第十章流态化与气力输送

第十章 流态化与气力输送§1 固体流态化10-1 流态化现象流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触，转化成类似流体状态的操作。

近 40 年来， 这种技术发展很快，广泛应用于粉粒状物料的输送、混合、干燥、煅烧和气－固反应等过程 中。

当流体自下而上的通过一个固体颗粒床层时， 可能出现以下几种情况： 当流速较低， 颗 粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙穿过，称为固体床，如图10-1（ a ）所示。

当流速继续增大，颗粒开始松动，颗粒位置也在一定的区间进行调整，床层略由膨胀，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，床层的高度也随之升高，这种情况称为流化床，如图 10-1 （ b ）所示。

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 为气力输送，如图 10-1（ c ）所示。

图 10-1 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， 气－固系统的密相流化床， 看起来很象沸腾着 的液体，并且在很多方面都是呈现类似液体的性质。

例如，当容器倾斜，床层上表面保持水 平,如图 10-2（ a ）所示。

两床层连通，它们的床面能自行调整至同一水平面，如图 10-2（ b ）所示。

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 10-2（ c ）所示。

流化床层也像液体一样具有流动性， 如容器壁面开孔， 颗粒将从孔口喷出。

并可象液体一样由一个容器流入到另一个容器中，如图 10-2（ d ）所示。

图 10-2气体流化床类似于液体的性质由于流化床具有液体的某些性质，因此在一定状态下，流化床层有一定的密度、导热系数、比热和粘度等。

在有些书刊中也称流化床为沸腾床和假液化床。

10-2 压降与流速的关系气体空塔气速u，即气体体积流量除以塔截面积。

如果气体自下而上通过颗粒床层，气速u与床层压降（p ）的关系如图10-3 所示。

图10-3 流化床的p ～u 曲线（1）固定床阶段。

图10-3 中的曲线a段（虚线），表明p与u成正比例，直线关系，斜率为1。

（2）流化床阶段。

当气速u 增加，达到 b 处附近，压强降增至最大值后开始减少，出现向上的弧线 b 段。

u 再增，p基本维持不变，即曲线 c 段，是流化床的稳定阶段。

p开始稳定时的气速，称为起始流化速度u mf 。

当u 再增加，颗粒有带出，越带出越多，p开始下降，曲线中的 d 段，可称为流化床的不稳定阶段，也可称为流化床与气力输送的过渡阶段。

（3）气力输送阶段。

当u再增，到达速度u0处，颗粒全被气流带走，空隙率 E 趋近于1，p最低，此时开始气力输送阶段。

如曲线中的e段。

u0称作带出速度。

当到达流化阶段 c 以后，减少气速u，发现压降（p ）曲线不是由b→a 返回，而是b→a'（实线）返回。

a'段显示的p比 a 段为低，说明颗粒由上升气流中落下时，所形成22p K a2(1 E)2u LE 322在umf 点，p K a2(1 E mf )2umf L mfE mf 3a )对于流化床，压降关系为：p L( s )(1 E)g在u mf 点， p ( s )(1 E mf )L mf gb )联立式( a )、( b )得：a 2(1 E mf )2uK3( s )(1 E mf )L mf g Emfu mf3 E mf 3( s )g2K''a 2(1 E mf )c )由于 K'' 5 ，而球形颗粒的比表面 a 6(d ) ，代入式( c )得：u mf E mf 3 s 2d 2( s )g180(1 E mf )Ⅰ)令C mfE mf3 s2mf s， 对于光滑球体， E mf ＝0.4 ， s ＝ 1 ，180(1 E mf )Cmf(0.4) 10.00059180(1 0.4) umf0.00059d ( s )gmf当 R e 5 时， C mf 0.0007R e0.0630.063，代入式(Ⅰ)得：umf 0.00923d [ ( s )]0.940.88Ⅰ b )的床层比人工充填的床层更为疏松，即空隙率更大些。

10-3 起始流化速度 u mf起始流化速度 u mf ，既是固体床的终止点，服从固体床的压降关系，又是流化床的起始 点，当然服从流化床的压降关系。

对于固体床，压降关系式为：式（Ⅰ a ）、（Ⅰ b ）即光滑球体颗粒的起始流化速度的表达式。

式中， d —— 颗粒直径， m ； s 、 —— 分别是固体和流体的密度， kg m 3 ；—— 流体的粘度， Pa s ； K'' —— 康采尼（ Kozeny ）常数；E mf —— 起始流化的床层空隙率； L mf ——起始流化床层厚度， m ；C mf ——起始流化系数；10-4 流化的带出速度 u tu t 是流化床流体速度的上限， u mf 就是流化床流速的下限了。

面介绍一种计算 u t 的简易算法。

1） 首先用斯托克斯定律计算 u t '，即2） 算出此时的雷诺数，R et'du t'3） 利用图 10-4 以求取修正系数 f t ， f t 为实际沉降速度 u t 与按斯托克斯定律计算的沉降速度 u t ' 的比值。

f t ＝ u t /u t由式（Ⅱ）可以确定沉降速度。

修正系数 f t 可以从图 10-4 查得。

对于非球形颗粒， 可用非球形颗粒较正系数 C 乘以按球形颗粒计算的 u t ，最后即得到非 球形颗粒的带出速度。

C 的数值可按式（Ⅲ）进行计算。

sC 0.843 log s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（Ⅲ）0.065关于流化床的操作速度，理论上应在最小流化速度和带出速度之间。

utd 2 ( s)g18utt u t'＝ f t d (18s)g1＝1.899 m s1图 10-4 不适合斯托克斯定律时的修正系数（球粒）10-5 流化速度计算举例【例 10-1】 计划将某种固体颗粒在流化床流化，如果其中 免带出，求床层允许气速理论上的最大和最小值。

d > 0.25 mm 的颗粒必须避已知： s 1450kg m 3 ；s1 ； 筛析平均尺寸 d ＝ 0.45 mm 。

空气 t ＝200℃ ；2.60 10 5 Pa s ；0.747kg m 3 。

解：（1）床层起始流化速度由式（Ⅰ b ）得：umf 0.00923d 1.82[ ( s )]0.940.88检验：0.00923(0.45 10 3)1.82[0.747(1450 0.747 )] 0.94(2.6 10 5)0.88 0.747 ＝0.0767 m s 1R edu mf(0.45 10 3)(7.67 10 2)(0.747)2.6 10 50.45 7.67 0.747 10 52.6 10 50.992 5所得 u mf 无须校正。

2）床层带出速度，以 d ＝0.25 mm 的u t 计算：用简易方法计算u td 2( s)g1832(0.25 10 3)2(1450 0.747) 9.8118 2.6 10 50.25 10 31.8959 0.747＝13.63（R et ）' du t'2.6 10 5查图10-4得校正因子f t＝0.61u t＝f t u t' ＝0.61× 1.899＝ 1.158 m s计算所得的u mf 和u t 值理论上应为可允许的气速的最小值和最大值。

§ 2 气力输送概述10-6 气力输送当流化床中的气速大于带出速度u t 时，即开始了流态化的气力输送阶段。

这种利用气体的流动来输送固体颗粒的操作，称为气力输送。

气力输送是一种先进的输送方法。

广泛用于仓库、码头和工厂内外，用来输送粉状、粒状、片状的散碎物料。

气力输送的优点是：（1）结构简单，易于实现连续化和自动化操作。

（2）生产能力大，可沿任何方向输送。

（3）系统密封，可减少物料损失，保持环境卫生。

缺点是动力损耗大，物料对管道磨损大。

气力输送可分为引风式操作和压风式操作。

气力输送的实际汽速u1肯定比带出速度u t 要大得多，但具体确定是多少，一般根据经验进行设计。

可参考表10-1 所列数据。

表10-1 气流速度的经验系数表。