术的稳 定性有待提高。
技术挑战与前景
01
化工
用于反应、分离、混合等工艺过 程，如石油化工、化学反应工程 等。
02
03
能源
环保
用于煤炭、生物质等固体燃料的 燃烧、气化、热解等过程，提高 能源利用效率。
用于固体废弃物的处理、处置和 资源化利用，如城市垃圾焚烧、 工业废弃物处理等。
02
固体流态化技术的原 理
基本原理
固体流态化技术的基本原理是利用流 体对固体颗粒进行作用，使固体颗粒 呈现出流体的某些特性，从而实现固 体颗粒的流动和运输。
04
固体流态化技术的优 缺点
技术优势
高效性
固体流态化技术能够实现连续 、大规模的物质处理，提高了
生产效率。
节能环保
该技术能够降低能耗，减少环 境污染，符合绿色发展理念。
灵活性
固体流态化技术适用于多种不 同性质的固体颗粒，应用范围 广泛。
可扩展性
第三章流体-固体颗粒间的运动和流态化
而对温度敏感的过程。因而在氧化、裂解、焙烧、干燥等方面广泛 应用。 • 固体粒子易于往返输送。如石油的催化裂化中用于催化剂输送。 • 气固充分接触。用于气固相催化反应，提高催化剂的有效系数，加 快反应速度，利于传质、传热过程。如干燥等可有较大的生产强度。
32
主要缺点: • 存在强烈的返混。对气固系统还存在明显的不均匀性, 如气泡、 节涌、沟流等, 这些都引起气固接触时间的不均性, 从而降低反应 的转化率、产率,甚至产品的质量。 • 颗粒有相当的磨损而粉化, 气体夹带也引起固体损失, 需安装旋 风分离设备。
同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器。 将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，
若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小 的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b两种颗粒 要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直 径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速 度，使两者不能完全分离。
Fd
ma
6
d 3s g
6
d3g
4
d
2
1 2
u2
6
d
3s
du
d
整理得 ：
du ( s )g 3 u2
d
s
4d s
开始瞬间，u 0，du 最大，颗粒作加速运动。 d
12
二、沉降的等速阶段
随u↑, Fd↑, 到某一数值ut时，上式右边等于零，此时
du
d
0，颗粒
将以恒定不变的速度ut维持下降。此ut称为颗粒的沉降速度或造端速度。
流体中, 床层认为开始流化, 临界流化速度为umf。 • 密相流化 流速再大, 悬浮的固体颗粒床层继续膨胀, 可观察到
一些固体颗粒被气体夹带而出, 但床层还有一个清晰起伏的界面。 • 稀相流化 流速很大, 流体流速与固体颗粒的重力沉降速度相等
32
主要缺点: • 存在强烈的返混。对气固系统还存在明显的不均匀性, 如气泡、 节涌、沟流等, 这些都引起气固接触时间的不均性, 从而降低反应 的转化率、产率,甚至产品的质量。 • 颗粒有相当的磨损而粉化, 气体夹带也引起固体损失, 需安装旋 风分离设备。
同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器。 将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，
若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小 的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b两种颗粒 要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直 径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速 度，使两者不能完全分离。
Fd
ma
6
d 3s g
6
d3g
4
d
2
1 2
u2
6
d
3s
du
d
整理得 ：
du ( s )g 3 u2
d
s
4d s
开始瞬间，u 0，du 最大，颗粒作加速运动。 d
12
二、沉降的等速阶段
随u↑, Fd↑, 到某一数值ut时，上式右边等于零，此时
du
d
0，颗粒
将以恒定不变的速度ut维持下降。此ut称为颗粒的沉降速度或造端速度。
流体中, 床层认为开始流化, 临界流化速度为umf。 • 密相流化 流速再大, 悬浮的固体颗粒床层继续膨胀, 可观察到
一些固体颗粒被气体夹带而出, 但床层还有一个清晰起伏的界面。 • 稀相流化 流速很大, 流体流速与固体颗粒的重力沉降速度相等
固体流态化实验指导书
固体流态化实验装置实验指导书固体流态化实验一．实验目的1. 观察聚式和散式流态化的实验现象。
2. 学会流体通过颗粒层时流动特性的测量方法。
3. 测定临界流化速度，并作出流化曲线图。
二．基本原理流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触而转变成类似于流体状态的操作。
近年来，这种技术发展很快，许多工业部门在处理粉粒状物料的输送、混合、涂层、换热、干燥、吸附、煅烧和气－固反应等过程中，都广泛地应用了流态化技术。
1. 固体流态化过程的基本概念如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的阶段，如图12－1所示。
（a）固定床（b）流化床（c）气力输送图12－1流态化过程的几个阶段固定床阶段如果流体通过颗粒床层的表观速度（即空床速度）u较低，使颗粒空隙中流体的真实速度u1小于颗粒的沉降速度u t，则颗粒基本上保持静止不动，颗粒称为固定床。
如图12－1（a）。
流化床阶段当流体的表观速度u加大到某一数值时，真实速度u1比颗粒的沉降速度u t大了，此时床层内较小的颗粒将松动或“浮起”，颗粒层高度也有明显增大。
但随着床层的膨胀，床内空隙率ε也增大，而u1＝u/ε,所以，真实速度u1随后又下降，直至降到沉降速度u t为止。
也就是说，一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床。
如图12－1（b）。
因为流化床的空袭率随流体表观速度增大而变大，因此，能够维持流化床状态的表观速度可以有一个较宽的范围。
实际流化床操作的流体速度原则上要大于起始流化速度,又要小于带出速度，而这两个临界速度一般均由实验测出。
颗粒输送阶段如果继续提高流体的表观速度u，使真实速度u1大于颗粒的沉降速度u t，则颗粒将被气流带走，此时床层上界面消失，这种状态称为气力输送。
如图12－1（c）。
2．固体流态化的分类流态化按其性状的不同，可以分成两类，即散式流态化和聚式流态化。
散式流态化一般发生在液－固系统。
此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动程度是平缓地加大的，床层的上界面较为清晰。
《固体流态化》课件
流态化的数学模型
流态化模型的基本假设
建立数学模型需要对流态化现象进行一些简化假设，如颗粒均匀 分布、忽略颗粒间的粘性力等。
流动方程
描述流场中流体运动的方程，包括连续性方程、动量方程等，这些 方程需要考虑颗粒的存在对流体运动的影响。
颗粒运动方程
描述颗粒在流场中运动的方程，包括颗粒的受力分析、运动状态等 ，这些方程需要考虑流体对颗粒运动的影响。
度高、生产效率高等优点。
流化床反应器的应用有助于制 药工业的绿色化和可持续发展 。
流化床在环保领域的应用
01
流化床在环保领域主要用于处理废弃物和污染物，如生活垃圾、工业 废水等。
02
通过将废弃物和污染物与流化床内的吸附剂或催化剂混合，实现废弃 物和污染物的分解、转化和去除。
03
流化床在环保领域的应用具有处理效率高、污染物去除效果好、操作 简便等特点。
流化床气化技术还可应用于生物质、废弃物等可再生资 源的转化利用，推动可持续发展。
流化床反应器在制药工业中的应用
流化床反应器在制药工业中主 要用于合成和制备药物中间体
、原料药等。
在制药工业中，流化床反应器 可用于多相催化反应、生物发 酵反应等，提高药物合成的效 率和品质。
流化床反应器具有传热效果好 、反应条件易于控制、产物纯
流态化的实验研究方法
实验装置
用于研究固体流态化的实验装置包括 流化床、固定床、移动床等，这些装 置可以模拟实际工业过程中的流态化 现象。
实验参数
实验测量方法
通过测量流体的流量、压力、温度等 参数以及床层的温度、压力降等参数 ，可以分析流态化的流动特性、流动 形态和稳定性等。
实验中需要控制的参数包括流体的流 量、压力、温度等，以及颗粒的物理 性质、颗粒的浓度、床层的厚度等。
固体颗粒流态化固体颗粒流态化
垂直气力输送管内流型
气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图
气力输送装置的压降包括输送段压降、除尘装置压降和系统 内各管件、阀件压降。
直管输送段压降 ∆p
∆p = ∆p f + ∆pa + ∆pr + ∆pi
∆pf —— 气体与管壁的摩擦损失 ∆pa—— 颗粒加速所需的惯性压降 ∆pr—— 使颗粒悬浮并上升的重力压降 ∆pi—— 颗粒自身及与管壁的碰撞与摩擦压降
负压体系：一般为稀相输送
引风机
气力输送的类型及装置 正压体系： 低压：<100 kPa；中压：<300 kPa；高压：<1000 kPa
送风机
气力输送的类型及装置 组合体系：
分流阀
引(或送)风机
气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图
水平气力输送 输送中重力的作用方向与流动方向垂直，使 颗粒保持悬浮的不再是曳力、而是水平流动的气流对颗粒产 生的升力，因此管内流型（主要是密相）也有所不同。
压降梯度 ∆p/∆L
最低压降曲线
5 4 1 2 3
“沉寂”速度 气体表观流速 u
水平气力输送流型图
均匀稀相 颗粒堆积 “沉寂”速度 “沙丘”流 水平“拴塞”
¾ d颗粒具有与液体类似的流动性，可以从器壁的小孔喷出
¾ e联通的流化床能自行调整床层上表面使之在同一水平面上
不正常的流化现象
S
起伏
正常值
∆pb =W A
log ∆p B log ∆p b
大高径比床层 log u
大直径床层
log u
腾涌(Slugging)：颗粒层被气泡分成几段并像活塞一样被推 动上升，在顶部破裂后颗粒回落。腾涌时床层高度起伏很 大，器壁被颗粒磨损加剧，引起设备震动，损伤床内构件。
气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图
气力输送装置的压降包括输送段压降、除尘装置压降和系统 内各管件、阀件压降。
直管输送段压降 ∆p
∆p = ∆p f + ∆pa + ∆pr + ∆pi
∆pf —— 气体与管壁的摩擦损失 ∆pa—— 颗粒加速所需的惯性压降 ∆pr—— 使颗粒悬浮并上升的重力压降 ∆pi—— 颗粒自身及与管壁的碰撞与摩擦压降
负压体系：一般为稀相输送
引风机
气力输送的类型及装置 正压体系： 低压：<100 kPa；中压：<300 kPa；高压：<1000 kPa
送风机
气力输送的类型及装置 组合体系：
分流阀
引(或送)风机
气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图
水平气力输送 输送中重力的作用方向与流动方向垂直，使 颗粒保持悬浮的不再是曳力、而是水平流动的气流对颗粒产 生的升力，因此管内流型（主要是密相）也有所不同。
压降梯度 ∆p/∆L
最低压降曲线
5 4 1 2 3
“沉寂”速度 气体表观流速 u
水平气力输送流型图
均匀稀相 颗粒堆积 “沉寂”速度 “沙丘”流 水平“拴塞”
¾ d颗粒具有与液体类似的流动性，可以从器壁的小孔喷出
¾ e联通的流化床能自行调整床层上表面使之在同一水平面上
不正常的流化现象
S
起伏
正常值
∆pb =W A
log ∆p B log ∆p b
大高径比床层 log u
大直径床层
log u
腾涌(Slugging)：颗粒层被气泡分成几段并像活塞一样被推 动上升，在顶部破裂后颗粒回落。腾涌时床层高度起伏很 大，器壁被颗粒磨损加剧，引起设备震动，损伤床内构件。
化学反应工程-第八章-流化床反应器
当ug提高至umf 时气体对颗粒的曳力刚好平衡 床层颗粒的重力，床层开始流化；
当ug高于umf 时，床层压降不再变化。
对于颗粒及密度均较小的A类颗粒，超过umf 再提高ug 即导致床层发生均匀膨胀，气体通 过比固定床空隙率增大的颗粒间隙，但并无 气泡产生，床层均匀膨胀，压降波动较小， 即散式流态化。
剧烈但有规则的脉动。这种现象称为节 涌流态化（slugging fluidization）。
节涌使颗粒夹带加剧，气、固接触效率 和操作稳定性降低。
在工业规模的大床中，节涌现象一般不 致于产生。
(4) 湍动流态化
随着表观气速进一步提高，鼓泡床中 气泡的破裂逐渐超过起泡的聚并，导致床 内的气泡尺寸变小，进入湍动流态化。这 种小气泡通常称为气穴(void)，气穴与密 相或乳相间的边界变得较为模糊，此时称
聚式流化床中存在明显的两相：
气体中夹带少量颗粒的气泡相（bubble phase）或稀相 （lean phase）；
颗粒与颗粒间气体所组成的颗粒相（particulate phase） 或密相（dense phase），又称乳相（emulsion phase）。
在低气速流化床中，乳相为连续相而气泡相为非连续相。
2. 聚式流态化与散式流态化
理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体流速增加而 均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体中，所有的流体都 流经同样厚度的颗粒床层，保证了全床中的传质、传热 和固体的停留时间都均匀，对化学反应和物理操作都十 分有利。理想流态化的流化质量（fluidization quality） 是最高的。
combustion，CFBC）
典型的循环流化床特征
操作条件
颗粒特征
提升管表观气速，m/s 提升管颗粒循环速，
当ug高于umf 时，床层压降不再变化。
对于颗粒及密度均较小的A类颗粒，超过umf 再提高ug 即导致床层发生均匀膨胀，气体通 过比固定床空隙率增大的颗粒间隙，但并无 气泡产生，床层均匀膨胀，压降波动较小， 即散式流态化。
剧烈但有规则的脉动。这种现象称为节 涌流态化（slugging fluidization）。
节涌使颗粒夹带加剧，气、固接触效率 和操作稳定性降低。
在工业规模的大床中，节涌现象一般不 致于产生。
(4) 湍动流态化
随着表观气速进一步提高，鼓泡床中 气泡的破裂逐渐超过起泡的聚并，导致床 内的气泡尺寸变小，进入湍动流态化。这 种小气泡通常称为气穴(void)，气穴与密 相或乳相间的边界变得较为模糊，此时称
聚式流化床中存在明显的两相：
气体中夹带少量颗粒的气泡相（bubble phase）或稀相 （lean phase）；
颗粒与颗粒间气体所组成的颗粒相（particulate phase） 或密相（dense phase），又称乳相（emulsion phase）。
在低气速流化床中，乳相为连续相而气泡相为非连续相。
2. 聚式流态化与散式流态化
理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体流速增加而 均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体中，所有的流体都 流经同样厚度的颗粒床层，保证了全床中的传质、传热 和固体的停留时间都均匀，对化学反应和物理操作都十 分有利。理想流态化的流化质量（fluidization quality） 是最高的。
combustion，CFBC）
典型的循环流化床特征
操作条件
颗粒特征
提升管表观气速，m/s 提升管颗粒循环速，
2-3 固体流态化
26
2. 类似液体特性
流化床中的气固运动状态宛如沸腾的液体状态，显
示出与液体类似的特点，也称沸腾床。 如图3-33所示，流化床具有像液体那样的流动性： （1）固体颗粒可以从容器壁的小孔喷出，并可从一容 器流入另一容器； （2）当容器倾斜时，床层的上表面保持水平； （3）当两个床层连通时，能自行调整其床面至同一水 平面。
18
注意:
1.压降恒定是流化床的重要特点，流化床
中可以采用较小颗粒减小床层压降。 2.流化操作时可以通过测量床层压降判断 流化床的优劣。
19
三、流化床的操作范围
固体颗粒床层在流化状态下操作时， 气速 高于临界流速umf，而最大气速不超过颗粒的沉 降速度。
1.临界流化速度umf
确定临界流化速度有实测和计算两种方法。
临界流化状态，如图（b）
所示，床层高度为Lmf 。
3
当流体的流速升高到 使全部颗粒刚好悬浮于向
上流动的流体中而能作随
机运动，此时流体与颗粒
之间的摩擦阻力恰好与其净 重力相平衡。此后，床层
高度L将随流速提高而升
高，这种床层称为流化床，
如图（c）、（d）所示。
4
3）颗粒输送阶段 当流体在床层中的实际 流速超过颗粒的沉降速度ut 时，流化床的上界面消失，
按气流中固相浓度分为
稀相输送
密相输送。
34
1）固定床阶段
当流体通过床层的空塔速度较 低时，若床层空隙中流体的实际流 速u小于颗粒的沉降速度ut，则颗粒 基本上静止不动，颗粒层为固定床， 如图（a）所示，床层高度为L0。
2
2）流化床阶段 当流体的流速增大至 一定程度时，颗粒开始松 动，颗粒位置也在一定的
区间内进行调整，床层略
化工原理第八章固体流态化
分布板压降计算:
或
式中: u0 —ξ—= Cd分2 布阻板力小系孔数气（速当开孔率≤10 % 查图 6-12 P334）
为了增大△P干, 工业上常在开孔率一定下（0.4~1.4 %）, 采用小孔布 气
2. 内部构件: 3. 型式: 挡网、档板 4. 作用: ① 抑制气泡成长和产生大气泡（“腾涌流化”） 5. ② 减小返混程度 6. ③ 增强两相接触 7. 粒度分布: 8. 主要影响临界流化速度umf及操作弹性比ut /umf，床层膨胀比L /Lmf及床层压降△P 9. 因此: 工业中常用小直径且粒径分布较宽的颗粒进行流化作业，粉粒可在其中起“润滑”
, ut , dp表示事出颗粒最小粒 径
3. 操作范围: （ut/umf）—— 亦可称操作弹性 比对于微细颗粒: 当 Rep<1 时，
对于大颗粒: 当 Re>1000 时，ξ = 0.44
1-4. 流化过程的主要影响因素 1. 分布板结构形式（开孔率、孔径等）作用: ① 支承颗粒、防止漏料 ② 使气体均匀分布 ③ 分散气流，形成小气泡 要求: 分布板的干板压降足够大(≥3.5Kpa)以保障气体的均布(或△P干 / △P总≥10 %)
关系: 气体的放（吸）热 = 固体颗粒吸（放） 热
在微分床层高度dH内: 故:
即: 以
对H作图, 由斜率
G —— 质量流速 Kg/m2·s at —— 单位体积床层颗粒比表面
可求得α值
b.非定态法 假定: ① 任一时刻床层中气体温度等于其离开床层时温度（Tf离 = Tf1）
② 床层中任一时刻τ的颗粒温度Ts分布均匀，但随时间变化。 ③ 无热损失。（床层表面不散失热量）
第八章 固体流态化
第一节 流化（固体流态化）
或
式中: u0 —ξ—= Cd分2 布阻板力小系孔数气（速当开孔率≤10 % 查图 6-12 P334）
为了增大△P干, 工业上常在开孔率一定下（0.4~1.4 %）, 采用小孔布 气
2. 内部构件: 3. 型式: 挡网、档板 4. 作用: ① 抑制气泡成长和产生大气泡（“腾涌流化”） 5. ② 减小返混程度 6. ③ 增强两相接触 7. 粒度分布: 8. 主要影响临界流化速度umf及操作弹性比ut /umf，床层膨胀比L /Lmf及床层压降△P 9. 因此: 工业中常用小直径且粒径分布较宽的颗粒进行流化作业，粉粒可在其中起“润滑”
, ut , dp表示事出颗粒最小粒 径
3. 操作范围: （ut/umf）—— 亦可称操作弹性 比对于微细颗粒: 当 Rep<1 时，
对于大颗粒: 当 Re>1000 时，ξ = 0.44
1-4. 流化过程的主要影响因素 1. 分布板结构形式（开孔率、孔径等）作用: ① 支承颗粒、防止漏料 ② 使气体均匀分布 ③ 分散气流，形成小气泡 要求: 分布板的干板压降足够大(≥3.5Kpa)以保障气体的均布(或△P干 / △P总≥10 %)
关系: 气体的放（吸）热 = 固体颗粒吸（放） 热
在微分床层高度dH内: 故:
即: 以
对H作图, 由斜率
G —— 质量流速 Kg/m2·s at —— 单位体积床层颗粒比表面
可求得α值
b.非定态法 假定: ① 任一时刻床层中气体温度等于其离开床层时温度（Tf离 = Tf1）
② 床层中任一时刻τ的颗粒温度Ts分布均匀，但随时间变化。 ③ 无热损失。（床层表面不散失热量）
第八章 固体流态化
第一节 流化（固体流态化）
固体流态化PPT课件
气泡相：是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床 层的不连续相。 特点：床层内各点处不再处处相等，床层无稳定的上 界面，上界面以某种频率作上下波动，床层压降也随之 作相应波动。
第十页，共37页。
• 判断流化形式（散式或聚式流化）的依据：
弗鲁特准数
Frmf
um2 f dpg
Frmf 0.13 Frmf 0.13
第二十五页，共37页。
沟流现象
(四) 利用流化现象判断颗粒尺寸
流化质量：是指流化床中流体分布与流固接触的均匀 程度。
能够进行良好流化的颗粒尺寸在20~500μm范围内。 ➢ 粒径小于20 μm时，极易形成沟流和死床难于流化。 ➢ 粒径大于500 μm的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。 ➢ 粒径在20~100μm的细颗粒开始时为散式流化，气速加大
故又可近似表示为：
上式表明，气体通过流化床的阻力与单位 截面床层颗粒所受的重力相等。
➢流化床阶段床层阻力恒等于单位截面床层颗粒的净 重力。
第十七页，共37页。
五、流化床的操作范围
(一) 临界流化速度umf（ umf =εut） 流化床的正常操作范围为气速高于临界流化速度umf，
低于颗粒的带出速度ut(即沉降速度)。[umf < u< ut]
➢ 当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段， 在此阶段，床层阻力基本上保持恒定。
➢ 作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与颗 粒所受的净重力（重力与浮力之差）相等，而总曳力 等于流体流过流化床的阻力与床层截面积之积，即：
第十五页，共37页。
p f A A L1 s g
式中 A-床层截面积，m2；
分离高度取决于：颗粒的粒度分 布、密度和气体的密度、粘度以及 床层的结构尺寸和气速等。 目前尚无可靠的计算公式，一般 说气速愈大，分离高度愈大。
第十页，共37页。
• 判断流化形式（散式或聚式流化）的依据：
弗鲁特准数
Frmf
um2 f dpg
Frmf 0.13 Frmf 0.13
第二十五页，共37页。
沟流现象
(四) 利用流化现象判断颗粒尺寸
流化质量：是指流化床中流体分布与流固接触的均匀 程度。
能够进行良好流化的颗粒尺寸在20~500μm范围内。 ➢ 粒径小于20 μm时，极易形成沟流和死床难于流化。 ➢ 粒径大于500 μm的极粗颗粒，流化时床层极不稳定。 ➢ 粒径在20~100μm的细颗粒开始时为散式流化，气速加大
故又可近似表示为：
上式表明，气体通过流化床的阻力与单位 截面床层颗粒所受的重力相等。
➢流化床阶段床层阻力恒等于单位截面床层颗粒的净 重力。
第十七页，共37页。
五、流化床的操作范围
(一) 临界流化速度umf（ umf =εut） 流化床的正常操作范围为气速高于临界流化速度umf，
低于颗粒的带出速度ut(即沉降速度)。[umf < u< ut]
➢ 当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段， 在此阶段，床层阻力基本上保持恒定。
➢ 作为近似计算，可以认为流化颗粒所受的总曳力与颗 粒所受的净重力（重力与浮力之差）相等，而总曳力 等于流体流过流化床的阻力与床层截面积之积，即：
第十五页，共37页。
p f A A L1 s g
式中 A-床层截面积，m2；
分离高度取决于：颗粒的粒度分 布、密度和气体的密度、粘度以及 床层的结构尺寸和气速等。 目前尚无可靠的计算公式，一般 说气速愈大，分离高度愈大。
化工原理 第四章 固体流态化
p (1 ) u 2 1.75 3 L da
或
p a(1 ) 2 0.2917 u 3 L
（三）通用计算公式——欧根方程 若将康采尼公式与布拉克-普拉默公式叠加，即可得适用于各种流动 状况下的压降计算式，称为欧根公式：
p (1 )2 u (1 ) u 2 150 1.75 3 3 2 L da da
fF 150 Re p (1 ) 1.75
第二节 固体的流态化
一、床层的流态化过程
三个阶段：固定床、流化床、颗粒输送。
（a) (b) (c) (d) (e)
L
Lm
气体Байду номын сангаас液体 （低速）
Lmf
L
气体或液体
液体
气体
气体或液体 （高速）
图3-30 不同流速下床层状态的变化：（a）固定床（b）流化开始 （c）散式流化床（d）聚式流化床（e）水力或气力输送
• 沟流 指流体在通过床层时直接经过床层中的沟道走短路，造成流体与 固相颗粒不能均匀接触的现象。在发生沟流现象时，部分颗粒区不能 发挥相应的效能，不利于传热、传质以及化学反应过程的进行。 • 对固定床，沟流现象通常发生在床层直径与颗粒直径之比较小、空隙 率很大的场合下，可通过控制床层直径与颗粒直径之比得到解决。对 流化床，颗粒粒度过细、密度大、易粘连，床径大，流体初始分布不 均匀等都易引起沟流现象。 • 综上所述，对流化床可通过测定和观测压降的变化来判断操作的正常 与否。正常情况下，压降的波动范围小，当床层压降低于正常值（单 位面积上颗粒的净重力）时，则可能发生沟流现象；若压降大幅度起 伏则表明发生了腾涌现象。
（三）两种不正常操作现象 • 腾涌（节涌）、沟流
流态化
2
u1 — 流体在虚拟细管组内的流速，等价于流体在床层颗粒
空隙间的实际 (平均) 流速。
u1 与空床流速(又称表观流速u)、空隙率ε 的关系
u1
=
u
ε
流体通过固定床的压降
de
=
4ε
ab
=
4ε a (1− ε )
工程上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的阻力损失表达
为单位床层高度上的压降
Δpb L
λ′ = K
Reb
K —— 康采尼常数，= 5.0
Δpb = K a2 (1− ε )2 μu
L
ε3
—— 康采尼（Kozeny）方程
流体通过固定床的压降
欧根（Ergun）关联式：Reb=（0.17~420）
100
λ' 10
1.0 0.1
0.01 0.1 1.0
10 100
Reb
1000 10000
L
Le
表观速度
u
u
流体通过固定床的压降
流体通过固定床的压降
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。
L
Le
表观速度
u
u
流体通过固定床的压降
流体通过固定床的压降
该管组（即床层）的当量直径可表达为
de
=
4 × 管组流通截面积 管组湿润周边
Next……
3.3 流化床主要特性
充分流化的床层表现出类似于液体的性质：
L
Δp
u
u
u
u
uu
(a)
(b)
(c)
u1 — 流体在虚拟细管组内的流速，等价于流体在床层颗粒
空隙间的实际 (平均) 流速。
u1 与空床流速(又称表观流速u)、空隙率ε 的关系
u1
=
u
ε
流体通过固定床的压降
de
=
4ε
ab
=
4ε a (1− ε )
工程上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的阻力损失表达
为单位床层高度上的压降
Δpb L
λ′ = K
Reb
K —— 康采尼常数，= 5.0
Δpb = K a2 (1− ε )2 μu
L
ε3
—— 康采尼（Kozeny）方程
流体通过固定床的压降
欧根（Ergun）关联式：Reb=（0.17~420）
100
λ' 10
1.0 0.1
0.01 0.1 1.0
10 100
Reb
1000 10000
L
Le
表观速度
u
u
流体通过固定床的压降
流体通过固定床的压降
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。
L
Le
表观速度
u
u
流体通过固定床的压降
流体通过固定床的压降
该管组（即床层）的当量直径可表达为
de
=
4 × 管组流通截面积 管组湿润周边
Next……
3.3 流化床主要特性
充分流化的床层表现出类似于液体的性质：
L
Δp
u
u
u
u
uu
(a)
(b)
(c)
12.3.1第12章第3节固体流态化
气体或液体 （b）
流态化床的特点：
固定床与流态化床的分界点 F 称为流态化临界点。 相应的流速umf 称为流态化临界速度（或称最小流化速度）。
流态化床的床层高度和空隙率随流速的升高而增大。但流体穿过床层的实际流 速u却维持不变。这是因为随着净空流速uf的提高，流态化床在胀大，使得颗粒之间 的流通截面也跟着增大的缘故。因此，如果忽略由于器壁效应产生的阻力损失时，在 流态化床内的流体阻力损失并不因流速 uf 的提高而变化。因而在这一较大的范围内 增加流体的速度，并不增加流体流动需要的功率。
p 150 (1 0 )2 • uf 1.751 0 • uf 2
L0
3 0
(s • dp )2
3 0
s d p
2) 流化床阶段 BC段 流化床阶段，整个床层压
强降保持不变，其值等于单 位面积床层的净重力。
3) 气体输送阶段
(2)实际流化床的压强降 ：
1）在固定床和流化区域有一个 “驼峰”。
不正常现象
气固系统流态化比较复杂，经常出现一些不正 常现象，使操作不稳定。 最常见的不正常现象有沟流、死床及腾涌等。
3 流化床工作参数的计算
流化床流动阻力
(1) 理想流化床的压强降 ：
理想情况下，克服流化床 层的流动阻力而产生的压 强降与空截面流速的关系 如图：
1) 固定床阶段 OB段
气体速度较低时，颗粒床层静止 不动，气体从颗粒空隙中穿流而过。 随着气速的增加，气体通过床层的摩 擦阻力也相应增加。
流化床功率消耗
小 结、作业
小 结： 1、颗粒在流动着的流体中的运动（几种情况） 2、固体流态化 作 业：完成学堂在线章节作业
开始进入连续流态化状态的 T 点，称为连续流态化临界点。T 点所 具有的流体速度ut称为流化极限速度（带出速度或最大流化速度）。 显然，流化床的形成需在流化临界速度umf和带出速度ut之间。在连 续流态化临界点上，床层的高度为无穷大，空隙率达到 1 。
固体流态化
第二节 固体流态化(Fluidization)
2、流化区域D点附近曲线略向上倾斜。这表明气 体通过床层时的压降除绝大部分用于平衡床层颗 粒的重力外，还有少部分能量消耗于颗粒之间的 碰撞及颗粒与容器壁面之间的摩擦。
3、A'C'和C'D分别表示流化床阶段和固定床阶段。 两线的交点C'为临界点，对应有、临界流化速度 umf，临界空隙率εmf，它比原始固定床的空隙率ε 稍大。
第二节 固体流态化(Fluidization)
4、C'D'线的上下各有一条虚线，表示气体流化床 的压强降波动范围，C'D为两条虚线的平均值。之所 以波动是由于气泡在向上运动的过程中不断长大， 到床面破裂。在气泡运动、长大、破裂的过程中产 生压强降的波动。
第二节 固体流态化(Fluidization) 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：
（b）
第二节 固体流态化(Fluidization) ⒉流化床阶段：
（2）流化床
当流速继续增加，床层L亦不断升 高，此即为流化床。液固系统床层 平稳渐增，如图（c）； 气固系统则出现鼓泡和气体 沟流现象，搅动剧烈，固体 颗粒运动活跃，像沸腾的液 体，因此亦称沸腾床。如图 （ d）
第二节 固体流态化(Fluidization) ⒊颗粒输送阶段：
d2 P
u
（B）
起始流化时，（A）＝（B）（L=Lmf ，ε＝εmf），则：
u mf
2 ε3 d P ( s )g mf 180(1- mf )
第二节 固体流态化(Fluidization)
说明：
①该式适用于ReP <10的起始流化速度的计算；
R eP d P uρ μ u - - - 空床速度
第五节 固体流态化
第五节固体流态化§3.5.1、概述将大量固体颗粒悬浮于运动的流体中，使颗粒具有类似于流体的某些特性，这种流固接触状态称为固体流态化。
化工中使用固体流态化技术的例子很多，如催化流化床反应器、流化床干燥器、沸腾床焙烧炉及颗粒的输送。
催化流化床反应器所用的催化剂颗粒要比固定床的小得多，颗粒的比表面积大，这样流体与固体之间的传热，传质速率就比固定床的高；对于流化床干燥器沸腾床焙烧炉也有类似的特点。
§3.5.2、流化床的基本概念现在让我们一起来观察流体通过均匀颗粒时所出现的床层现象。
一、固定床阶段当空床速度（表观速度）较低，此时即颗粒间空隙中流体的实际流速小于颗粒的沉降速度，床层现象为颗粒基本静止不动，颗粒层为固定床。
颗粒床层高度为，此时流体通过颗粒床层的压降为：，可以用康采尼方程来估算；在较大的范围内，可以用欧根方程来估算，一般误差不超过25%。
保持固定床的最大表观速度二、流化床阶段流化床阶段为表观速度增大至一定程度，时，此时，颗粒开始松动，颗粒位置可以在一定的区间内进行调整，床层略有膨胀，当颗粒仍不能自由运动，这时床层处于初始或临界化状态，床层高度增至，如左图所示，而当继续增加，即此时床内全部颗粒将“浮起”，颗粒层将更膨胀，床层高度增大至L，床层内颗粒可以在流体中作随机运动，并同时发生固体颗粒沿不同的回路作上下运动，固体颗粒的这种运动就好象液体沸腾，故流化床也称为沸腾床。
流化床内颗粒与流体之间的摩擦力恰好与颗粒的净重力相平衡，且，但基本不变。
三、颗粒输送阶段若继续增大，且，则颗粒将获得向上上升的速度，其大小为，此时，颗粒将带出容器外，这一阶段称为颗粒输送阶段。
§3.5.3、两种不同流化形式一、散式流化散式流化为固体颗粒均匀地分散在流化介质中，流化床内各处的空隙率大致相等，床层有稳定的上界面，床层压降稳定。
散式流化一般发生于液固系统。
通常两相密度差小的系统趋向散式流化。
二、聚式流化通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。
第4章 固体流态化
16
原因： 颗粒粒径大，颗粒、流体密度差大； 原因：①颗粒粒径大，颗粒、流体密度差大； 流体空床气速大，分布板开孔大易形成大气泡； ②流体空床气速大，分布板开孔大易形成大气泡； 床层高径比过大。 ③床层高径比过大。 腾涌与沟流都会使气—固两相接触不充分 不均匀、 固两相接触不充分、 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。 流化质量不高，使传热、传质和化学反应效率下降。
当降低流化床气速时，床层高度、空隙率也随之降 当降低流化床气速时，床层高度、 关系曲线沿DCBA返回。 DCBA返回 低，△P-u关系曲线沿DCBA返回。这是由于从流化床阶 段进入固定床阶段时，床层由于曾被吹松， 段进入固定床阶段时，床层由于曾被吹松，其空隙率比 相同气速下未被吹松的固定床要大，因此， 相同气速下未被吹松的固定床要大，因此，相应的压降 会小一些。 会小一些。
R ep = d P u mf ρ µ u mf ─起始流化速度
②对非球形颗粒：引入Ψ（将式中dP 用Ψ dP 代替）； 代替）； 对非球形颗粒： 不均匀颗粒：引入比表面积平均直径； 不均匀颗粒：引入比表面积平均直径； 不知时， ③ Ψ ，εmf 不知时，一般工业颗粒 =0.4，则上式可写为： 球形颗粒εmf =0.4，则上式可写为：
(1 - ε ) 2 µL ∆P = 180 ⋅ 2u 3
ε
d
（B）
P
起始流化时，（A）＝（B ），则 起始流化时，（A）＝（B）（L=Lmf ，ε＝εmf），则： ，（
u mf ε3 d P (ρs − ρ )g mf = ⋅ 180(1 - ε mf ) µ
2
24
说明： 说明：
<2的起始流化速度的计算 的起始流化速度的计算； ①该式适用于ReP <2的起始流化速度的计算；