第三章 固体流态化技术
化工原理(非均相分离)
第3章非均相物系的分离和固体流态化3．1 概述本章介绍利用流体力学原理(颗粒与流体之间相对运动)实现非均相物系的分离流态化及固体颗粒的气力输送等工业过程。
1．混合物的分类自然界的大多数物质是混合物。
若物系内部各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物或均相物系，溶液及混合气体都是均相混合物。
由具有不同物理性质(如密度差别)的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。
在非均相物系中，处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散物质或分散相；包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。
根据连续相的状态，非均相物系分为两种类型：①气态非均相物系，如含尘气体、含雾气体等；②液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及泡沫液等。
2．非均相混合物的分离方法由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业上一般都采用机械方法将两相进行分离。
要实现这种分离，必须使分散相与连续相之间发生相对运动。
根据两相运动方式的不同，机械分离可按下面两种操作方式进行。
①颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮物系分离的过程称为沉降分离。
实现沉降操作的作用力可以是重力，也可以是惯性离心力，因此，沉降过程有重力沉降与离心沉降之分。
②流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称为过滤。
实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力。
因此，过滤操作又可分为重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。
气态非均相混合物的分离，工业上主要采用重力沉降和离心沉降方法。
在某些场合，根据颗粒的粒径和分离程度要求，也可采用惯性分离器、袋滤器、静电除尘器或湿法除尘设备等，如表3—1所示。
┘此外，还可采用其他措施．预先增大微细粒子的有效尺寸而后加以机械分离。
例如，使含尘或含雾气体与过饱和蒸汽接触，发生以粒子为核心的冷凝；又如，将气体引入超声场内，使细粒碰撞并凝聚。
这样，可使微细颗粒附聚成较大颗粒，然后在旋风分离器中除去。
流态化技术
流态化技术第一章定义：流态化是一种使固体颗粒通过与气体或液体（流体）接触而转变成类似流体状态的操作。
一、流态化形成的过程1．固定床阶段气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力 < 颗粒受到的重力床层体积固体颗粒总体积床层体积空隙率-=ε2．流态化床阶段气流对颗粒的浮力 = 颗粒受到的重力 压降△P = 单位截面积上床层物料的重量 不变不变，但P L L U ∆∴-↑↑→↑→)1(εε3.气力输送阶段 (气流床）气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力 > 颗粒受到的重力Umf ——临界流化速度，是指刚刚能够使固体颗粒流化起来的气体空床流化速度，也称最小流化速度。
Ut ——带出速度，当气体速度超过这一数值时，固体颗粒就不能沉降下来，而被气流带走，此带出速度也称最大流化速度。
操作速度、表观流速（U ）——是指假想流体通过流化床整个截面（不考虑堆积固体粒子）时的截面平均流速（也称空塔速度或空管速度），用U 表示。
注意P2图1.2两条线不重合的原因：该页第四段（非自然堆积）二、形成流态化的条件1.有固体颗粒存在2.有流体介质存在3．固体与流体介质在特定条件下发生作用三、流态化过程具有的特点1.类似液体的特性（物性参数）2.固体颗粒的剧烈运动与迅速混合3. 强烈的碰撞与摩擦4.颗粒比表面积大5.气体与颗粒的接触时间不均匀四、流态化过程中的不正常现象1．沟流2.腾涌 3.分层 4.气泡五、气-固流化床的一般性评价1．良好的床层均温性 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流态化可以分为聚式流化态和散式流化态。
气泡相：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乳化相：指的是固体颗粒与气体介质的混合区域第二章A 类： 细 大多数工业流化床反应使用的催化剂属于此类。
B 类: 粗 鼓泡床大都用此颗粒C 类： 极细 在气固催化反应中很少采用，但同相加工中采用较多，如明矾综合利用。
固体流态化技术
因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率， 表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体 通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的ut 。
2015-6-3 7
（2）流化床
需要特别指出的是，流化床原则上应有一个明 显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut 。
假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层 而进入界面以上的空间，在该空间中（ε=1.0） 该颗粒的表观速度u即为其真实速度u1 u=u1＜ut 故颗粒必然回落到界面上。
2015-6-3
10
5.4.3 流化床的主要特性----恒定的总压降 流化床的横截面积A ,床层高度L ，床 内所有颗粒的质量m ，颗粒的密度ρp 流体的密度ρ，截面1的压强P1 ，截面 2的压强P2 。 方向向上的力之和=方向向下的力之和
P2
L
P1 A
总床层 高度上 的压降
m
p
g P2 A mg
P1
流体
mg m 1 P1 P2 g A p A
如果忽略 P P mg 1 2 浮力 A
2015-6-3
特别注意：总床层高度上的压降近似等于单位 截面床内固体颗粒的重量，与流体速度无关， 是定值。但是，单位床层高度上的压降随着流 体速度增加而减小。 11
注意：在流化床的范围内，随着气体速度的增加，床层高度L逐 渐增加，尽管总床的压降基本不变。但是，单位床层高度上的 压降是变化（减小）的。 pf,L1 L1 mL1 例5－4床层固存量的近似估计 mL g 在某一各处均匀状态的流化床中，pf,L
由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群 居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调 整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度 范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能 存在的物理基础。
固体流态化实验报告
一、实验目的1. 观察固体颗粒在流态化过程中的聚式和散式流化现象。
2. 测定床层的堆积密度和空隙率。
3. 测定流体通过颗粒床层时的压降与空塔气速的曲线，并确定临界流化速度。
二、实验原理固体流态化是指固体颗粒在气体或液体介质中，由静止状态逐渐过渡到具有一定流动性的状态。
在此过程中，颗粒的流动速度与气体（或液体）的流速之间存在一定的关系。
当气体（或液体）流速达到某一临界值时，颗粒开始由静止状态转变为流态化状态，此时的流速称为临界流化速度。
三、实验装置1. 实验装置流程：鼓风机→ 气体流量调节阀→ 气体转子流量计→ 温度计→ 气体分布板→ 颗粒床层→ 床层顶部。
2. 实验材料：石英砂、空气或水。
四、实验步骤1. 将石英砂装入床层，轻轻敲打床层，使床层高度均匀一致，并测量首次静床高度。
2. 打开电源，启动风机，调节气体流量，从最小刻度开始，每次增加0.5m³/h，同时记录相应的空气流量、空气温度、床层压降等上行原始数据。
最大气体流量以不把石英砂带出床层为准。
3. 调节气体量从上行的最大流量开始，每次减少0.5m³/h，直至最小流量，记录相应的下行原始实验数据。
4. 测量结束后，关闭电源，再次测量经过流化后的静床高度，比较两次静床高度的变化。
5. 在临界流化点之前，保证床层稳定，避免发生颗粒带出现象。
五、实验数据及处理1. 记录实验数据，包括空气流量、空气温度、床层压降、静床高度等。
2. 绘制压降与空塔气速的曲线。
3. 根据实验数据，确定临界流化速度。
六、实验结果与分析1. 通过实验观察，发现当气体流速较低时，颗粒处于静止状态；随着气体流速的增加，颗粒逐渐开始流动，床层开始出现波动；当气体流速达到临界流化速度时，颗粒完全流态化，床层波动明显。
2. 根据实验数据，绘制压降与空塔气速的曲线，曲线呈非线性关系。
3. 根据曲线，确定临界流化速度为0.4m/s。
七、实验结论1. 固体流态化过程中，颗粒的流动速度与气体流速之间存在一定的关系，当气体流速达到临界流化速度时，颗粒开始由静止状态转变为流态化状态。
固体流态化及气力输送课件
某石油化工企业固体流态化与 气力输送集成系统优化
案例三
某造纸企业固体流态化与气力 输送技术集成创新
案例四
某新能源企业固体流态化与气 力输送技术在生产中的应用
THANKS
压送式气力输送是利用正压将物料从进料口压入管道，再通过气流将其输送到目的 地。
气力输送的应用
气力输送广泛应用于化工、食品、医 药、电力等工业领域，用于原料的运 输、产品的包装和加工等环节。
在食品和医药领域，气力输送可用于 无菌、无尘的环境下输送散装物料， 如谷物、糖、药片等。
在化工领域，气力输送可用于粉状和 颗粒状物料的输送，如煤粉、化肥、 塑料粒子等。
根据应用领域的不同，可以分为化工 流态化、生物流态化、食品流态化等 类型。
根据流体作用力分类
根据流体作用力的不同，可以分为重 力流态化、气流化、搅拌流态化等类 型。
流态化技术的应用
化工领域
在化工领域中，固体流态化技术 广泛应用于反应、分离、干燥、 混合等工艺过程中，如石油工业
中的油品加工、化学反应等。
03
集成化
随着生产工艺的复杂化，固体流态化和气力输送技术将趋向于与其他工
艺技术集成，形成完整的生产系统，提高生产效率。
未来挑战与展望
技术创新
未来仍需不断探索新技术、 新方法，突破现有技术的瓶 颈，提高固体流态化和气力 输送的效率和稳定性。
智能化水平
加强智能化技术的应用研究 ，提高系统的自动化和智能 化水平，实现更加精准的控 制和优化。
环保要求
关注环保要求，加强绿色技 术的研发和应用，降低固体 流态化和气力输送对环境的 影响。
行业标准
制定和完善行业标准，规范 市场秩序，促进固体流态化 和气力输送行业的健康发展 。
机械分离与固体流态化习题解答
•
（3）颗粒与气流的相对运动为层流，
由假设（1）、（3）可推出气流中颗粒的离心沉降速度：
Ρ比Ρs小很多故略去，用 进口速度代替切线速度
由假设（2）可得到颗粒到达器壁所需沉降时间：
令气体进入排气管以前在器内旋转的圈数为N，则运行的 距离为2πrmN,故停留时间：
若某种尺寸的颗粒所需的沉降时间恰好等于停留时间，则该颗粒就 是理论上能被完全分离下来的最小颗粒。即临界粒径
四、过滤计算
1．间歇过滤机的计算 （1）操作周期与生产能力
操作周期总时间 总时间 = 过滤时间+ 洗涤时间 +卸渣、清理、装合 生产能力
（2）洗涤时间
对于板框式压滤机，属横穿洗涤，洗涤液所穿过的
滤饼厚度2倍于最终过滤时滤液所通过的厚度，而 洗涤液的流通截面却只有滤液的流通截面的一半， 假定洗涤液粘度与滤液黏度相等 则洗涤速度
u 离心力F离 d p s T 6 R 2 uT 3 浮力F浮 d p 6 R
3
2
u
阻力 Fd
浮力 Fb
离心力 Fc
阻力F阻
4
dp
2
ur 2
2
若这三个力达到平衡，则有
2 2
颗粒在离心力场中的受力分析
2
3 uT 3 uT 2 ur d p s d p s d p 0 6 R 6 R 4 2
含尘气体进入降尘室后，因流道截面积扩大而速度减慢，只要 颗粒能够在气体通过的时间内降至室底，便可从气流中分离出来。
沉降运动时间< 气体停留时间→分离
• 颗粒在降尘室停留的时间时间为： 位于降尘室最高点的颗粒沉降至室底需要的时间为：
分离满足的条件：
《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
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
化工原理(第四版)谭天恩 第三章 机械分离与固体流态化
《化工原理》电子教案/第三章
二、沉降设备
气 固 体 系---用于除去>75m以上颗粒 降 尘 室 重 力 沉 降 设 备 液 固 体 系 沉 降 槽
液固体系 旋液分离器
离 心 沉 降 设 备 旋风分离器 气固体系 ---用于除去>5～10m 颗粒
4d s g u0 3
如图3-2中的实线所示。
Re0=du0/ 1或2
24 层流区 Re0
u0
d 2 s g 18
----斯托克斯定律
作业：
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《化工原理》电子教案/第三章
1、自由沉降
离心沉降速度 离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量 颗粒受力：
加料 清液溢流 清液
耙 稠浆
除尘原理：与降尘室相同
连续式沉降槽
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《化工原理》电子教案/第三章
增稠器（沉降槽） 特点：
属于干扰沉降 愈往下沉降速度愈慢-----愈往下颗粒浓度愈高，其表观粘 度愈大，对沉降的干扰、阻力便愈大； 沉降很快的大颗粒又会把沉降慢的小颗粒向下拉，结果小颗 粒被加速而大颗粒则变慢。 有时颗粒又会相互聚结成棉絮状整团往下沉，这称为絮凝现 象，使沉降加快。
9 B dc Nu i s
含尘 气体 A
B
净化气体
N值与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速 1225 ms-1范围内，一般可取N =34.5，风速愈大，N也 愈大。 思考：从上式可见，气体 ，入口B ，气旋圈数N ，进口气速ui ，临界粒径越小，why？
D
结论：旋风分离器越细、越长，dc越小
这种过程中的沉降速度难以进行理论计算，通常要由实验决 定。
(完整版)新版化工原理习题答案(03)第三章非均相混合物分离及固体流态化-题解
第三章 非均相混合物分离及固体流态化1．颗粒在流体中做自由沉降，试计算（1）密度为2 650 kg/m 3，直径为0.04 mm 的球形石英颗粒在20 ℃空气中自由沉降，沉降速度是多少？（2）密度为2 650 kg/m 3，球形度6.0=φ的非球形颗粒在20 ℃清水中的沉降速度为0.1 m/ s ，颗粒的等体积当量直径是多少？（3）密度为7 900 kg/m 3，直径为6.35 mm 的钢球在密度为1 600 kg/m 3的液体中沉降150 mm 所需的时间为7.32 s ，液体的黏度是多少？解：（1）假设为滞流沉降，则：2s t ()18d u ρρμ-= 查附录20 ℃空气31.205kg/m ρ=，s Pa 1081.15⋅⨯=-μ，所以，()()()m 1276.0s m 1081.11881.9205.126501004.018523s 2t =⨯⨯⨯-⨯⨯=-=--μρρg d u 核算流型：3t 51.2050.12760.04100.3411.8110du Re ρμ--⨯⨯⨯===<⨯ 所以，原假设正确，沉降速度为0.1276 m/s 。
（2）采用摩擦数群法()()s 123t 523434 1.81102650 1.2059.81431.93 1.2050.1g Re u μρρξρ---=⨯⨯-⨯==⨯⨯ 依6.0=φ，9.431Re 1=-ξ，查出：t e t 0.3u d Re ρμ==，所以： 55e 0.3 1.8110 4.50610m 45μm 1.2050.1d --⨯⨯==⨯=⨯ （3）假设为滞流沉降，得：2s t()18d g u ρρμ-= 其中 s m 02049.0s m 32.715.0t ===θh u将已知数据代入上式得：()s Pa 757.6s Pa 02049.01881.91600790000635.02⋅=⋅⨯⨯-=μ 核算流型t 0.006350.020*******.0308116.757du Re ρμ⨯⨯===< 2．用降尘室除去气体中的固体杂质，降尘室长5 m ，宽5 m ，高4.2 m ，固体杂质为球形颗粒，密度为3000 kg/m 3。
《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。
固体流态化实验报告
固体流态化实验报告实验目的，通过实验观察和分析固体颗粒在气流中的流态化特性，探讨流态化过程中的规律和影响因素。
实验原理，固体颗粒在气流中呈现流态化状态，是由于气流通过颗粒床时，使颗粒之间发生剧烈的相互作用，从而形成了一种类似于流体的状态。
流态化过程包括固体颗粒的床层形成、床层的膨胀和收缩、颗粒之间的相互作用等。
实验装置，本次实验采用了一台流态化实验装置，包括气流发生器、颗粒床、气流调节装置、压力传感器和温度传感器等。
实验步骤：1. 调节气流速度和颗粒床高度，使得气流能够充分通过颗粒床并形成流态化状态。
2. 测量和记录不同气流速度下的颗粒床压力和温度变化。
3. 观察颗粒床的膨胀和收缩情况，记录流态化过程中的现象和规律。
实验结果与分析：通过实验观察和数据记录，我们得到了以下结果：1. 随着气流速度的增加，颗粒床的压力呈现出逐渐增加的趋势。
这是因为气流速度增加会导致颗粒床的膨胀，从而增加了床层的阻力，使得床层压力增加。
2. 在一定范围内，气流速度的增加对颗粒床温度影响不大。
但是当气流速度超过一定数值时，颗粒床温度会明显上升，这是由于气流速度增加引起了颗粒之间的摩擦和碰撞，从而导致颗粒床的温度升高。
3. 流态化过程中，颗粒床呈现出了明显的膨胀和收缩现象。
当气流速度增加时，颗粒床的膨胀程度增加，床层呈现出了更加松散的状态。
而当气流速度减小时，颗粒床收缩，床层变得更加紧密。
结论，通过本次实验，我们深入了解了固体颗粒在气流中的流态化特性。
实验结果表明，气流速度对固体颗粒流态化过程有着显著影响，同时也揭示了流态化过程中颗粒床的压力、温度和膨胀收缩等重要特性。
这对于工业生产中的颗粒物料输送和处理具有一定的指导意义。
实验改进和展望，在今后的实验中，我们可以进一步研究不同颗粒物料的流态化特性，探讨影响流态化过程的更多因素，以及优化流态化实验装置，提高实验数据的准确性和可靠性。
通过本次实验，我们对固体流态化的特性和规律有了更深入的认识，这对于相关领域的研究和应用具有一定的参考价值。
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
固体流态化的名词解释
固体流态化的名词解释1. 引言固体流态化是一种物质在外界作用下从固态向流态转化的过程。
相较于传统的固体和液体状态，固体流态化展现了许多独特的性质和潜力。
本文将对固体流态化进行详细解释，包括其定义、机理、应用和前景。
2. 固体流态化的定义固体流态化，又称为固体颗粒流动或颗粒流动化，是指固态物质在特定条件下，颗粒之间产生流动并表现出类似流体的行为。
这种状态下，固体被视为一个可变形、流动性较高的流体。
3. 流态化机理固体流态化的机理主要涉及颗粒之间的微观相互作用力和流动条件。
通常包括以下几个关键因素：1) 颗粒表面摩擦力：颗粒之间的表面摩擦力越小，流动性越高；2) 颗粒内部结构：颗粒内部的结构和排列方式会影响流动性；3) 外界作用：外界力的引入，如振动、剪切力或液体注入等，可以激发颗粒之间的流动行为；4) 孔隙空间：颗粒之间存在的孔隙空间和通道的形状和大小也会影响固体流态化的程度。
4. 固体流态化的应用固体流态化在许多领域具有重要的应用价值。
以下是几个典型的应用示例：1) 粉末冶金：固体流态化可用于粉末冶金工艺中，以促进粉末的均匀混合以及提高成型的效果；2) 粒子分离和筛选：通过固体颗粒的流态化，可以实现粒子的分离和筛选，广泛用于颗粒物料的分级和分类；3) 化工过程中的颗粒反应器：固体流态化可以使颗粒在反应器中更好地混合并提高反应效率；4) 沉积工艺中的喷涂：固体粉末的流态化可用于金属沉积、涂覆和喷涂工艺中，以获得均匀且致密的表面涂层；5) 滑动摩擦控制：借助固体颗粒的流态化，可以改善材料表面的摩擦性能，实现摩擦的控制和减少磨损。
5. 固体流态化的前景随着科技的发展和对新材料、新工艺的需求增加，固体流态化技术在工业和科学研究中的重要性不断提升。
固体流态化既可以改善传统过程的效率和品质，又可以为新型工艺的开拓提供基础。
同时，固体颗粒流态化也是一个广阔而充满挑战的研究领域，吸引了越来越多的科学家和工程师加入研究队伍。
第三章机械分离与固体流态化PPT课件
过滤操作的外力
重力过滤 重力
过滤
加压过滤 真空过滤
压强差 压强差
离心过滤 惯性离心力
5
第一节 颗粒及颗粒床层的特性 3-1-1 颗粒的特性
一、单一颗粒 1、球形颗粒
➢体积 ➢表面积
V d3
6
S d2
➢比表面积 a=6/d
单位时间通过单位过滤面积的滤液体积，单位为m/s。
udV 3 (pc) Ad 5a2(1)2 L
过滤速率 单位时间获得的滤液体积，单位为m3/s。
dV 3 d5a2(1)2
(Apc)
L
24
三、滤饼阻力
滤饼的比阻
r 5a2(1)2 3
反映了颗粒形状、尺寸及床层的空隙率对滤液 流动的影响，为单位厚度床层的阻力，单位1/m2。
20
3-3-2 过滤基本方程式
一、滤液通过饼层的流动 颗粒床层的物理模型： 颗粒床层 一组平行细管 流体通道 ①细管内表面 = 床层颗粒的全部表面 ②细管的总体积 = 床层空隙体积
LHale Waihona Puke 21de 4水力半径 4润 管湿 道周 截边 面长 积 de 润 流湿 通周 截边 面 流 流长 积道 道长 长度 度
1、粒度分布
2、平均粒径
三、粒子密度
真密度ρs 堆积密度ρb （表观密度）
3-1-2 颗粒床层的特性
一、床层空隙率
床层床体层积 -颗体粒积体积
二、床层比表面积 : ab=（1-ε）a
9
第二节 沉降过程
3-2-1 重力沉降
一、沉降速度
重力 Fg 6d3sg 浮 阻力 力 FFbd6Ad32ug2
化工原理 第三章 非均相物系的分离和固体流态化.
' 4.17 0.29
Reb
pf L
1 2 a2u
4.17
3
1 au2
0.29 3
6 a
sde
pf L
1 2 u 150 3 sde 2
1 u2
1.75
3 sde
Reb
3
pf L
1 2 u 150 3 sde 2
Reb
100
pf L
1 u2 1.75 3 sde
第三章 非均相物系分离和固体流态化
目的→基于流体 力学（颗粒与流 体间的相对运 动），掌握非均 相物系的机械分 离方法、过程计 算及其典型设备 的结构、特性和 选型。
非均相物系 概念
颗粒和颗粒床层特性
非均相物系的
沉降
分离和固体流 机械分离
态化
过滤
固体流态化
概念－非均相物系
1. 非均相物系 ① 非均相物系
均相混合物 （均相物系）
溶液与混合气体
混合物
分散物质 固体颗粒、液滴或气泡
非均相混合物 （分散相）
（非均相物系） 分散介质 气态非均相物系（含尘气体）
（连续相） 液态非均相物系（悬浮液）
概念－非均相物系
② 非均相物系的分离方法 沉降→颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬 浮物系分离，作用力是重力或离心力。
1/100 0.0042 0.0058 in或147 μm
概念－颗粒
② 颗粒群的平均粒径 颗粒群的平均粒径→常用平均比表面积直径，即Sauter直径。
k
da2
6
da3
ni di2
i 1
k i 1
ni
6
di3
xi K nisdi3
固体流态化PPT课件
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。
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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：
催化剂再生
FCC
细颗粒干燥
四、流化床的操作范围
1、起始流化速度 umf 化速度 umf 流化床操作范围下限 因为床层的非均匀性，不能简单以颗粒直径求起始流
原因在于：
大颗粒的 ut 大，则 umf 也大，以大颗粒的 umf 为床层的起始流化速度，则小颗粒被带走；
小颗粒的 ut小，则 umf 也小，以小颗粒的 umf 为床层的起始流化速度，则大颗粒还未动；
流化床的主要优点
3、气流的不均匀分布和气-固的不均匀接触 P174
腾涌现象的特征，就是气泡直径大到与床径相等，将床层分为几段，变成一段 气泡和一段颗粒的相互间隔状态。此时颗粒层被气泡像活塞一样向上推动，达到 一定高度后气泡破裂，引起部分颗粒的分散下落。腾涌发生时，床层的均匀性被 破坏，使气固相的接触不良，严重影响产品的产量和质量，并且器壁磨损加剧， 引起设备的振动。 产生的原因：出现腾涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压降大于理论 值，而气泡破裂时又低于理论值，即压降在理论值上下大幅度波动。一般来说， 床层越高、容器直径越小、颗粒越大、气速越高，越容易发生腾涌现象。 处理方法：在床层过高时，可以增设挡板以破坏气泡的长大，避免腾涌发生。
p f L (1 )( s ) g
气 固流化床： s
p f L
(1 ) s g
p f LA(1 ) s g / A mg / A
即：流化床层阻力=单位面积床层中颗粒的总重力， 因此流化床阶段，床层压降基本恒定。
流化床的优缺点比较
ut
d p2 ( p ) g 18
（与上式相似）
如颗粒直径相差 6 倍以上，当大颗粒起动，而小颗粒已 被带走；公式不适用于粒径变化很大的颗粒床层。此公 式计算的 umf 偏差较大（±34%），实际 umf 应以实验测 定值为准；但公式提供了影响 umf 的变量，当实验条件 与操作条件不同时，可用来对实验结果进行修正。
1、流态化的理论根据—单颗粒运动
·
ut
u ut
up u ut
↑上浮 ↓下沉 悬浮
u ut u ut
u
up：颗粒在流体中的绝对速度
2、流态化机理
通过调节气速，改变床层的空隙率，使床层处于流态化。
固定床阶段 → 流化床阶段 → 颗粒输送阶段
增大 u （空塔速度）
优点： ① 颗粒混合均匀——床层温度差小 ②恒定压降——可使用小颗粒 对固定床则不同，
P a 2
小颗粒 a 大（比表面积），则阻力大。
③具有流动性——便于输送
缺点： ① 流动不均匀（空穴的存在引起），催化剂利用率、 反应器利用率较低。 ②催化剂破碎严重（相互碰撞引起），损失大。 （一般需配套良好的旋风分离器） 强放热反应
散式流化 液-固系统 固体颗粒均匀分布、上界面清晰
聚式流化 气-固系统 存在空穴（气泡）的移动和合并 界面以下 浓相区 空穴破裂→ 界面起伏 界面以上 稀相区
散式流化床
聚式流化床
三、流化床的主要特性
1、液体样特性 流化床的一般特性
L
p
u
(a)
u
(b) (c)
u
u
(d)
u
(e)
u
2、固体颗粒的均匀混合
3
de 2 ( p ) g 2 3mf L 2 2 u umf de 150(1 mf )
常见小颗粒的起始流化速度 umf ：
umf de 2 ( p ) g 1650 ；de：平均直径
（非均匀颗粒）
比较沉降速度
ut 结论： 100 umf
起始流化点为固定床阶段与流化床阶段之交点
固定床
B A ¢ 起始流化速度 D（带出速度 ）
logΔP
流化床
C
带出开始
Umf为流化
床操作范围 下限
log u
表观速度
二者压降相等
P
流
P
固
m P流 ( p ) g P L(1 )( p ) g Ap
P固 150 (1 )2
流态化技术是20世纪四十年代化工原理上的重大发现，
运用非常广泛。 大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，颗粒具有类似
于流体的表观特性，这种流固接触状态称为固体流态化。
二次大战后，石油催化裂化的催化剂再生，原来是通空气使 表面炭层烧除，易发生危险，用流化技术后得到改进，石油加 工得到发展。
一、流化床层表观速度 u 颗粒沉降速度 ut 大量颗粒被带走，流化床带出速度就是颗粒沉降速度 ut ut ut 大颗粒 91.6 8.16 小颗粒 umf umf