流化床的基本原理

二、流态化技术的优缺点
1、优点 ① 易于连续化和自动控制。 ② 相际混合均匀，温度均匀。 ③ 相际之间接触面大，传质、传热速率大、效果好，可
强化化学反应过程。 2、 缺点 ① 气体流动情况十分复杂。
② 颗粒在反应器内停留时间不均。 ③ 固体颗粒在气流作用下易粉碎，粉末易被气流夹带。 ④ 一些高温过程，微粒易于聚集和烧结（有时不得不降 温，从而降低反应速度）。
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 。
（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。
气泡相
5.3.5
Geldart 颗粒分类
1、 C组颗粒 2、A组颗粒
3、B组颗粒
4、D组颗粒
5.4 流化态技术的应用
一、流态化技术在工业中的应用
1、化学反应过程
①湿法冶金中：流态化浸出和洗涤、流态化离子交换 ②火法冶金：沸腾焙烧（ZnS精矿）沸腾氯化（钛铁 矿精矿）
2、 物理过程： ①颗粒分级 ②流态化洗涤 ③流态化干燥（喷雾干燥） ④物料输送：最典型的是颗粒物料的气力输送
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
umf ut fixedbed
u
（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
理想流化床的特点:
Hale Waihona Puke 1、有明显的临界流态化点和临界流态化速度;
2、流态化床层的压降为一常数
3、有平稳的流态化界面; 4、流态化床层的空隙率在任何流速下,都具有一个代表
性的均匀值,不因床层内的位置而变化。
实际流化床的特点:
请同学们总结出实际流化床的特点？？？？ 临界流态化速度
固定床与流化床分界点所对应的流体表观流速。
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
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。
二、悬浮颗粒的阻力系数 三、Reh气-固两相接触操作图
1、颗粒的阻力与颗粒的有效重力比值范围示意图 m<1，固定床/移动床 m=1，流化床 m>1，气流床/气力输送 2、Reh气固两相操作图
回顾与总结
1. 固定床
流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过 料层高度不变 实际流速线形增长 通风阻力随风速的平方关系增大
流化床的基本原理 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。）
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
4
u1
u

流体
（1）固定床阶段
up u1 ut
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 。
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（5-32） 1 L pf 150 2 2u 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。

A L1 ( p ) g
气泡的尾涡与尾迹
1常见的三种气泡尺寸定义 、气泡的产生与运动与颗粒的性质、风板、流化床的尺寸 有关； (1)投影尺寸——d ；
气泡的尺寸与速度 b
2、相同的颗粒，相同的流化速度、相同的深宽比具有相同 (2) 气泡弓玄尺寸——dbh；
气泡与颗粒流型；
(1)床层高度增加，气泡增加；
3、尾涡与尾迹的产生
(3) 体积尺寸——dbv； (2) 流态化速度增加，气泡增加；
流体通过流化床的阻力
流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空床流速）之间的关系 可由实验测得。 图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力与空床气速之间 的关系。由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗粒静止不 动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合 欧根方程；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。
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。
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
(3) 气泡间存在合并长大过程，同时大气泡可分裂为许多小气泡； (4) 流化床存在最大平衡气泡尺寸
气泡晕
单个气泡：顶部球 形，尾部内凹。在尾 部由于压力比近旁稍 低，使一部分粒子被 卷了进去。形成局部 涡流——尾涡
气泡云和尾涡都在气泡 之外，可合称为泡晕。
在气泡上升途中，不断有一部分粒子离开这一区域，另一部分粒子又 补充进去。这样，就把床层下部的粒子夹带上去，促进了整个床层粒
5.3.2 最小流化速度
临界流化状态（速度） 床层压降的理论值 流体的流速达到颗粒受到的阻力=重力-浮力 确定方法 颗粒悬浮在流体中
① 可由实验测定，即通过Δ p-u关系曲线确定。
pA Al(1 )( p ) g
② 可用近似计算法求得——量纲分析或相似理论法。
1、细颗粒 2、粗颗粒
子的循环和混合。所以气泡是床层运动的动力。
气泡外形成一层不与乳相中流体相混合的区域。这一层为气泡云，在 其中，气泡内的气体与固体颗粒获得了有效的接触，得到反应。气泡越 大，气泡的上升速度越快，气泡云也就越薄，气泡云的作用也就减弱。
气泡的作用 1、是床层运动的动力，加剧气-固两相相对运动；
2、造成床层内颗粒的剧烈搅拌，使流化床具有很高 的颗粒与气体、床料与表面的换热速率，因此流化床 具有等温的特征； 3、参与传质，使反应物：气泡相 产物：乳相 4、降低流化床气固接触效率； 5、上升到床层表面破碎时，将大量颗粒抛入床层上 方，使流化床颗粒损失。 乳相；
L1 ( p ) g
5 67
5.3.3 最小鼓泡速度
对于大颗粒，
u= umf时，聚式流化床 u 2.07 exp(0.716x ) mb 45
d v 0.06
0.347
对于小颗粒，
u= umf时，散式流化床 u< umb时，鼓泡流化床
5.3.4 流态化气泡特征
3、有不良流态化现象发生时
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
流态化的基本特征 最小流态化速度 最小鼓泡速度 流态化气泡特征
5.3.5
Geldart颗粒分类
5.3.1
流态化的基本特征 1、 床层物料具有很高的颗粒表面积 2、床层内有大量的不同尺寸的气泡 3、颗粒损失大 4、容易实现连续控制
流态化曲线——床层孔隙率（或床层高度）、压降与流体表观流 速的关系曲线。
ut
dp p g
2


18
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 。
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
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：
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
（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
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。