第四章 固体流态化和气力输送-1
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
流态化技术 与气力输送
负压
1
5 2 4
1.布袋除尘器 2.离心分离器 4.供料器 5.离心分离器
7
6
3.输料管 6.风机 7.吸嘴
气力输送系统的基本构件 气力输送系统的基本构件包括：风机、 供料器、分离器、卸料器、除尘器及管路 等
3、气力输送系统的一般形式
（1）吸气式气力输送系统 5 2 1 3
1.吸嘴
6
2.输料管 3.重力分离器 4.离心分离器 5.风机
4
6.布袋除尘器
（2）压送式气式气力输送系统
6
5 4
2
1.鼓风机
2.供料器 3.重力分离器 4.离心分离器 5.布袋除尘器
1
3
6.输料管
（3）混合式气力输送系统
3
正压
2.流态化技术 与气力输送
一、流态化技术与气力输送 1、流态化的基本概念 简单来说，固体流态化就是将固体物质 流体化。流体以一定的流速通过固体颗粒组 成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动 的流体中，颗粒在流体作用下上下翻滚，犹 如液体。这种状态即为流态化。
2、流态化现象
固定床（a）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
临界流化床（b）
流化床的操作速度范围：umf — ut
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速度，也称最小流化 速度。
ut —床层的沉降速度。也是颗粒的带出速度， 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。 (是颗粒本身和流体系统所具有 的特性速度）
流化床（c）
气力输送(d)
流态化的形成： 流体自上而下流过固体床层时，根据流体流速 的不同，床层经历三个阶段： 固定床阶段： u0＜umf时，固体粒子不动，床层压降随u增大而增大。 流化床阶段： umf≤u0≤ut时,固体粒子悬浮湍动,床层分为浓相段 和稀相段，u增大而床层压降不变。 输送床阶段： u0 ＞ ut 时,粒子被气流带走,床层上界面消失,u增 大而压降有所下降。
气力输送课件
第一节 概述
三、采用气力输送的理由
优点： 1、输送管道结构简单，占据地面和空间小，走向灵活，管理简单。 2、物料在管道内密闭输送，不受环境、气候等条件影响，物料漏损 、飞扬量很少，环境卫生较好。 3、设备操作控制容易实现自动化。 4、输送量和输送距离较大，可以向高压端输送。可把输送和有些工 艺过程(干燥、冷却、混合、分选等)联合进行。
二、磨损
➢在气力输送装置中，物料自始至终不断地与管壁、管件和部件相接触， 这样就造成了部件的磨损。研究磨损的目的，在于提高管件使用寿命。
➢磨损机理
刮削 颗粒以一定角 度冲击壁面时 颗粒损失动能 而刮削壁面，
如图a)所示。
压削 颗粒以近似垂 直的角度冲击 壁面时，产生 压削
a)
-a)刮削 -颗粒以一定角度冲击壁面时颗粒损失动能 而刮削壁面
空气绕过物料颗粒的状况
二、固体流态化
第一节 概述
第一节 概述
1、上图演示空气以不同速度通过固体颗粒层时，固体颗粒层的 状态发生的不同变化。
2、当流体自下而上通过料层时，当u较低时，空气流只是穿过颗 粒之间的空隙，颗粒静止不动，并彼此互相接触，这种状态的颗 粒层叫固定床。
3、随着u的增加，颗粒间隙随之增大。当流速增加到一定值时， 全部颗粒都刚好悬浮在空气流中，空气对颗粒的作用力与其重力 相平衡，相邻颗粒间挤压力的垂直分量等于零，床层开始具有流 体的特性，此种“沸腾”状的床层称为流态化床，此种现象称为 流态化。（此流速可称为临界流速）。
流
送机
送机 升机 输 送 相
机
比
机
压 送 吸送
式
化工原理课后答案(中国石化出版社) 第4章 固体流态化和气力输送
第四章固体流态化和气力输送1.在内径为1.2m的丙烯腈流化床反应器中，堆放了3.62t磷钼酸铋催化剂，其颗粒密度为1100kg/m3，堆积高度为5m，流化后床层高度为10m。
试求：(1)固定床空隙率；(2)流化床空隙率；(3)流化床的压降。
2.流化床干燥器中颗粒的直径为0.5mm，密度为1400kg/m3，静止床高为0.3m。
热空气在床中的平均温度为200℃，试求流化床的压降及起始流化速度。
空气可假设为常压下的干空气，颗粒视为球形，ε可取为0.4。
mf3.某气—固流化床反应器在623K，压强152kPa条件下操作，此时气体的粘度μ=3.13×l0-5Pa·s，密度ρ＝0.85kg/m3，催化剂颗粒直径为0.45mm，密度为1200kg/m3。
为确定其起始流化速度，现用该催化剂颗粒及30℃的空气进行流化实验，测得起始流化速度为0.049m/s，求操作状态下的起始流化速度。
30℃下空气的粘度和密度分别为：μ=1.86×l0-5Pa·sρ＝1.17kg/m3。
4．平均直径为0.2mm的催化剂颗粒，在200℃的气流中流化，气体的物理性质可以近似地视为与空气相同。
颗粒的特性如下：密度球形度固定床空隙率开始流化时空隙率操作气速取为0.15mm直径的颗粒带出速度的0.4倍，已估计出此时流化床的＝0.65.试求：空隙率εf(1)起始流化速度；(2)操作气流速度；(3)流化数：(4)操作气速下每米流化床的压降；(5)膨胀比。
5.大小均匀的球形颗粒由气体携带以Gs/G＝4的比例通过一很Dt＝0.1m的水平管子，颗粒的直径为0.8mm，密度ρ＝2000kg/m3，气体的密度ρ＝1kg/m3，粘度μ=2×l0-5Pa·s。
计算沉积速度。
6.混合颗粒的粒径在0.06-1mm之间，在一根Dt＝0.12m的水平管中以Gs/G=4的固气比进行气力输送。
气体及固体的性质与上题相同，试计算其沉积速度。
第四章(3)固体流态化
出现节涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压
强降大于理论值，而在气泡破裂值又低于理论值， 因而 △p ～ u图上表现为△p在理论值附近作大幅度 的波动，如图所示：
床层发生节涌现象时，气固
两相接触不良，且使容器受 颗粒磨损加剧，同时引起设 备振动。 防止节涌现象的措施：实际 操作中应采用适宜的床层高 度/床径之比值，以及适宜的 操作气速。
流化床阶段还有一个特点是床层有明显的上界面，
如图(c、d)所示。
(3) 气力（或液力）输送阶段 特点：
当流体流速（空塔速度u）=颗粒的沉降速
度时，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。
(二) 两种不同的流化形式
2、沟流现象 在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分 布不良，可在床内局部地方形成沟流。此时，大量 气体经过局部地区的沟道上升，如图示，而床层的 其余部分处于固定床状态而未被流化。 △p ～ u的 关系为△p 低于单位面积上的净重力。沟流现象的 出现主要与颗粒的特性和气体分布板有关。颗粒过 细、密度过大，易于粘结的颗粒，以及气体在分布 板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。
对于气-固流化床，由于颗粒与流体的密度差
较大，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。
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] 1. 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，若实际操作流化介质不同于空气时，则：
刘云宏流化床、气力输送、均质、乳化
K=u/umf
[例4-5]具有某种粒度分布的面粉，其平均直径dp=200mm，
密度rp=1400kg/m3。假设球形度A=1，床层的临界空隙率 emf=0.4。以空气为流化介质，其性质是f=0.0178mPa.s， rf=1.204kg/m3。为避免粉粒的带出，求床层中允许的空气
在临界点之后，压降Dp保持近似定值：
Dp=Lmf(1-emf)(rs-rf)g=L(1-e)(rs-rf)g
Lmf(1-emf)g=L(1-e)
（二）临界流化速度
流体以层流流经固定床时的压降公式由欧根方程给出：
D p (1-e)2 u
1-eru2
L150e3 (A de)21.75e3A de
在颗D粒p很小15（0(R1-eep<)220）u时右边 第二L项可以忽略e不3 计(：Ade)2
压送式气力输送装置
1—旋转加料器 2—鼓风机 3—料斗 4—输料管 5—分离器 6—除尘器
（四）气体输送系统的组成 1. 气力输送的供料器
（1）吸嘴
（1）单管形 （2）单筒形 （3）倾斜形 （4）喇叭形双筒
（2）旋转式加料器
（1）结构简图 （2）供料量与圆周速度的关系 （3）hv与n的关系
1——叶轮 2——机壳 A——粉料 B——小麦类物料
L
Lp
Lmf
L
稀相区
气泡 密相区Biblioteka 固定床临界 流化床
散式 流化床
聚式 流化床
输送床
（四）沟流和腾涌
1．沟流
流体通过床层时分布不均匀，有 大量流体没有与固体颗粒很好地 接触就通过床层。在有沟流的床
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》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。
中国石油大学华东考研资料
石油大学（华东）硕士研究生入学考试专业科目考试大纲试卷AB1、说明热负荷与传热速率的概念及两者之间的关系？答：传热速率：单位时间内通过传热面的传热量。
热负荷：当生产上需要加热（或冷却）某物料时，便要求换热器在单位时间内向该物料输入或输出一定的热量，这是生产对换热器换热能力的要求，称为该换热器的热负荷。
一个满足生产的换热器应该是：传热速率等于（略大于）热负荷。
2、经内径为158mm 的钢管输送运动粘度为s m290的燃料油，若保持油品作层流流动，则最大流速不能超过________。
2、s m 14.1。
3、用离心泵在两个敞开容器间输液，若维持两容器的液面高度不变，当关小输送管道的阀门后，管道的总阻力将___________。
3、不变。
4、往复式压缩机的余隙糸数ε=___________,ε_______-，则容λ增大，生产 能力_______________。
4、313V V V -、 小、大。
5、沉降操作是指在某种______中利用分散相和连续相之间的________,使之发生相对运动而实现分离的操作。
沉降过程有_____和_____沉降两种方式。
5、力场、密度、重力、离心。
6、在过滤操作中，真正发挥拦截颗粒作用的主要是_______而不是______。
6、滤饼层、过滤介质。
7、在平壁稳定热传导过程中，通过三层厚度相同的材料，三层间的温度差变 化是依次降低，则三层材料的导热糸数的大小顺序__________________。
7、依次增加。
8、沸腾传热可分为三个区域，它们是_______、_________、_________ 。
应维持在_____________区内操作。
8、自然对流、膜状对流、核状对流、 核状对流。
9、 往复式压缩机的工作循环为_______._____ ._____._______四个阶段。
9、吸气、压缩、排气、膨胀四个阶段所组成。
10、 直管阻力的表示式为____________________，管中流出 出ζ=__________流入管中入ζ=_____________。
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
返回目录
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。
颗粒与流体之间的相对流动
第4章 颗粒与流体之间的相对流动4.1 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动4.1.1 颗粒床层的特性单个颗粒的特性球形颗粒是最简单的一种颗粒，它的各有关特性均可用单一参数—直径d 全面表示。
体积 63d V π=；表面积 2d S π=； 比表面积 dV S a 6== （单位体积固体颗粒所具有的表面积称为颗粒的比表面积）对非球形颗粒，以当量直径d e 来表征其与球形颗粒在某些特性方面的等效。
(1)体积等效直径d ev 使当量球形颗粒的体积等于真实颗粒的体积V P 。
63ev P d V π=或36πPev V d =(2)表面积等效直径d es 使当量球形颗粒的表面积等于真实颗粒的表面积S P 。
2es P d S π=或πP es S d =(3)比表面积等效直径d ea 使当量球形颗粒的比表面积等于真实颗粒的比表面积a 。
ea P P d V S a 6==或PP ea S V d 6= 球形度φS ：体积相同时球形颗粒的表面积与实际颗粒的表面积之比。
相同V PS S S )(=φ 0≤φs ≤1。
颗粒群的特性由大量单个颗粒组成的集合—颗粒群。
(1) 粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量称为粒度分布。
一般用粒度表征颗粒的大小，球形颗粒的粒度就是其直径。
颗粒粒度的测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法等。
筛分法通常采用一套标准筛进行测量。
常用的泰勒标准筛以筛号（目数）表示筛孔的大小。
目数：每英寸长度上的孔数。
（2）颗粒群的平均直径pm d ：以比表面积相等为原则的球形颗粒群的平均直径pm d ：∑=Pi i Pm d x d 1式中：x i —第i 筛号上的筛余量质量分数； 21Pipi Pi d d d +=-。
床层特性(1) 床层的空隙率ε:床层中空隙的体积与床层总体积之比。
ε=床层空隙体积/床层总体积=（床层体积-颗粒所占体积）/床层总体积(2)床层的各向同性各向同性的一个重要特点：床层横截面上可供流体通过的空隙面积（即自由截面）与床层截面之比在数值上等于空隙率ε。
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
气力输送原理知识
气力输送原理第一节气力输送的基本原理一、沉降速度与悬浮速度散粒物料在气流中运动时，沉降速度和悬浮速度是它的最基本性质。
当直径为d的球形物体从静止状态在空气中自由下落时，由于受到重力的作用，下落速度将愈来愈快，同时，物体受空气的阻力亦逐渐增大。
当物体的自重G以及物体在空气中受到的浮力P和阻力R，按下列关系达到平衡时，即；G—P＝R则物体将因惯性作用而以等速γ沉向下沉降，这一速度就叫做沉降速度。
在上式中: ( )R=CS =C式中: γ物、γ气——物体和空气的比重g——重力加速度S——物体在运动方向的投影面积，亦叫迎风面积C——物体以沉降速度运动时的阻力系数物体的沉降速度为：γ沉=设沉降速度为ν沉的物体，放在垂直向上的速度为ν的均匀气流中，则物体运动的绝对速度ν物将为：γ物=γ-γ沉此时，如果ν=ν沉，则物体的绝对速度ν物=0，即物体在气流中停在原处，既不上升，也不下降。
通常将这时的气流速度称为物体的悬浮速度ν悬。
物体的悬浮速度在数值上与沉降速度相等，即ν悬=ν沉。
由此可见，当物体处在大于其悬浮速度的气流中时，则物体将被气流带动。
在垂直管道中，气流动力同物料重力处在同一直线上。
要使物料能与气流同向运动，则气流的速度必须大于物料的悬浮速度。
所以，悬浮速度是实现气力输送时确定气流速度的依据。
但是，物料在管道中的运动十分复杂，受着多方面因素的影响;同时，被输送物料的形状通常是极不规则的，所以，各种物料的实际悬浮速度需要通过实验来确定。
在水平管道内，由于气流的动力方向同物料颗粒的重力方向垂直，因而共悬浮和运动状态更为复杂。
在选择气流速．度时，通常仍以垂直管道内的悬浮速度为依据。
部分谷类物料的悬浮速度见表表部分谷类物料悬浮速度参考值名称v悬（米/秒）名称v悬（米/秒）名称v悬（米/秒）小麦9～11 糙米9～12 油菜仔8面粉2～3 大糠（谷壳）2～3.5 大豆9～11麸皮1～3 米糠1～2 大麦9～11一皮物料6～7 稗子4～7 高梁9.8～11.8大麦心4.3～5 并肩石11 荞麦7.5～8.7中麦心4～4.5 玉米10～14 燕麦8～9细麦心2～4 花生11～15 豌豆15～17.5稻谷8～10 棉籽9～10在实际的气力输送管道中，由于物料相互之间和同管壁之间的摩擦、碰撞以及管道内气流的不均匀等多种原因，实际所需的气流速度远比物料的悬浮速度为大。
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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
矿石焙烧：硫铁矿焙烧、铁矿石的预还原、贫铁矿磁化焙烧、氧
化铝煅烧、石灰石煅烧
能源化工（石油、煤和生物质）：催化裂化、重油裂化、费托合
成、煤（生物质）燃烧或气化
核化工、生物化工、环境化工等
催化裂化(Catalytic Cracking)装置两器工艺流程
沉降器 提升管反应 器 再生器
第二节
固体流态化
采用前述公式判断流态化形式会存在不确定区，因此推荐采用以下 判别式： p Lmf 散式流态化： ( Frmf )(Re p ,mf )( )( ) 100 Db
Lmf 聚式流态化： ( Frmf )(Re p ,mf )( p )( ) 100 Db
(2)颗粒的形状与密度：粒子球形度大、密度大的床层易产生沟流。 FCC催化剂颗粒密度一般为1500 kg/m3
(3)颗粒的湿度：湿度愈高，颗粒愈易结成团，愈易产生沟流现象。
(4)气体入口分布装置：气体在分布器处初始分布不均匀，易引起沟流。
第二节
2. 节涌现象
固体流态化
(三）气流的不均匀分布和气—固的不均匀接触
第二节
固体流态化
提升管反应器－快速床
沉降器 提升管反应 器 再生器
分馏塔
第二节
四.流化形成的条件
固体流态化
综上所述，形成流态化的几个基本条件是： • 有一个合适的容器作为床体，底部有 一个流体的分布器；
• 有大小适中的足够量的颗粒来形成床层; • 有连续供应的流体充当流化介质； • 流体的流速大于最小流化速度，但不
第二节
四、流化床的操作范围
固体流态化
1. 起始（最小）流化速度umf的测定和计算方法
康采尼公式
P a 2 (1 ) 2 K' u 3 L
临界流化条件下的压降公式
P L(1 )( p ) g
联合即可得到：
u mf K ' (1 mf )
3
3 mf
能超过颗粒的带出速度。
第二节
三. 流化床的主要特性
流化床类似于液体的特性
固体的混合
固体流态化
气流的不均匀分布和气—固的不均匀接触 恒定的压力降
第二节
固体流态化
(一）流化床类似于液体的特性
(a)
(b)
(c)
(d)
第二节
(二）固体的混合
固体流态化
流化床内颗粒处于悬浮状态并不停地运动，从而造成床内颗粒
定床。颗粒空隙中流体的实际流速u m < 颗粒的沉降速度u t 。
(a)
(b)
(c)
第二节
(二)流化床阶段
固体流态化
m所产生的向上曳力开始大于颗粒
当流体通过颗粒空隙的实际流速u
床的重力时，颗粒层开始流化，床内颗粒会发生运动，颗粒层将“膨胀
”，即床层空隙率 ε增大。当床层膨胀到 um=ut时，所有颗粒都悬浮于流
体中，这种床层称为流化床。
um
u
ut
(a)
(b)
(c)
第二节
固体流态化
(三)颗粒输送阶段
当u m > u t 时，颗粒将获得上升速度，被流体带出床外，流化床界 面消失，这种床层称为输送床。
um
u
ut
(a)
(b)
(c)
第二节
固体流态化
二. 聚式流态化与散式流态化
流态化按其形状不同，可分为散式流态化与聚式流态化两类。
所含有的颗粒和流体的总质量：
对B-C-D段：
lgp
P L(1 )( p ) g
固定床阶 段
B
低速流化 床阶段
颗粒输送阶段
C
D
A umf lgu
第二节
固体流态化
(四）流化床恒定的床层压降-- （2）流化床的床层压降
床层流化时，全部颗粒处于悬浮状态，对床层作受力分析：
重力(向下)： mg 浮力(向上)： m g p 阻力(向上)： Ap
第一节
流态化技术的缺点：
概述
三.固体流态化技术的优、缺点
(1)由于固体颗粒处于剧烈搅拌状态，无法保证流体与颗粒间的逆流接
触及沿轴向的温度及浓度梯度。 (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 粒在床层停留时间不均，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，加大了损失量，同时需要高效 率的除尘设备。 (5)流体速度与固体颗粒的性质有关，许可变化范围较窄。
称为起始(最小)流化系数。
对光滑球体，εmf=0.4,ψ=1,则 Cmf=0.00059
第二节
固体流态化
再生器－湍流床
沉降器 提升管反应 器 再生器
分馏塔
第二节
固体流态化
三. 床层随气速升高的变化状况
快速床（高速流化床） ：气速继续增加，使密相床 层要靠固体循环量来维持，当无固体循环量时，密相
床层固体颗粒就会被气体全部带出。
在快速床内，不连续的气泡转变为连续的气相， 而连续的乳化相逐渐变为组合松散的颗粒群，类似絮 状，时聚时散。 快速床操作气速高，床内气固接触好，传递速度快，气固返混小。
颗粒受力平衡： Ap mg m g p 设床层空隙率为ε:
p LA p (1 ) A p
p
m ( p ) g A p
( p ) g L(1 )( p ) g
式中：A－床层空截面积，m2 m－床层颗粒的总质量，kg ε－床层空隙率 ρp,ρ－分别为颗粒与流体的密度，kg/m3
化界面时会发生破裂。
第二节
固体流态化
鼓泡床
第二节
固体流态化
三. 床层随气速升高的变化状况
节涌床：在床径比较小时，当气泡直径达到与床直 径相等时则出现气柱，而气柱之间的固体颗粒呈固 定床流动，这种现象称为节涌床，或腾涌床。
湍流床: 湍流床是一种特殊的床形，它介于鼓泡床和快速床之间，当鼓泡床进 一步提高流化介质表观气速，床层气泡直径变小，气泡数量增多，气泡很快合 并又很快被激烈湍动旋涡搅动所击碎，气泡在床层界面形成大量喷溅，使床层 界面变得模糊不清。
第二节
四、流化床的操作范围
固体流态化
1. 起始（最小）流化速度umf的测定和计算方法
将降速法所得的流化床压降和固定床压降的数据点绘制在双对数坐标系下， 并进行线性关联，两直线的交点即为临界流化点，对应的横坐标就是起始流化 速度umf。 用升速法所得压降曲线由于体系 的迟滞效应而出现一个突跃期间，
因此不能使用。
式中：Lmf－临界流化层的高度，m Db－流化床直径，m Rep,mf－临界条件下颗粒的雷诺数， R e p ,mf
d pumf
第二节 固体流态化
三. 床层随气速升高的变化状况
第二节
固体流态化
三. 床层随气速升高的变化状况
散式流化床：固体颗粒脱离接触，但颗粒均匀分布，颗粒间充满气体，无颗粒与
分馏塔
第一节
流态化技术的优点：
概述
三.固体流态化技术的优、缺点
(1)由于固体颗粒剧烈运动搅拌，使床层温度均匀。
(2)流化床所用的固体颗粒尺寸小(常用20～100μm)，比表面积大， 固体颗粒与流体间的传热、传质速率高。 (3)固体颗粒流动平稳，类似液体流动，易于在装置中或装置之间用 气力输送，操作易于实现连续化和自动化。 (4)为颗粒或粉末原料的加工开辟了途径。
lgp
固定床阶 段
B
低速流化 床阶段
颗粒输送阶段
C
流 化 速 度 umf
Fluidization Velocity)
(Minimum
D
A umf lgu
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，床层压降将不再变化，但颗粒间距离的增加 (ε增大 ）使得颗粒可以相对运动。流化床的最基本特征是流体压降等于单位截面积上