2011.5第四节：固体流态化
固体流态化—颗粒-课件
颗粒及颗粒床层的特性
• 1.学习目的 • 通过学习掌握确定颗粒、颗粒床层特性参数以及流体
流速床层压降的计算方法。 • 2．本知识点的重点 • 球形颗粒和非球形颗粒的大小和特性参数的计算，特
别是非球形颗粒球形度及体积当量直径的计算。 • 颗粒群粒度分布及平均粒径的计算。 • 床层孔隙率、比表面积及压降的计算。 • 3．本知识点的难点 • 本知识点无难点。
• 2．颗粒的当量直径
• 工程中，经常将非球形颗粒以某种“当量”的球形颗粒来 代替，以使非球形颗粒的某种特性与球形颗粒等效，这一 球粒的直径为当量直径。当量直径表示非球形颗粒的大小。 根据不同方面的等效性，通常有两种表示方法；
• （1）等体积当量直径 颗粒的等体积当量直径为与该颗粒 体积相等的直径，即
• （2）净化分散介质。某些催化反应，原料气中夹带有杂志 会影响触媒的效能，必须在气体进反应器之前清除催化反应 原料气中的杂质，以保证触媒的活性。
• （3）环境保护与安全生产。为了保护人类生态环境，消除 工业污染，要求对排放的废气、废液中的有害物质加以处理， 使其达到规定的排放标准；很多含碳物质与金属细粉及空气 混合会形成爆炸物，必须除去这些物质以消除爆炸的隐患。
二．非均相混合物分离方法的分类
三．非均相混合物分离的目的
• （1）收集分散物质。例如收取从气流干燥器或喷雾干燥器 出来的气体以及从结晶器出来的晶浆中带有的固体颗粒，这 些悬浮的颗粒作为产品必须回收；又如回收从催化反应器出 来的气体中夹带的催化剂颗粒以循环使用。再如某些金属冶 炼过程中，有大量的金属化合物或冷凝的金属烟尘悬浮在烟 道气中，收集这些烟尘不仅能提高该种金属的收率，而且是 提炼其它金属的重要途径。
一．单一颗粒的特性
• 表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小（体积）及表面积。 • （一）球形颗粒 • 不言而喻，球形颗粒的形状为球形，其尺寸由直径d来确定，其它有关参数均可表示为 • 直径d的函数，诸如 • 体积
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 。
第四章 固体流态化和气力输送-1
第一节
概述
一.固体流态化和气力输送的定义
固体流态化：将固体颗粒与流动的气体或液体相接触，从而使颗粒具有
类似流体的某些表观特性。
容器
气体分 布器 流体 气力输送：利用气体在管内流动以输送固体颗粒的方法。
第一节
概述
二.固体流态化技术的工业应用介绍
物理过程：干燥、移热、气力输送、包涂、吸附 合成反应：苯酐、醋酸乙烯、丁烯氧化脱氢制丁二烯 、顺丁烯二酸
颗粒输送阶段
C
D
A umf lgu
第二节
（1）固定床的床层压降
固体流态化
(四）流化床恒定的床层压降
固定床中流体流速和压差关系可用康采尼公式表示。
对A-B段：
P a 2 (1 ) 2 K' u 3 L
第二节
（2）流化床的床层压降
固体流态化
(四）流化床恒定的床层压降
继续增加流体流速将导致床层压降的不断增加，直到床层压降等于单位床 层截面积上的颗粒重量。此时由于流体流动带给颗粒的曳力平衡颗粒的重量， 导致颗粒被悬浮，开始进入流化状态，称为 起(初)始流态化或临界流态化。 相应的流体速度即为起始(最小)
第二节
2. 聚式流态化
固体流态化
第二节
固体流态化
一般用弗鲁德准数Fr作为判断流态化形式的依据： 散式流态化： Frmf<0.13 聚式流态化： Frmf>0.13 Frmf－临界(开始流化)条件的弗鲁德准数
Frmf
u 2 mf d pg
式中：umf－临界条件下流体的空截面速度，m/s dp－颗粒直径，m g－重力加速度，m/s2
酐（马来酸酐）、乙烯氧氯化制二氯乙烷
《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）。
固体流态化实验
4固体流态化实验4.1实验目的(1)掌握测定颗粒静态床层时的静床堆积密度ρb 和空隙率ε的方法； (2)测定流体通过颗粒床层时的压降Δp m 与空塔气速u 的曲线和临界流化速u mf ; 4.2实验原理 4.2.1固定床 1)基本概念当流体以较低的空速u 通过颗粒床层时床层仍处于静止状态，称这种固体颗粒床层为固定床。
床层的静态特性是研究床层动态特性和规律的基础，其主要的特征有静床堆积密度ρb 和空隙率ε两个，它们的定义分别如下：1.静床堆积密度：ρb =M/V,它由静止床层中的固体颗粒的质量M 除以静止床层的体积V 计算而得。
ρb 数值的大小与床层中颗粒的堆积松紧程度有关，因此ρb 在流体通过颗粒床层时不是一个定值，如颗粒床层在最紧与最松两种极限状态时，ρb 就有两种数值，它们的大小在床层最紧与最松时分别测量出相应的床层高度就可以计算得到。
2.静床空隙率ε:ε=1–(ρb /ρs ),它是由颗粒的静床堆积密度ρb 和固体颗粒密度ρs 计算而得。
2)固定床阶段压降Δp m 与空速u 的关系当流体通过固定床的空速较小时，床层的高度基本不变；当流体空速趋于某一临界速度时，颗粒开始松动，床层才略有膨胀。
因此，在此临界速度以前，单位高度的床层的压降(Δp m /L)与空速u 的关系可由欧根公式来表示，并把欧根公式改写成如下形式：m m m d uK d K uL p ψ-+ψ-=∆ρεεμεε322321)1()()1((1) 式(1)中，以实验数据的空速u 为横坐标，以（Δp m /uL ）为纵坐标画图得一直线，从直线的斜率中求出欧根系数K 2，从直线的截距中计算出欧根系数K 1。
4.2.2流化床 1)基本概念当流体空速趋近某一临界速度u mf 时，颗粒开始松动，床层略有膨胀，床层高度有所增加；当空速继续加大，此时固体颗粒悬浮在流体中作上下、自转、摇摆等随机运动，好象沸腾的液体在翻腾，此时的颗粒床层称为流化床或沸腾床，临界速度u mf 称为起始流化速度。
4固体流态化实验装置
4.1实验目的 实验目的
1）. 观察聚式和散式流化现象； 2）. 掌握流体通过颗粒床层流动特性的测量方法； 3）. 测定床层的堆积密度和空隙率； 4）. 测定流化曲线（p~u曲线）和临界流化速度。
4.2 重点难点
1）. 掌握流体通过颗粒床层流动特性的测量方法； 2）. 测定床层的堆积密度和空隙率； 3）. 测定流化曲线（p~u曲线）和临界流化速度。 所需学时:4个
4.3基本原理 基本原理
（1）固体流态化过程的基本概念 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性质，这种流固接触状态称为 固体流态化。而当流体通过颗粒床层时，随着流体速度的 增加，床层中颗粒由静止不动趋向于松动。床层体积膨胀， 流速继续增大至某一数值后，床层内固体颗粒上下翻滚， 此状态的床层称为“流化床”。 床层高度L、床层压强降p对流化床表现流速u的变 化关系如图3-9（a）、（b）所示。图中b点是固定床与流 化床的分界点，也称临界点，这时的表观流速称为临界流 速或称最小流化速度以umf表示。
（3）床层的动态特征和规律 (a) 固定床阶段 床高基本保持不变，但接近临界点时有所膨胀。床层 压降可用欧根（Ergun）公式表示。
p (1 ε ) 2 u (1 ε ) ρu 2 = K1 + K2 3 2 L ε ( s d p ) ε 3 sd p
(1—29)
式中，右边第一项为粘性阻力，第二项为空隙收缩放大而 导致的局部阻力。欧根采用的系数=150,=1.75。
图形
实验结果：K1=809.0,
K2=3.54，u mf =0.263m/s
流化床的L、△P对流化床表观速度u的变化关系
对于气固系统，气体和粒子密度相差大或粒子大时气体 流动速度必然比较高，在这 种情况下流态化是不平稳的， 流体通过床层时主要是呈大气泡形态，由于这些气泡上升和 破裂，床层界面波动不定，更看不到清晰的上界面，这种气 固系统的流态化称为“聚式流态化”。
《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。
第4章 固体流态化
1
1
p1
流化床的机械能衡算：
p ps Lg
(p)( A) W ALmf (1 mf)( s )g
5/70
二、流化过程
p L(1 (s )g＝常数
床层净重量 （重力－浮力）
固定床
流化床 B
带出开始 C
聚式流化床
logp
A
D
A
起始流化速度 logu
带出速度
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6/70
流化床压力损失与气速关系
气体分布板
锥冒式分布板
11/70
侧孔式分布板
挡板、挡网
内旋挡板
12/70
外旋挡板
多旋挡板
此时流体的真正速 度 u < 颗粒的沉降 速度u0
2/70
(b)流化床
(c)气力输送
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
此时u&g念
散式流化床：液固体系 床内颗粒的分散状态和扰动程度平缓地加大，床层的
上界面较为清晰。
聚式流化床：气固体系
腾涌现象 两种不正常现象
沟流现象
气泡相（稀相） 乳化相（密相）
3/70
聚式流化床
液体样特性：
一、基本概念
pWA
(a)
4/70
(b)
(c)
(d)
流化床的类似于液体的特性
二、流化过程
恒定的压力损失：
整个床层受力平衡，即合力为零。
A
p2
2
2
pA ms g mg
床层颗 床内流 粒质量 体质量
L
不变
变
目录
第四章 固体流态化
一、基本概念 二、流化过程 三、流化床中的气体流速计算
04.固体流态化与气力输送
第四章 固体流态化与气力输送
固体流态化： 固体流态化：将固体颗粒与流动的气体或液 体相接触， 体相接触，从而使颗粒具有类似 于流体的状态。 于流体的状态。 气力输送： 气力输送：利用气体在管内流动以输送固体 颗粒的方法。 颗粒的方法。
流化技术的缺点
（1）由于气体反混和气泡的存在，使气固接 由于气体反混和气泡的存在， 触效率低。 触效率低。 （2）由于固体颗粒在床层内迅速混合，在连 由于固体颗粒在床层内迅速混合， 续进料的情况下， 续进料的情况下，将导致颗粒在床层停 留时间不均，使产品质量不均匀。 留时间不均，使产品质量不均匀。 （3）由于固体颗粒的磨损腐蚀作用，管子和 由于固体颗粒的磨损腐蚀作用， 容器壁面磨损严重。 容器壁面磨损严重。 （4）固体颗粒易被磨成粉末被流体带走，加 固体颗粒易被磨成粉末被流体带走， 大损失量，且需要高效除尘设备。 大损失量，且需要高效除尘设备。
流化技术的优点
（1）由于固体颗粒剧烈运动搅拌，使床层 由于固体颗粒剧烈运动搅拌， 温度均匀。 温度均匀。 （2）流化床所用的固体颗粒尺寸小，比表 流化床所用的固体颗粒尺寸小， 面积大，因此， 面积大，因此，固体颗粒与流体间的 传热、传质速率高。 传热、传质速率高。 （3）颗粒流动平稳，类似液体流动，操作 颗粒流动平稳，类似液体流动， 易于实现连续化和自动化。 易于实现连续化和自动化。
高速床的优点
① 因高速床内固体分散均匀，所以床内温 因高速床内固体分散均匀， 度较均匀， 固接触良好， 度较均匀，气—固接触良好，较强的传 热、传质能力。 传质能力。 ② 气速高，生产能力高。 气速高，生产能力高。 ③ 工业放大比鼓泡床容易。 工业放大比鼓泡床容易。 ④ 较高的气速可以阻止气体的返混，适当 较高的气速可以阻止气体的返混， 控制催化裂化中的二次反应。 控制催化裂化中的二次反应。
第五章 颗粒的沉降与流态化-第四节-固体流态化技术
———恒压降
恒定的压降是流化床的重要优点，可使流化床中采用细小 颗粒而无需担心过大的压降。
11
西北大学化工原理课件
12
西北大学化工原理课件
四、流化床的操作范围
1. 起始流化速度umf
对非均匀颗粒组成的流化床，起始流化床的表观速度为：
LAρ p (1 − ε ) m ∵ Δp = （ρ p − ρ）g = （ρ p − ρ）g A⋅ ρ p Aρ p ) ∴ Δp = L(1 − ε（ρ p − ρ）g
∴ umf
对工业常见颗粒
(1 − ε mf )
ψε
2 3 mf
= 11
∴ umf =
de 2 ( ρ p − ρ ) g 1650 μ
2. 带出速度
当表观速度u=ut时，大量颗粒将被流体带出流化床设备外， 即流化床的带出速度等于 ut，此速度为流化床操作范围的上限。 流化数：流化床实际操作速度与起始流化速度之比。
西北大学化工原理课件
第四节 固体流态化技术
一、流化床的基本概念
固体流态化是一种使流体与固体颗粒接触并使整个流—固 系统具有流体性质的技术。广泛应用于：颗粒物料的加热、干 燥、混合、浸取、煅烧、输送及反应过程。
1
西北大学化工原理课件 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。 当流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出 现下面三种不同的情况：
2. 聚式流化
一般发生在气—固系统，当表观流速超过umf 而开始流化 后，床内出现一些空穴，气体将会优先穿过各个空穴至床层顶 部逸出。聚式流化界面有频繁的起伏波动，界面以上的空间也 会有部分固体颗粒，与理想流化床偏离较大. 液体样特征
①无定形，随容器的形状变化，有一定的上界面； ②如将小于床层密度的物体放入，此物体将浮在表面上； ③当容器倾斜时，床层上界面保持水平； ④两个床层连通时，其床面自动调整到同一水平面上； ⑤床层任意两截面间的压强变化等于这两截面间单位面积 上床层的重力； ⑥流化床与液体一样具有流动性。
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。
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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：
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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
05 固体流态化
7
流化床的操作范围
要使固体颗粒床层在流化状态下操作，必须使气速高于临
界流速ｕmf
ห้องสมุดไป่ตู้
而最大气速又不得超过颗粒的沉降速度，以免颗粒被气流 带走
颗粒带出速度即颗粒的沉降速度，即:
8
8
影响流化质量的因素
流化质量是指流化床均匀的程度，即气固接触的均匀程度 一般来说，流化床内形成的气泡愈小，气固接触的情况愈 好
4
4
流化床阶段
流速继续↑超过Ｃ点，颗粒悬浮在流体中自由运动，床层高度↑，床层 压强降＝等于单位面积床层净重力，Δｐ与ｕ的关系如图中的CE段示
如果流化床气速↓ ，则床层高度、空隙率↓ ，Δｐ与ｕ关系仍沿ＥＣ线 返回，当到Ｃ点，固体颗粒互相接触、静止固定床
与Ｃ点相应的流速成为临界流化速度ｕmf——最小流化速度
每一个空塔速度对应一个相应的床层空隙率原则上流化床有一个明显的上界面实现固体颗粒的气力或液力输送稀相输送床层a固定床b流化床c气力输送流态化过程的几个阶段随着气速气体通过床层的摩擦阻力如图ab段示当气速至某一定值床层压强降恰单位面积床层净重力气体在垂直方向上给予床层的作用力刚好能够把全部床层颗粒托起床层变松并略有膨胀但固体颗粒仍保持接触而没有变化如图中的bc段所示流速继续超过c点颗粒悬浮在流体中自由运动床层高度床层压强降等于单位面积床层净重力p与u的关系如图中的ce段示如果流化床气速则床层高度空隙率p与u关系仍沿ec线返回当到c点固体颗粒互相接触静止固定床与c点相应的流速成为临界流化速度umf最小流化速度流化床阶段流化床阶段为表观速度增大至一定程度mf为起始流化速度时此时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像液体沸腾故流化床也称沸气流输送阶段u继续增大且则颗粒将获得向上升的速度其大小为uu当流速至某一数值后床层上界面消失床层空隙率增大颗粒悬浮在气流中并被气流带走气流中颗粒浓度降低由密相转为稀相形成了两相气固同向流动的状态气流输送阶段气流输送阶段起点的空塔速度带出速度或最大流化速度是流化床操作所允许的理论上的最大气速要使固体颗粒床层在流化状态下操作必须使气速高于临界流速umf而最大气速又不得超过颗粒的沉降速度以免颗粒被气流带走
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两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。如
气—固系统往往成为聚式流化。
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3：流态床的主要特点——类似液体的特性
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①：密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面;
②：床层倾斜，床层表面仍能保持水平；
③：床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式
表示（△p=ρgL,）；
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A：固定床区域AB和流化区域DE之间有一个“ 驼峰” BCD；最初的床层越紧密，驼峰越陡峭（区 别理想流化床） ；气速降低时沿EDC’A’变化——AB
段床层阻力与流体速度间的关系符合欧根方程（类
似理想流化床） B：DE线近于水平，右端略微向上倾斜（思考 ？）——床层阻力基本不变，等于单位截面床层颗
（思考）如何测？？ 如图：临界流化速度umf=uc´
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如 操作流化介质不同于空气 时，则用右式推算：
umf
ρs ρμa u mf ρs ρa μ
B：关联式计算法：临界点是固定床与流化床的交 叉点，所以临界点的压强降既符合流化床的规律也 符合固定床的规律。 当颗粒直径较小时，Reb＜20
，同时引起设备振动
措施：采用适宜的
长径比，以及适宜的操
作气速。
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②：沟流现象 现象：气体通过床层时形成短路， 大量气体与固体粒子没能很好接触即穿 过沟道上升 后果：密度不均匀， 气固接触不良不利于气固 间传热、传质和化学反应 ；△P＜W/A（正常值）
如右图
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原因：气体初始分布不均匀；粒度过细，密 度太大易于黏结；床层直径太大。 判断：正常操作，△P波动小；△P波动大，
u n ut
对聚式流态化，ε的影响因素较复杂，可参考 相关关联式（略）
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2：稀相区高度（分离高度TDH）： 分离高度TDH：浓相区上界面到稀相 区颗粒浓度恒定处的距离 若颗粒浓度恒定处的ut大于气 流速度，该颗粒可沉降到浓相区 气体出口不需比分离高度再高 TDH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
层的重量。
特点C：床层有明显的上界面
③： 颗粒输送阶段
特点：
u´＞ut，颗粒被流体带出器外，床层的 上界面消失，此时的流速称为流化床的 带出速度，流速高于带出速度后，为流
体输送阶段，如图(e)所示。
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2: 两种不同的流化形式 ①：散式流化（液-固系统）如图 固体颗粒均匀地分散在流化介 质中，亦称均匀流化或理想流化。 特点：a ：床层有一个平稳的上界面 b：流化床层的压降为一常数： C:空床u↑，颗粒间的距离均匀增大。ε 不因床层内的位置而变化。
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特点：
当u↑一定值时，(颗粒的)曳力接 近净重力，颗粒开始浮动，但仍未脱
离原来的位置，如图(b)
在此状态时， u稍稍↑ ，颗粒便互 相离开，床层的高度也会有所提高， 这时的状态称为起始流化状态或临界
流化状态，对应的床层高度是Lmf ；流
速称为起始流化速度(umf)或最小流化
速度 ,
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目前，尚无可靠的计算公式；一般来说气速 愈大，分离高度愈大； 思考：P186图3—39中，一级分离器入口高度
的确定原则？；一级分离器分离下的固体颗粒回到
浓相区，而二级分离器分离下的固体颗粒回到稀相
区？一级和二级的分离因数谁大？
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四：气力输送简介 气力输送：利用气体在管内流动以输送粉粒状固
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缺点：动力消耗大、颗粒尺寸受一定限制，在输送 过程中颗粒易破碎，管壁也受到一定程度的磨损；
对含水量大、有粘附或高速运动时易产生静电的物
料不宜用气力输送，而以机械输送为宜。
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umf
2 dp ρs ρ g
1650μ
u mf
d p ρs ρ g 24.5
②：带出速度 颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即
ut
4d p g ( s ) 3
dp ：取不同粒度直径的平均值
③：流化床的操作范围：umf＜u＜ut
④：有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出 ⑤：联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整 平衡
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二：流化床的流体力学特性 1：流化床的压降 ①：理想流化床的压降 A：固定床阶段：如图AB B：流化床阶段：如图BD ，DCA’ 流化阶段可以认为颗粒处于动态平衡， 即总曳力=净重力
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即：流化床层阻力=单位面积床层中颗粒的净 重力，因此流化床阶段，床层压降基本恒定。
气 固流化床：s
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p L(1 ) s g
床层u↓，△p~u的关系沿DCA´变化（思考？） ②：实际流化床的压力降 实际流化床的情况较为复杂，其关系如下图所 示，它和理想流化床的曲线有显著区别。
2：流化床的不正常现象 ①：腾涌现象(节涌现象)——气固 流化 现象：气泡长大将床层分成相互 分开的气泡和颗粒层，颗粒层象活塞 一样被气泡向上推动，到达床层上界 面，气泡崩裂，颗粒分散下落。 原因：长径比过大或气速过高时导致小气泡合 并成大气泡
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后果：△p在理论值附近作大幅度的波动，如 下图；气固两相接触不良；且容器受 颗粒磨损加剧
浓 相 区 稀 相 区
L
Lmf A(1 mf )s LA(1 )s
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床层截面积不随床层高度变化
L 1 mf Rc ——膨胀比 Lmf 1
L 1 mf Lmf 1
对确定的体系εmf是定值，Lmf也是定值（物料衡算） 确定L，关键是定体系的ε，对散式流态化ε 是表观速度的函数
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umf u
'
u
mf
ut
B：流化床阶段（沸腾床）
在临界流化状态下，继续
↑u ，颗粒间的距离增大，颗粒
作剧烈的随机运动，——流化床
阶段(沸腾床)。
特点A：u↑ → ε↑ 、L↑→ 真实流速=颗粒的沉降速度。使
真实流速保持不变；
u ut
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特点B： 床层阻力几乎保持不变，等于单位截面床
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4：气力输送的特点是：
优点：
①：系统密闭，可避免物料飞扬，减少物料损失，
改善劳动条件；
②：输送管线受地形与设备布置的限制小，在无法
铺设道路或安装输送机械的地方选择气力输送尤为
适宜； ③：在输送的同时易于进行物料的干燥、加热、冷 却等操作； ④：设备紧凑，易于实现过程的连续化与自动化， 便于与连续的生产过程衔接。
可能形成大气泡；△P↑然后又↓，说明发生腾涌；
△P＜正常△P，说明发生沟流
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3：流化床的操作范围 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)。
①：临界流化速度umf A：实测法 一般用空气作
流化介质测得△p ～ u 曲 线（如前图）直接读数，
粒的净重力（类似理想流化床）
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C：C′为临界点，对应分别为umf和εmf ,且εmf 略大于AB段的ε
D：DE 线的上下各有一个虚线，说明流化阶
段压降是波动的（思考？） ③：气流输送阶段；密相变稀相，形成两相同向流 动的状态；此时空塔速度——带出速度（流化速度 的上限）
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②：聚式流化（气-固系统） 聚式流化床一般存在两相： 连续相：是由空隙小，而固体浓度大的
气固均匀混合物构成。
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。
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通常：两相密度差小的系统趋向散式流化，大多数 液—固流化属于“散式流化”
第 三 章 非均相物系分离
一：流态化的基本概念
二：流化床的流体力
学特性
第 四 节 固体流态化
三：流化床的浓相区高
度与分离高度
四：气力输送简介
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固体流态化： 大量固体颗粒悬浮于流体中，并作翻滚运动， 类似于液体的沸腾；简单说，固体流态化就是固体 物质流体化。 应用：强化传热、传质，化学反应；颗粒输送等 一：流态化的基本概念 1：流态化过程 当一种流体自下而上流过固体颗粒床 层时，随着流速的加大，会出现三种 不同的情况
体的方法
1：分类 ①：按气流压强分
A：吸送式 输送管中压强低于常压的输送 型式 低真空式 真空度 <10KPa 适宜的输送距离 近距离的细粉尘的清扫
高真空式
10～50KPa
50～100m
适用于须在输送起始处避免粉尘飞扬的场合。
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B：压送式 输送管中压强大于常压的输送。 型式 表压 状态 距离
pAf Af Lmf (1 mf )(s ) g
p Lmf (1 mf )( s ) g
床层u↑，颗粒间的距离均匀增大——压降不
随表观气速的改变而变化（流化床的特征）
p L(1 )( s ) g
1 p LAf (1 )( s ) g Af
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①：固定床阶段
特点：
颗粒静止（空床流速小，颗粒受曳力小）
床层高度L 、空隙率ε均保持不变；
阻力服从欧根方程
Pf
(1 ) u (1 ) u 150 3 1.75 3 2 L (s de ) (s de )