第十四章 固体流态化现象
第十四章 固体流态化现象
第十四章固体流态化现象使颗粒状物料与流动的气体或液体相接触，并在后者作用下呈现某种类似于流体的状态，这就是固体流态化。
借助这种流化状态以完成某种处理过程的技术，称为流态化技术。
流态化技术用于工业操作有以下优点：(1)颗粒流动平稳，类似液体流动，操作易于实现连续化和自动化。
(2)由于固体颗粒的激烈运动和迅速混合，使床层温度均匀，便于凋节和维持所需的韫度。
(3)由于流化床所用固体颗粒尺寸小，比表面大，因此，气体与固体颗粒之间的传热、传质速率高。
又因为流化床颗粒的运动使得流化床与传热壁面之间有较高的传热速率。
由于上述优点，近几十年来，流态化技术广泛用在化学工业中的物理操作和化学操作中。
但是，流态化技术在应用中还存在以下一些问题：(1)由于气体返混和气泡的存在，使气固接触效率降低。
(2)由于固体颗粒在床层内迅速混合，在连续进料的情况下，将导致颗粒在床层内停留时间不均，使得产品质量不均匀。
(3)由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的壁面磨损严重。
脆性固体颗粒易被磨成粉末被气流带走，需要考虑由此引起的各种问题。
对上述的存在问题应有充分认识，以便在应用时扬长避短，获得更好的技术经济效果。
另外，由于流态化现象比较复杂，人们对它的规律性了解还很不够，无论在设计方面或操作方面，都还存在许多有待进一步研究的内容。
而且，鉴于目前绝大多数工业应用都是气一固流化系统，因此，本章主要讨论气一固流化系统。
一.固体流态化过程的几个阶段在玻璃圆筒底部装一块多孔板，板上堆放一层砂粒，从多孔板下方通入空气。
当气速小时，砂粒静止不动，空气仅仅是从砂粒间缝隙穿过，这就是固定床。
如图14-1(a)。
气流速度加大，则固体颗粒开始松动，有些颗粒虽然轻微地抖动，但不能脱离其原来的位置，各颗粒仍然保持接触，床层高度无明显增加。
此称为膨胀床。
流速再增到某一数值，各颗粒刚好被上升气流推起，彼此脱离接触，床层高度也有明显增加。
达到这一状态时，称为起始流态化。
非均相物系的分离及固体流态化课件
离心分离法适用于颗粒较大、密度差较大的固-液或固-固非均相物系的分离。通过离心机的高速旋转，产生强大 的离心力场，使颗粒在离心场中受到较大的离心力而向外运动，最终实现固-液或固-固两相的分离。
浮选分离法
总结词
利用气泡吸附颗粒并上浮，实现固-液或固-固非均相物系的分离。
详细描述
浮选分离法适用于颗粒较小、密度接近于水的非均相物系的分离。通过向非均相物系中通入气泡，气 泡与颗粒相互作用，将颗粒吸附并带到液面上，从而实现固-液或固-固两相的分离。常用的浮选剂有 起泡剂、捕收剂等。
状态。
应用
广泛应用于气力输送、流化床 反应器等领域。
优点
操作简单，适用于大规模生产。
缺点
能耗较高，对颗粒大小和密度 有一定要求。
机械搅拌法
原理
通过机械搅拌装置，使固体颗 粒在搅拌桨的作用下形成流态
化状态。
应用
适用于实验室和小规模生产。
优点
设备简单，易于实现。
缺点
搅拌桨的转速和形状对流态化 效果影响较大，不适合大规模
固体流态化的基本原理
固体流态化的定义
固体流态化
在流体作用下，使固定床层固体颗粒 呈现类似流体状态的过程。
固体流态化技术
利用固体流态化技术，实现非均相物 系的分离和固体颗粒的连续输送、分 离、混合、反应等操作。
固体流态化的分类
根据操作条件
分为自然流态化和强制流 态化。
根据颗粒性质
分为散式流态化和聚式流 态化。
工业应用中的问题与对策
问题
在工业应用中，非均相物系分离及固 体流态化技术面临着操作复杂、能耗 高、稳定性差等问题。
对策
针对这些问题，工业界采取了一系列 对策，如引入自动化控制系统、优化 操作参数、采用新型分离技术等，以 提高操作的简便性、降低能耗和提高 稳定性。
固体的流态化
5-1-1 基本概念 一、流态化现象
固定床
临界流 化床
流化床
输送床
二、两种不同流化形式 判据:
散式流化
空塔气速
另一种判据: P324 (6-3)式 三、流化床类似液体的特性
聚式流化
P (单位面积 床层重力)
四、颗粒床层特性
5-1-2 流体阻力
At W At At
理想流化床的特点:
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.
请同学们总结出实际流化床的特点
5-1-3 流化床的操作范围
5-1-4 影响流化质量的因素 一、分布板
填充式分布板
5-1-4 影响流化质量的因素 二、设备内部的构件
5-1-4 影响流化质量的因素 三、粒度分布
5-1-5 浓相区高度与分离高度
一、浓相区高ห้องสมุดไป่ตู้：散式流化 膨胀比
聚式流化-----影响因素多，使用特定的经 验与半经验公式。
二、分离高度 分离区高度的确定没有适当的计算公式，仅有参考图线。
第二节 气力输送 吸引式气力输送
压送式气力输送
脉冲式密相输送
固体颗粒在水平管内的稀相输送
气-固混合物 在水平流动 时的特性
水平输送时的 最低气速（沉 积速度）： D点的临界气 体速度。
垂直管中稀相 输送的特性
垂直管中稀相 输送的最低气 速（噎塞速 度）： E点所对应的 气速
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-中国石油大学化工原理(DOC)
化工原理固体流态化与非均相物系的分离班级：卓越11-2班姓名：徐向东韩月阳甄宇匡崇1.固体流态化1.1定义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流体的某些表观特性，此种流固接触状态称为固体流态化。
1.2流态化分类1.2.1按流化状态分类（1）聚式流态化：气固流化床床层中存在气泡相和乳相，气泡中只有很少的或者没有固体颗粒存在，在乳相中颗粒的浓度要比气泡中大得多。
气泡在上升过程中也会不断合并增大，致使床层出现较大的不稳定性。
气泡上升最后冲出床层，床层表面有较大的波动，不时有固体颗粒被抛出，然后由于其重力落回床层。
气固流化床在工业中应用的最多。
气固流化系统基本上均呈聚式流化状态。
（2）散式流态化：床层处于散式流化态，床内无气泡产生，当床层膨胀时，固体颗粒之间的距离也随之增加。
虽然固体颗粒和流化介质之间有相互强烈的扰动作用，但他们在流化介质中的分散程度也相对较为均匀，处于相对的稳定状态，所以也叫平稳流态化。
多出现于液固流态化系统。
1.2.2按流化介质分类（1）气固流态化：以气体为流化介质的流态化过程，使工业生产中使用的最多的流态化过程，如流化床锅炉燃煤生产蒸汽。
（2）液固流态化：以液体为流化介质的流态化过程，在工业上用于湿法冶金、离子交换、生物化工、聚合反应和吸收等。
（3）液气固三相流态化：以液体、气体为流化介质的流态化过程，流化床内存在有气液固三相。
1.3流态化在工业中的应用1.3.1物理过程中的应用1.3.1.1物料输送被流化的固体颗粒可以像流体一样流动，如图所示的气垫装置，它是由上下两个槽组成，中建由一层类似于筛网的多孔类或编织物隔开。
这种输送装置消耗的能量适中，没有运动部件，适于输送干燥的细微颗粒。
现用于水泥工业，纯碱工业，锅炉烟气所带出的飞灰、面粉和树脂的输送。
1.3.1.2细粉的混合采用流态化技术可以较容易的将不同种类的粉末物料达到均匀混合。
要将两种粉末混合只要将其流化，物料经上升管上升再经床层下降，经过多次循环之后即可到达均匀混合的目的。
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
流化床反应器 ppt课件
（即表观气速）超过临界流化速度Umf时，还会经历一个 散式流态化阶段，然后进入鼓泡流化床。此时流化床的 Umb可按Geldart提出的计算式计算，即下式：
umb
4.125
104 0.9 g来自0.1 gumf
(s g )gdp
②反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机 会，降低了反应转化率；
③由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化 剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量 细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失；
④床层内的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条 件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱离经验放大、经 验操作。
当：0.4
Rep
500时 CDS
10 /
R1/ 2 ep
当：500 Rep 2105时 CD 0.43
这样，可得到ut计算式：
PPT课件
24
当Rep
0.4时 ut
gd
2 p
(s
f
18
)
当0.4
Rep
500时 ut
2d
p
(s 15 f
当气速达到某一定值时，流体对粒子的曳力 与粒子重力相等，则粒子会被带走。这一带出速 度等于粒子的自由沉降速度。
PPT课件
23
对球形粒子作力平衡：
6
d
3 p
s
g
6
d
3 p
f
g
CDS
4
固体流态化和气力输送
第六章固体流态化和气力输送第一节概述流态化：流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触而转变成类似流体状态的操作。
由定义可以看出流态化是由固体颗粒和流体两种基本介质构成。
流体包括气体和液体。
因此流态化按流体介质分类可分为：流态化技术近二、三十年来发展很快，它被广泛地应用在制药、化工、炼油、食品加工等工业领域，掌握流态化的基本概念是非常必要的。
例如制药厂的造粒、干燥；化工厂的萘氧化制苯酐、丙烯生产；炼厂的催化裂化装置；食品加工中的干燥及运输等。
本节是从颗粒与流体的相对运动来分析流态化过程的一些基本概念。
第二节固体流态化一、流化床的基本概念1、流态化现象：当流体自下而上通过颗粒床层时，可能出现以下几种情况：a）当流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙穿过。
这种情况已在第四章作过讨论，称为固定床，如图5-13a所示。
b）当流速继续增大，颗粒开始松动，颗粒位置也在一定区间进行调整，床层略有膨胀，但颗粒还不能自由运动。
如果流速再继续升高，这时颗粒全部悬浮在向上流动的气体或液体中，随着流速增大，床层高度也随之升高，这种情况称为流化床，如图5-13b所示。
c）当流速再升高达到某一极值时，流化床上界面消失，颗粒分散悬浮在气流中，被气流所带走，这种状态称为气流输送，如图5-13c所示。
图5-13 不同流速下床层状态的变化在流化床阶段，床层有一明显的上界面，这时称为密相流化床或称为床层的密相段，气—固系统的密相流化床，看起来很像沸腾着的液体，并且在很多方面都呈现类似液体的性质。
（1）当容器倾斜，床层上表面保持水平（如图5-14a）；（2）两床层连通，它们的床层能自行调整至同一水平面（如图5-14b）；气—固液—固气—液—固流态化（3）床层中任意两点压力差大致等于此两点的床层静压头（如图5-14c）；（4）流化床层也象液体一样具有流动性，如容器壁面开孔，颗粒将从孔口喷出。
并可像液体一样由一个容器流入另一个容器（如图5-14d）。
固体流态化
１、在固定床和流化区域有一个“驼峰 ”，这是因为固定床颗粒之间相互靠紧， 而互相之间有一定摩擦力，因而需要 较大的推动力才能使床层松动。直到 颗粒松动到刚能悬浮时，△p才降到水 平阶段。此时压强降基本不随气速而 变。当降低流化床气速时，压强降沿 DC'A'变化。
第二节 固体流态化(Fluidization)
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉聚式流态化（Aggregative fluidization）：
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。
一般出现在流-固两相密度差较 大的体系，如气-固流化床。
第二节 固体流态化(Fluidization)
（a）
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉流化床阶段：
（1）临界流化床
当u增大到一定程度时，颗粒 开始松动，床层开始膨胀，u 继续升高，床层开始继续膨胀， 直到刚好全部颗粒都悬浮在向 上流动的流体中。此时，颗粒 所受浮重力与流体和颗粒之间 的摩擦力相平衡，称初始或临 界流化床，如图（b）。
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)
⒊强烈的碰撞与摩擦：
颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重， 生成的细粉易被气体带出，加大了损失量；
第二节 固体流态化(Fluidization)
《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固体流态化实验报告引言：固体流态化是一种研究固体颗粒在流体中的行为和性质的实验方法。
通过对颗粒在不同条件下的流动行为进行观察和分析，可以得出一些关于固体流态化的重要结论。
本文将介绍我所参与的一项固体流态化实验，并对实验结果进行分析和讨论。
实验目的：研究固体颗粒在不同条件下的流动行为，探索固体流态化的规律和特性。
实验装置和方法：实验装置主要由一个透明的圆柱形容器、一台电动搅拌器和一种固体颗粒组成。
我们选用了玻璃珠作为固体颗粒，因其形状规则且易于观察。
实验过程中，我们固定了容器的倾斜角度，并通过调节搅拌器的转速来改变固体颗粒与流体之间的相互作用力。
实验结果：通过观察实验过程中固体颗粒的运动情况，我们得出了以下几个重要的实验结果。
1. 倾斜角度对流态化的影响：我们发现，在容器倾斜角度较小的情况下，固体颗粒的流动呈现出一定的规律性，颗粒相对较为集中。
而当倾斜角度增大时，颗粒开始出现堆积和堵塞现象，流动性明显下降。
这表明，倾斜角度对固体流态化的发生和维持起着重要的作用。
2. 搅拌速度对流态化的影响：我们通过调节搅拌器的转速来改变固体颗粒与流体之间的相互作用力。
实验结果显示，当搅拌速度较低时，颗粒之间的相互作用力较小，颗粒流动较为顺畅。
而当搅拌速度增大时，颗粒之间的相互作用力增强，颗粒流动性下降。
这说明，搅拌速度对固体流态化的过程和特性有着重要的影响。
3. 颗粒形状对流态化的影响：我们在实验中选用了玻璃珠作为固体颗粒，因其形状规则且易于观察。
然而，我们注意到不同形状的颗粒在流动过程中表现出不同的行为。
例如，球形颗粒的流动性较好，而棱形颗粒则容易堵塞。
这提示我们，颗粒的形状对固体流态化的过程和结果也有着重要的影响。
讨论与结论：通过以上实验结果的观察和分析，我们可以得出一些关于固体流态化的重要结论。
首先，固体流态化是一个复杂的过程，受多种因素的影响。
倾斜角度、搅拌速度和颗粒形状等因素都会对流态化过程和结果产生重要影响。
固体的态化
当达到C点时，固体颗粒就互相接触而成为静止的固 定床 。
• 若继续降低流速，床层压强降不再沿CBA折线变化， 而是沿着CA′线变化。比较AB线与A ′ C线可见，相 同气速下，A ′ C线的压强降较低，这是因为床层曾
被吹散，它比未吹散的固定床层有更高的空隙率。 与C点相应的流速称为临界变化流速μmf，它是最小 流化速度。
• 流化阶段中床层的压强降，可根据颗粒与流体间的 摩擦力恰与其净重力配合的关系求出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ即
(Δp)(At)=W=AtLmf(1-εmf)(ρs-ρ)g
2-37
• 整理后得
Δp=Lmf(1-εmf)(ρs-ρ)g
p L
150
(1
3
)
2
u (sd p )2
1.75
(1 3
)
u 2 sd p
2-35
式中，△p/L——通过单位高度床层的压强降， Pa/m；
ε——颗粒床层的孔隙率；
μ——流体粘度，Pa. S；
φs——颗粒的球形度，无因次； dp——球形颗粒直径或非球形颗粒的体积当量直
径，m。
式中压强降克服两种损失，
（c）、（d）所示。
• 流化床阶段，每一个空塔速度对应一个相应的床层 空隙率，流体的流速增加，空隙率也增大，但流体 的则实上际流流 化速 床总 有是 一保个持明颗显粒的的上沉界降面速。度μt不变，且原
C、颗粒输送阶段 • 当时立，体流在 化床 床层 的中 上的界实面际消流失速，超颗过粒颗将粒虚的 浮沉 在降 流速 体度 中μ并t
二、流动阻力
1、 理想流化床的压强降
• 理想情况下，克服流动阻力的压强降与空塔气 速u的关系如图
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。
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。
固体流态化—颗粒PPT学习教案
于形成聚式流化。在气－固系统的流化床中，超过
流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗
粒层，上升至床层上界面时破裂，这些气泡内可能
夹带有少量固体颗粒。此时床层内分为两相，一相
是空隙小而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连
（二）实际流化床中两种不同流 化形式
1．散式流化
在流态化时，通过床层的流 体称为流化介质。散式流化的特 点是固体颗粒均匀地分散在流化 介质中，接近于理想流化床，故 亦称均匀流化。随流速增大，床 层逐渐膨胀而没有气泡产生，颗
第24页/共45页
粒间的距离均匀增大，床层高度
2．聚式流化
对于密度差较大的气－固流化系统，一般趋向
1．固定床阶段 当流体空塔速度较低时，颗
粒所受的曳力较小，能够保持静 止状态，流体只能穿过静止颗粒 之间的空隙而流动，这种床层称 为固定床，如图片3-30(a)所示， 床层高度为L0不变。
保持固定床状态的流体最大空塔 速度为
式中
第21页/共45页
33
2．流化床阶段 (1) 临界流化状态 当流体空塔速度u稍大于 时，颗 粒床层开始松动，颗粒位置也在一定区间内开始调 整，床层略有膨胀，但颗粒仍不能自由运动，床层 的这种情况称为初始流化或临界流化，所示，此时 床界层流高化度速为度，Lm以f，u空mf表塔示气。速称为初始流化速度或临
6680 4699 3327 2362 1651 1168 833 417
48 65 100 150 200 270 400
0.0116 0.0082 0.0058 0.0041 0.0029 0.0021 0.0015
295 208 147 104 74 53 38
第9页/共45页
二、颗粒群的特性
固体颗粒流态化固体颗粒流态化
u1< ut
则颗粒基本上静止不动，颗粒层为固定床
流体最大表观速度
流化床阶段
u > umax u1> ut
床内颗粒将“浮起” 颗粒层将“膨胀”
空隙率ε↗
u1↘
当床层膨胀到一定程度，颗粒间的实际 流速等于颗粒的沉降速度时，床层不再 膨胀而颗粒则悬浮于流体中,这种床层称 为流化床
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。
沟流：大量气体经过局部截面通过床层，其余部分仍为固定 床而未流化(“死床”)。
腾通与沟流都会使气—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。
改善聚式流化质量的措施
气体分布板：高阻分布板 (>10%Δpb，且>0.35mmH2O) 可使 气体初始分布均匀，以抑制气泡的生成和沟流的发生。
u1= ut
•流化床原则上可以有一个明显的上界面。
•流化床存在的基础是大量颗粒的群居。
颗粒输送阶段
表观速度 u 超过颗粒的沉降速度 ut 。 颗粒将被流体带出器外，这是颗粒输送阶段。 可以实现固体颗粒的气力和液力输 送。 载流床
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第十四章固体流态化现象使颗粒状物料与流动的气体或液体相接触，并在后者作用下呈现某种类似于流体的状态，这就是固体流态化。
借助这种流化状态以完成某种处理过程的技术，称为流态化技术。
流态化技术用于工业操作有以下优点：(1)颗粒流动平稳，类似液体流动，操作易于实现连续化和自动化。
(2)由于固体颗粒的激烈运动和迅速混合，使床层温度均匀，便于凋节和维持所需的韫度。
(3)由于流化床所用固体颗粒尺寸小，比表面大，因此，气体与固体颗粒之间的传热、传质速率高。
又因为流化床颗粒的运动使得流化床与传热壁面之间有较高的传热速率。
由于上述优点，近几十年来，流态化技术广泛用在化学工业中的物理操作和化学操作中。
但是，流态化技术在应用中还存在以下一些问题：(1)由于气体返混和气泡的存在，使气固接触效率降低。
(2)由于固体颗粒在床层内迅速混合，在连续进料的情况下，将导致颗粒在床层内停留时间不均，使得产品质量不均匀。
(3)由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的壁面磨损严重。
脆性固体颗粒易被磨成粉末被气流带走，需要考虑由此引起的各种问题。
对上述的存在问题应有充分认识，以便在应用时扬长避短，获得更好的技术经济效果。
另外，由于流态化现象比较复杂，人们对它的规律性了解还很不够，无论在设计方面或操作方面，都还存在许多有待进一步研究的内容。
而且，鉴于目前绝大多数工业应用都是气一固流化系统，因此，本章主要讨论气一固流化系统。
一.固体流态化过程的几个阶段在玻璃圆筒底部装一块多孔板，板上堆放一层砂粒，从多孔板下方通入空气。
当气速小时，砂粒静止不动，空气仅仅是从砂粒间缝隙穿过，这就是固定床。
如图14-1(a)。
气流速度加大，则固体颗粒开始松动，有些颗粒虽然轻微地抖动，但不能脱离其原来的位置，各颗粒仍然保持接触，床层高度无明显增加。
此称为膨胀床。
流速再增到某一数值，各颗粒刚好被上升气流推起，彼此脱离接触，床层高度也有明显增加。
达到这一状态时，称为起始流态化。
如图14-1(b)所示。
流速超过起始流态化速度以后，颗粒便在床内翻滚，作不规则运动，总体上是在中央上升而沿器壁落下。
气流速度愈大，运动愈剧烈，此即为流化床，如图14-1的（c1）与（c2）(代表两种不同形式的流态化，见后)所示。
此阶段中颗粒虽然剧烈运动，但基本上并不脱离床层，被吹起之后仍要落回，因此床层仍维持一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似。
如果继续提高气流速度，到了一定数值，则颗粒便为气流所夹带而从圆筒顶部被吹走，原来的床层不复存在，自然就无所谓上界面。
这种状况，称为气力输送，如图14-1(d)所示。
二.流化床类似于液体的特性从流化床所显示出的流化现象来看，很象沸腾中的液层，因此流化床又称沸腾床。
实质上，处于流化状态下的颗粒群的确具有许多与液体相似的特性。
例如，流化床不仅具有基本上呈水平的上界面，而且若将较轻的物体按进床层内部，则放开以后，轻物便冒出浮在界面上，如图14-2(a)、(b)所示；在床层的侧壁上开孔，固体颗粒可以像液体一样流出，如图14-2(c)所示；若将不等高的两流化床连通，两床的床面可以彼此拉平，如图14 -2(d) 所示；床层内部任何两点间的静压差，也可以用液柱压差计测量，如图14-2(e)所示。
图14-1流态化过程（a）固定床；（b）流化开始；（c1）流化床（散式）；（c2）流化床（聚式）；（d）气力输送图14-2流化床表现出类似于水的特性(a)轻物浮起；(b)床面呈水平；(c)颗粒经孔流出；(d)构成连通器；(e)测定压力降三.散式流态化与聚式洗态化流态化按其性状的不同，可以分成两类，即散式流态化与聚式流态化。
若固体颗粒层用液体来进行流态化，流速增大时，床层从开始膨胀直到水力输送的过程中，床内颗粒的扰动程度是平缓地加大的。
颗粒持续地增大其分散状态，床内的状况如图14-1中的(c1)所示。
这种形式的流态化称为散式。
若固体颗粒层用气体来进行流态化，流速增大到起始流态化的速度以后，床层的波动逐渐加剧，但膨胀程度却不大。
由于气体与固体的密度差别很大，气流要将固体颗粒推起比较困难，所以只有小部分气体在颗粒之间通过，大部分气体则汇成气泡穿过床层。
气泡穿过床层时造成床层波动，它们在上升过程中逐渐长大和互相合并(也有少量破碎)，到达床层顶部则破裂而将该处的颗粒溅散，使得床层上界面起伏不定。
床层内的颗粒则很少分散开来各自运动，而多是聚结成团地运动，成团地被气泡推起或挤开。
这种形式的流态化称为聚式，床内的状况如图14-1中的(c2)所示。
曾有人建议以起始流化时的佛鲁德数(Fr)mf=u2mf／gd p作为区分上述两种流态化的无因次准数，其中u mf为流化开始时的最小流体速度(按空床的截面积计算)，d p为颗粒直径，g为重力加速度。
起始流化时的佛鲁德数小于1时为散式流态化，大于1时为聚式流态化。
用液体作介质时，起始流化速度小，此准数之值常小于1，流态化常属散式；反之，用气体作介质时此准数之值常大于1，故多出现聚式流态化。
目前工业上应用较多的是气体操作的流化床，因此大都属于聚式流态化。
14-2流化床的水力学特性一.流化床的压力降在玻璃管制的实验型流化床底部气体分布板处装一液柱压差计，测定床层底部的表压。
若玻璃管上口与大气相通，则测出的读数即为整个床层的压力降。
图14-3所示为用砂进行实验，于流化情况较好的条件下测出的结果，由此可以观察到床层流化前后压力降△p f随空床流速u的变化关系。
图14-3流化床压力降与气速的关系(图中的a、b、c、d与图14-1中的四个阶段相对应)图14-3中曲线的a段(虚线)表明固定床阶段△p f随u的增加而增加，在对数坐标上为一直线，斜率约为1，表示固定床的压力降与流速成正比。
此后如再增加气速，压力降的增加变缓，此时床内颗粒变松，成为膨胀床。
正由于床层膨胀，空隙率增大，气体的表观速度(空床速度)虽然加大，但通过颗粒之间流动的真实速度(实际速度)并没有成比例增加，因而压力降的增加比气速增加慢。
气速再增，到了b处附近，压力降增至一最大值后开始减小，此时颗粒开始为上升气流托住，床层开始流态化。
压力降的稍微减小是由于床层空隙率的增加较前稍为显著，因而气体实际速度稍减之故。
此后气流速度再增，床层压力降基本上维持不变，如曲线的c段所示，此即流化床阶段。
此阶段内，气体向上作用的总压力(压力降与床层截面积的乘积)与床内全部颗粒所受重力相平衡。
整个流化床阶段，床层空隙率持续增大，上界面持续升高，但因其中颗粒量不变，故压力降大体上维持不变。
此种现象，类似于向水桶底通入空气，只要气泡未连成一串，则所需的空气压力大体上等于水作用于桶底的静压力，而与空气通入的速度几乎无关。
过了c段以后，气流速度再增，压力降反而变小，如曲线的d段所示。
此时颗粒开始为上升气流所带走，达到了气力输送阶段；其后床内颗粒量不断减少，平衡颗粒重力所需的压力也就不断下降。
直到颗粒全被带走，空隙率趋近于1，压力降减到一最低的数值，与气体流过空管的压力降相当。
到达流化阶段c以后，如把气流速度逐渐减小，可以测出压力降并不沿c—b—a的路线返回，而是循着c-a’的路线返回。
曲线的a’段也相当于固定床阶段，但a’段与c’段之间有更为明显的转折，且a’段所显示的压力降比反映气速增大时的a段所显示者为低。
此说明从流化床回复到固定床时，颗粒由上升气流中落下，所形成的床层较人工装填者疏松一些，即空隙率稍大一些，因而阻力也小一些。
曲线的明显转折亦表明此过程中不存在与膨胀床相逆转的阶段。
通过上述分析得知：1)操作正常的流化床的压力降基本上等于床内全部颗粒的重量除以床层截面积所得之商；2)流化床的气流速度应大于起始流化速度，后者与图14-3中的b 处相对应。
因b 的位置不够明确(与床层原来装填的紧密程度有关)，故实测起始流化速度时，都以曲线c 段与a ，段相交的交点为准；3)气流速度一般应小于床内最小颗粒被带出的速度。
因此，起始流化速度(u mf )与颗粒的带出速度(u 0)是流化床操作的两个重要参数，后面还将要对它们作定量的分析讨论。
在生产操作中，床层压力降的测量也有重要意义。
设备内部的详细情况难于直接观察，但测出压力降变化情况，即可了解床层是否达到流态化，并可推断其稳定性，检查操作是否正常。
若压力降上下波动剧烈，即可能出现节涌现象；若压力降较正常时为低，即可能有沟流现象(一部分气体走短路)。
二. 起始流化速度起始流化速度又称最小流化速度，如前所述，此即床内颗粒由彼此接触转到脱离接触时的流体空床速度。
这时流体速度与压力降的关系，既可按固定床也可按流化床来表示。
将此两表达式联系起来，即可得到起始流化速度的表达式。
现按最常遇到的层流状况(d p u ρ／μ＜10)推导如下：第三章已从管内层流出发，导出了流体通过固定床时的压力降与流速的关系式22021f εS )ε1(L μu K p Δ-= （14-2-1） 式中K 1为常数；△p f 为压力降；u 为空床速度；μ为流体粘度；L 为床层高度；S 0为床层比表面；为ε为床层空隙率。
设床层比表面与颗粒比表面成正比，则S 0可表示为p23p 2p 20d K 6d πd πK S == (14-2-2)将式（14-2-2）代入式（14-2-1）并整理得 22p 2f εd )ε1(L μKu p Δ-= （14-2-3）式中K 据实验结果为180。
又根据实验结果分析，流化床压力降可表示为△p f =W S /A=L(ρS -ρ)(1-ε)g (14-2-4)式中W S 为床层全部颗粒所受重力与浮力 之差；A 为床层截面积；ρS 、ρ分别为固体颗粒和流体密度。
据式(14-2-3)和(14-2-4)，当u 为u mf 时，对应的ε为εmf ，于是得 2mf 2p 2mf mf εd )ε1(L μu 180-= L(ρS -ρ)(1-εmf )g上式整理得μ)ρρ(d ε1ε1801u s 2p mf3mf mf -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= (14-2-5) 对于球形颗粒，εmf 可取为0.4，则上式可表示为μ)ρρ(d 00059.0u s 2p m f -= (14-2-6)对于非球形颗粒，上式的的应乘以形状因数ΦS (球形度)。
对于颗粒大小不等的情况，式中的d p 应当用体积表面积平均直径代替。
综合上述两个因素，式(14-2-5)表示为μ)ρρ(d Φε1ε1801u s 2p 2S mf 3mf mf -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= (14-2-7)三. 带出速度当上升气流的速度u 等于颗粒的自由沉降速度u o 时，则颗粒悬浮于气流中不能沉降。
上升气流的速度稍大于此沉降速度时，颗粒便被推向上，故流化床中颗粒的带出速度即等于颗粒在静止气体中的沉降速度。
气体的速度应以颗粒沉降速度为上限，以免颗粒被带出。