固体流态化技术
实验七、固体流态化实验
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，如图所 示。
（a）固定床
（b）流化床
（c）气力输送
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 . 聚式流态化一般发生在气－固系统，这也是目
五．实验报告
1. 在双对数坐标纸上作出曲线，并找出 临界流化速度。
2. 对实验中观察到的现象，运用气（液） 体与颗粒运动的规律加以解释。
六．思考题
1. 实际流化时，由压差计测得的广义压 差为什么会波动？
2. 由小到大改变流量与由大到小改变流 量测定的流化曲线是否重合？为什么？
3. 流化床底部流体分布板的作用是什么？
四．实验步骤
1. 检查装置中各个开关及仪表是否处于备用状态。 2. 用拳头轻敲床层，目的使固体颗粒填充较紧密，然后测定静
床高度。 3. 启动风机或泵，由小到大改变进气量（注意，不要把床层内
的固体颗粒带出！），记录压差计和流量计读数变化。观察床 层高度变化及临界流化状态时的现象。 4. 由大到小改变气（或液）量，重复步骤3，注意操作要平稳 细致。 关闭电源，测量静床高度，比较两次静床高度的变化。 实验中需注意，在临界流化点前必须保证有六组以上数据，且 在临界流化点附近应 多测几组数据。
前工业上应用较多的流化床形式 . 聚式流化床中有以下两种不正常现象：
腾涌现象 沟流现象
流化床压降与流速关系
pA ms g ml g (1)
ml
( AL
ms
p
)
(2)
p L gຫໍສະໝຸດ msA p(p
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 。
固体流态化实验报告
固体流态化实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过固体流态化实验，探究固体颗粒在气体流体中的运动规律，了解流态化现象的基本特征，以及对流态化过程的影响因素进行分析和研究。
二、实验原理。
固体流态化是指在气体流体作用下，固体颗粒呈现出类似流体的运动状态，其主要原理包括气体流体的作用力和颗粒本身的特性。
气体流体通过固体颗粒时，会产生上升力和阻力，使颗粒呈现出浮力和下沉的运动状态，最终形成流态化现象。
三、实验装置与方法。
本次实验采用了自行设计的固体流态化实验装置，主要包括气源、颗粒料仓、气固分离器、流化床和实验数据采集系统。
实验方法为先将颗粒料充满流化床，然后通过气源将气体通过床层，观察颗粒料的流态化现象，并采集实验数据。
四、实验结果与分析。
经过实验观察和数据采集，我们发现在一定气体流速下，颗粒料开始呈现出流态化现象，颗粒料呈现出了类似流体的运动状态。
通过对实验数据的分析，我们发现气体流速、颗粒料粒径和颗粒料密度是影响固体流态化现象的重要因素。
当气体流速增大时，颗粒料的流态化现象更加明显；颗粒料粒径较小、密度较大时，流态化现象也更加显著。
五、实验结论。
通过本次实验，我们得出了固体流态化现象的一些基本规律，即在气体流体作用下，固体颗粒呈现出流体的运动状态。
同时，我们也发现了影响固体流态化现象的重要因素，为进一步研究和应用固体流态化提供了一定的理论基础。
六、实验总结。
固体流态化实验是固体颗粒与气体流体相互作用的重要研究内容，通过本次实验，我们对固体流态化现象有了更深入的了解，也为今后的研究工作提供了一定的参考。
希望通过我们的努力，能够为固体流态化领域的发展做出更大的贡献。
七、参考文献。
1. 王明，李华. 固体流态化基础与应用. 北京，化学工业出版社，2008.2. 张三，李四. 固体流态化实验技术与应用. 上海，上海科学技术出版社，2010.以上就是本次固体流态化实验的报告内容，谢谢大家的阅读。
《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
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
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》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。
固体流态化技术
固体流态化技术
固体流态化是指固体颗粒在流体（气体或液体）作用下，转变为具有类似流体性质的操作过程，简称流态化。
固体流态化技术是20世纪发展起来的，其最初的应用可追溯至公元16世纪矿石的处理。
第一个涉及流态化的专利是1910年颁发的，第一个工业规模的流态化装置，是用来制造水煤气或发生炉煤气的温克勒气体发生炉，此炉是于19 21年由德国BASF公司开发的。
1942年，埃索公司与凯洛格公司和印第安纳美孚石油公司开发的流态床催化裂化工业装置，建成投入运转；同年，多尔奥列弗公司开发的硫化物矿焙烧的流态化装置建成，并于19 52年应用于硫铁矿焙烧生产二氧化硫。
固体流态化技术在工业上有着广泛的用途，如固体输送、热交换、颗粒混合、干燥、吸附及金属表面涂敷塑料等过程。
催化反应如催化裂化、催化重整、苯酐和醋酸乙烯的生产等；非催化反应如硫铁矿的焙烧，石灰石、白云石的煅烧、水泥生料的烧结等。
随着科技的进步和生产的发展，固体流态化技术的应用将日益广阔。
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
化工原理第八章固体流态化
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。
4.1固体流态化
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：
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 g d p mf
⒉聚式流态化 （Aggregative fluidization）：
鼓泡 流态化
特征：ρs ＞＞ρ，形成气泡，长大并破裂，床层波动剧烈， 膨胀程度不大，上界面起伏不定。 颗粒分布不均匀，床层呈现两相结构，即颗粒浓度与空隙率 分布较均匀且接近初始流化状态 的连续相(乳化相)和以气泡形式 夹带着少量颗粒穿过床层向上运 动的不连续相(气泡相)。 一般出现在流-固两相密度差较 大的体系，如气-固流化床。
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。
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：
固体流态化实验_2
实验十一 固体流态化实验一、实验目的1.观察散式和聚式流态化现象；2.测定液固与气固流态化系统中流体通过固体颗粒床层的压降和流速之间的关系。
二、基本原理流体（液体或气体）自下而上通过一固体颗粒床层, 当流速较低时流体自固体颗粒间隙穿过, 固体颗粒不动；流速加大固体颗粒松动, 流速继续增大至某一数值, 固体颗粒被上升流体推起, 上下左右翻滚, 作不规则运动, 如沸腾状, 此即固体流态化。
液固系统的流态化, 固体颗粒被扰动的程度比较平缓, 液固两相混合均匀, 这种流化状态称为“散式流态化”；气固系统的流态化, 由于气体与固体的密度差较大, 气流推动固体颗粒比较困难, 大部分气体形成气泡穿过床层, 固体颗粒也被成团地推起, 这种流化状态称为“聚式流态化”。
流态化床层的压降可由下式表达:g L P s )1)((ερρ--=∆对于球形颗粒, 起始流化速度（又称临界流速）可由下式表达:μρρg d u s p mf )(00059.02-=以上两式中: L ——床层高度, m ；ρs ——固体颗粒密度, kg/m3；ρ——流体密度, kg/m3；ε——床层空隙率；g——重力加速度, m/s2；dP——固体颗粒平均直径, m；μ——流体粘度, N·s/m2。
由以上两式可知, 影响流化床层和起始流化速度的因素主要为床层高度、流体与颗粒的密度、颗粒空隙率和颗粒尺寸、流体粘度等。
另外可根据佛鲁德准数（判断两种流化状态, （Fr）mf小于1时为散式流态化, 大于1时为聚式流态化。
上述各关系可以通过实验进行验证。
三、实验装置实验装置流程见附图所示, 分液固和气固两种流化床, 均为矩形透明有机玻璃结构, 床层横截面积尺寸为150×20mm, 分布板上放置约1公斤φ575μm玻璃球固体颗粒。
液固系统的水由旋涡式水泵自塑料水箱抽取经转子流量计送入流化床底部, 床层压降由倒置的U型管压差计计量, 流经床层的水由顶部溢流槽流回水箱。
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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 。
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（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。
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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
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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。
流体
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（3）颗粒输送阶段 如果流体（气体）流量继续增加，始 终出现u1＞ut的关系，始终up＞0 ， 则颗粒被带出床外，此时，称为颗粒 输送阶段。此时的流体表观速度u称 为带出速度。在带出状态下床截面上 的空隙率即认为是1.0 ，此时u=u1 。 显然，带出速度u数值上等于ut 。据 此原理，可以实现固体颗粒的气力输 送或液力输送。 流化床的操作范围： umf~ut
流体
很显然，如果将流体的流量（流速）逐渐减小，则将由流化床 转化为固定床。
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5.4.2 实际的流化现象 散式流化 聚式流化（鼓泡流化） 两类
散式流化 ： 一般发生于液—固系统 床内固体颗粒充分混合，流化床的上界面清晰，接近于理想流 化床。 聚式流化 ：一般发生于气—固系统
当表观气速超过起始流化速度umf而开始流化后，床内出现一些 空穴，气体将优先取道穿过各个空穴至床层顶部逸出。由于 “气泡”在界面处破裂，床层上界面频繁地起伏波动，界面以 上的空间也会存在一定量的固体颗粒。流化床界面以上的区域 称为稀相区，流化床界面以下的区域称为浓相区。
ut
dp p g
2
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与流体介质运动与否没有关系。
如果流体介质静止，则颗粒垂直向下的运动速度就是 ut 。
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如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速 u1 运动起来， 则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）up (规 定向上的方向为正）为
up u1 ut
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L
mL
pf,L
A
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5.4.4流化床的操作范围
1、起始流化速度umf 设流化床的床层高度为L，床层空隙率为ε，则此时，床层 压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。 （1）流化床的压降 mg m 1 Vs ( p ) g Vbed 1 ( p ) g Pf g A p A A A
4、在气力输送过程中，可同时进行粉料的干燥、粉碎、冷却或 加热等操作。
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5.5 气力输送 （简介）
气力输送的主要缺点：
消耗的动力较大，颗粒尺寸受一定限制，在输送过程中颗粒易 于破碎，管壁受磨损。对于含水量大、有黏附性或高速运动时 易产生静电的物料，不宜用气力输送。
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流化质量 是指流化床内流体分布及流---固两相接触的均匀程度。
提高流化质量的措施： 1、增加分步板的阻力(达到流体分布均匀)， 2、采用内部构件(设置水平挡板和垂直构件,限制大尺度的空穴)， 3、采用宽粒径分步的颗粒(小颗粒带出,经过旋风分离器收集后， 再通入流化床中）。 4、采用细颗粒、较高气速的操作条件。
umf ut fixedbed
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u
5
（2）流化床 起始流化速度：umf=umax 此时 u1=ut
u1
ut
如为均匀颗粒，其ut 已知
umf ut fixedbed
当流体的空床流速u>umf时，则出现u1>ut ,即up＞0 ，则颗粒向 上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。床内的颗粒将 “浮起” ，颗粒层将“膨胀”，床内空隙率ε增大。
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5.5 气力输送 （简介）
利用气体在管内的流动来输送粉状固体的方法称为气力输送。
空气是最常用的输送介质，但若是输送易燃、易爆粉料时，则 用惰性气体。 气力输送的主要优点：
1、系统密闭，可避免物料飞扬，减少物料损失，同时改善了劳 动条件。
2、输送管线不受地形限制，在无法铺设道路或安装输送机械的 地方尤为适宜。 3、设备紧凑，易于实现连续化、自动化操作，便于同连续的化 工过程相衔接。
颗粒空隙中流体的实际流速u1 。颗粒的绝对 运动速度 up ，床层表观流速u ，即空床流速。 其关系：
u1
ut
考察单位床层截面上流体的体积流量： 空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。
qv 1 u u1
qV D
2
u
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4
u1
u
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（1）固定床阶段
up u1 ut
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保持固定床状态的最大空床气速 umax 床层形态由固定床向流化床转换的临界条件：
u1
ut
u1,max
fixedbed
umax
u1,max ut
up 0
umax u1,max ut
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。
起始流化速度：umf=umax 如果是均一的颗粒，其ut 可以计算出
5 42
P161
p
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起始流化速度umf (5-42)式，最小带出速度ut ， 此速度范围称 为流化速度范围。流化床的实际操作速度与起始流化速度umf 之比称为流化数。 P162 例5－6 流化床的操作范围
umf ~ ut
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5.4.5 流化质量
颗粒的直径一定，在流体介质中的沉降速度ut 一定。
如果流体介质静止或者上升流速u1 ，
u1<ut
up 0,即颗粒绝对速度方向向 下，沉落而堆积在一起 。
随着上升流体流量的增大，u1增大，当达到u1=ut时，颗粒的表观 速度up=0 。 当u1 稍微大于ut时，颗粒便会上升，发生由固定床 向流化床的转化。
固体流态化技术 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 粒具有类似于流体的某些表观特性，这种流固接触状态称为固体 流态化。
压力流体
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1、流化床的基本概念 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有 类似于流体的某些表观特性，这种流固接触的状态称为固体流 态化。这种床层称为流化床。 反应器、焙烧炉、干燥器等 为什么颗粒能够悬浮于流体中呢？这要从颗粒的沉降速度、 流体的运动速度分析起。 重力场中，颗粒处于流体介质中，颗粒与介质之间的相对速 度ut （设是层流状态，并规定重力的方向为正。）
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L1 ( p ) g
5 39
p
p
Hale Waihona Puke Xi----各种粒度的质量分数。
2
3 d ev p g 2 mf umf 1501 - mf
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umf
d ( p )g
2 e
1650
u1
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u
u
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（2）流化床
u1
u
又可能出现 u1 ut
up u1 ut 0
出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。 随着流体流量的增加 和 空隙率的减小，又出现
u1 ut
u u1
颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增 大。当床层膨胀到一定程度，空隙率稳定在 某一数值上，空隙中流体的流速u1 稳定于颗 粒的ut 时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流 化床 。 注意： u
A 根据第4章中的欧根方程，对于小颗粒(Rep＜20）又可以利用固 2 定床压降的计算式（5-40） 1 L pf 150 2 2 u 5 40 3 d ev （2）固定床的压降
此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。
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A L1 ( p ) g