第二章 流化床流体动力学
循环流化床原理及运行
循环流化床原理及运行循环流化床主要由床体、循环器、气固分离器、换热器以及气体和固体的供给与排出系统等组成。
其工作原理是将气体和粗颗粒固体以较高的速度由床体底部引入，通过气固的强烈的接触，将反应所需的物质传递至固体表面，然后通过气体与粗颗粒固体的分离器将固体从气体中分离出来，然后再将固体颗粒经过循环器回流至床底，形成循环。
在循环流化床中，床体内的固体颗粒会被流化空气携带起来，在床体内形成一种类似于流体的状态。
床体中的气体通过气体分布板均匀地从底部引入，在床内形成均匀的气流。
当气体通过床体时，由于流体动力学的特性，固体颗粒被悬浮在气体中，形成浮动着的连续相。
在这种状态下，气体与颗粒之间的传质和传热效率大大提高，从而增加了反应的速率和效率。
循环流化床的运行过程可以分为固体颗粒的循环和气体的循环两个主要步骤。
在固体颗粒的循环过程中，气体通过固体颗粒床体将颗粒携带起来，并从循环器中回流至床底。
循环器中的固体颗粒经过多级分离装置的分离后，被分为两部分，一部分再次回流到床底，一部分从床体上部排出。
这样不断循环地将固体颗粒带到床体中，使床体保持一定的固体浓度。
在气体的循环过程中，气体从床体底部引入床体，通过床体上升，经过一定的高度后，在床上部进入气固分离器。
在气固分离器中，气体与固体颗粒进行分离，固体颗粒沉降至底部，而气体则从顶部排出。
排出的气体可根据需要进行再利用或者进行后续处理。
循环流化床具有很好的传质和传热性能，能够有效地控制反应的温度和反应速率。
由于固体颗粒的循环，床内固体颗粒的平均停留时间较短，减少了固体颗粒的积聚和结焦现象，延长了固体颗粒的寿命。
此外，循环流化床还具有较好的反应均匀性和操作灵活性，可广泛应用于化工、冶金、环保等领域。
总之，循环流化床通过将气体和固体颗粒进行高速流化，形成浮动着的连续相，以此来完成气体固体反应。
其原理是通过气体与固体颗粒之间的强烈接触和传质传热效果，实现反应的高效率和高速率。
化工原理[1-2]流体动力学
![化工原理[1-2]流体动力学](https://img.taocdn.com/s3/m/1d5aa3747fd5360cbb1adb05.png)
9
西北大学化工原理课件
1.2.4 定态流动系统的能量守恒——柏努利方程
总能量衡算
qe
2 2
'
p2,u2,ρ2
p1,u1,ρ1 z1 0
10
1 z2
'
1
We
'
0
西北大学化工原理课件
衡算范围： 1-1′、2-2′截面以及管内壁所围成的空间 衡算基准：1kg流体 基准面：0-0′水平面 （1）内能 贮存于物质内部的能量。 1kg流体具有的内能为U（J/kg）。 （2）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。
T , p , u = f ( x, y , z , θ )
7
西北大学化工原理课件
1.2.3 定态流动系统的质量守恒——连续性方程 对于定态流动系统，在 管路中流体没有增加和漏失 的情况下：
1
2
m s1 = m s 2
ρ1u1 A1 = ρ 2 u 2 A2
1′
2′
推广至任意截面
m s = ρ1u1 A1 = ρ 2 u 2 A2 =
(1)
式中各项单位为J/kg。
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西北大学化工原理课件
（2）以单位重量流体为基准 将(1)式各项同除重力加速度g :
1 2 p1 W 1 2 p 2 Σh f + = z2 + + z1 + u1 + u2 + 2g ρg g 2g ρg g
令 则
W H= g
ΣH f =
Σh f g
1 2 p1 1 2 p2 + H = z2 + u 2 + + ΣH f z1 + u1 + 2g 2g ρg ρg
流化床的基本原理课件
流化床生物质燃烧可实现生物质的清洁燃烧，同时具有高燃烧效率、低污染排 放和能源利用效率高等优点，是当前生物质能利用领域的研究热点之一。
应用案例三：废弃物处理
原理
流化床废弃物处理是将废弃物破碎后，在流化床内与空气混 合燃烧的技术。
特点
流化床废弃物处理可实现废弃物的减量化、无害化和资源化 处理，同时具有处理量大、燃烧效率高和能源利用效率高等 优点，是当前废弃物处理领域的研究热点之一。
应用领域
流化床广泛应用于能源、 化工、环保等领域。
流化床的组成
床层
由固体颗粒组成，提供反应或 传热表面。
气体分布板
使气体均匀分布，避免形成沟 流。
气体和固体输送系统
用于向床层中加入或排出气体 和固体。
控制系统
监测和控制温度、压力等参数 。
流化床的工作原理
01
02
03
04
流态化现象
当气体或液体通过固体颗粒床 层时，颗粒会呈现类似流体状
对流传热
通过流体流动时与固体表面之间的摩擦作用，将 热能从流体的一部分传递到另一部分。
辐射传热
通过电磁波将热能从一个物体传递到另一个物体 。
流化床的传热过程
01
02
03
04
热气体通过流化床底部入口进 入，与床内固体颗粒充分混合
。
固体颗粒被加热到接近气体温 度，形成均匀温度分布。
热气体和固体颗粒之间的传热 导致固体颗粒被进一步加热。
05 流化床的应用与 案例分析
工业应用领域
能源领域
流化床在能源领域中有着广泛的应用，如煤燃烧、生物质燃烧等 ，可用于生产电力和热力。
环保领域
流化床技术也可用于废弃物处理，如生活垃圾、工业废弃物等，可 实现废弃物的减量化、无害化和资源化处理。
化学工程中的流体动力学研究
化学工程中的流体动力学研究在化学工程领域，流体动力学的研究占据着至关重要的地位。
它不仅为各种化工过程的设计和优化提供了理论基础，还在解决实际生产中的诸多问题方面发挥着关键作用。
流体动力学，简单来说，就是研究流体运动规律的学科。
而在化学工程中，所涉及的流体往往具有复杂的物理和化学性质，其流动行为受到多种因素的影响。
首先，让我们来了解一下流体的基本特性。
流体具有流动性、可压缩性和黏性等特点。
流动性使得流体能够在管道、容器等设备中自由流动；可压缩性则决定了流体在压力变化时体积的改变程度；而黏性则反映了流体内部的摩擦力，对于流体的流动阻力和能量损失有着重要影响。
在化学工程中，常见的流体包括液体和气体。
液体通常具有较小的可压缩性，但黏性相对较大；而气体则具有较大的可压缩性和较低的黏性。
不同性质的流体在流动过程中表现出截然不同的行为。
那么，为什么要研究化学工程中的流体动力学呢？这是因为流体的流动状态直接关系到化工过程的效率、质量和安全性。
例如，在化学反应器中，流体的混合程度和停留时间分布对反应的转化率和选择性有着重要影响。
如果流体混合不均匀，可能导致局部反应过度或不足，从而降低产品质量和收率。
再比如，在管道输送过程中，流体的流速、压力和阻力等参数的合理设计，能够减少能量消耗和管道磨损，提高输送效率和降低运行成本。
为了研究化学工程中的流体动力学问题，科学家们采用了多种方法和技术。
实验研究是其中的重要手段之一。
通过搭建实验装置，模拟实际化工过程中的流体流动情况，可以直接观察和测量流体的速度、压力、温度等参数。
然而，实验研究往往受到实验条件的限制，而且成本较高、周期较长。
随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法在流体动力学研究中得到了广泛应用。
通过建立数学模型和使用计算流体力学（CFD）软件，可以对复杂的流体流动现象进行预测和分析。
数值模拟能够快速获得大量的数据，并且可以方便地改变参数进行优化设计。
在实际的化学工程应用中，有许多与流体动力学相关的典型案例。
第二节流化床的流体力学特性
粘性损失： 150
(1 m ) 2
3
m
u (s d p ) 2
2 1 m f u 惯性损失： 1.75 3 m s d p
p - 固定床压降 εm-固定床孔隙率 Φs-颗粒形状系数
△ m
Lm-固定床床层厚度 u -表观流速 dp -颗粒直径（平均粒径替代）
Ts
床层温度Ts分布曲线
：床层孔隙率
Re：气体雷诺数
28
一、流化床内的传热
2、气体和固体颗粒间的传热
接近实际的传热系数： khd p d p u f Cp f
抽气式热电偶测定气体温度回归而得，为真实传热 系数；但易受环境辐射影响，误差较大
仅适用于粒径0.36～1.1mm的颗粒，气、 液相均可，范围外需修正
f
工作速度
V u A
18
求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度
To P O 1 T Po
19
d3 p f ( p f )g
2 f
s 3
1.75 d p umf f 2 150 (1 m ) d p umf f ( ) ( )......( 1 12) 3
△p=gL（ρp-
△p· A
f浮
L
W
床层厚度
ρf ）· （1-ε） （1-10）
3
一、流化床的压降
讨论
△p=gL（ρp-ρf ）· （1-ε）
①气体流化床中，压力不太高时
△p· A
f浮
W
ρp >> ρf
，
（1-10）可简化为：
近似等于床层静压强 单位面积床层所受重力
摩擦力
△p= ρp gL· （1-ε）
流化床的工作原理
流化床的工作原理1、流化床定义将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有流体的某些表观特征，这种流固接触状态称为固体流态化，即流化床。
当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。
如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固定状态。
此时，颗粒全部悬浮于流体中，显示出相当不规则的运动。
随着流速的提高，颗粒的运动愈加剧烈，床层的膨胀也随之增大，但是颗粒仍逗留在床层内而不被流体带出。
床层的这种状态和液体相似称为流化床。
其中，流化床的种类有：最小流化床，鼓泡流化床，腾涌流化床。
2、流化床主要特性充分流态化的床层表现出类似于液体的性质。
密度比床层平均密度小的流体可以悬浮在床面上；床面保持水平；床层服从流体静力学关系，即高度差为L的两截面的压差△p=ρgL；颗粒具有与液体类似的流动性，可以从器壁的小孔喷出；两个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。
上述性质使得流化床内颗粒物料的加工可以像流体一样连续进出料，并且由于颗粒充分混合，床层温度、浓度均匀使床层具有独特的优点得以广泛的应用。
流化床的工作原理在床层内事先装入一定量的颗粒作晶种。
空气经过送风机或引风机，通过加热器使温度保持一定范围，再通过流化气供给室，使流化气均匀的分布通过筛板，在热风的作用下把粉体保持悬浮流化状态。
由流化床内中心位置的喷嘴使粘结剂雾化，并使喷雾液滴与粉体接触，逐渐凝集成粒。
散式流态化与聚式流态化在床层内的流体和颗粒两相运动中，由于流速、流体与颗粒的密度差、颗粒粒径及床层尺寸的不同，可呈现出不同的流化状态，但主要分为散式流化态与聚式流化态两类。
流化床散式流化态颗粒均匀地分布在整个流化床内且随着流速增加床层均匀膨胀，床内孔隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定、波动很小。
因此，散式流化态是较理想的流化状态。
一般流-固两相密度差较小的体系呈现散式流态化特征，如液-固流化床。
流化床聚式流化态颗粒在床层的分布不均匀，床层呈现两相结构：一相是颗粒浓度与空隙率分布较为均匀且接近初始流态化状态的连续相，称为乳化相；另一相则是以气泡形式夹带少量颗粒穿过床层向上运动的不连续的气泡相，因此又称为鼓泡流态化。
流化床基本原理及其工业应用
流化床基本原理及其工业应用流化床是一种重要的固体颗粒流动技术，具有广泛的工业应用。
本文将从流化床的基本原理和其工业应用两个方面进行介绍。
一、流化床的基本原理流化床是指在气体或液体的作用下，固体颗粒在床层内呈现出流动状态的现象。
它是通过将气体或液体从床层底部引入，使颗粒悬浮并形成流动状态。
在流化床中，颗粒之间的相互作用力是通过床层内流动的气体或液体介质传递的。
颗粒在床层内的流动速度受到介质流速和颗粒之间的相互作用力的影响。
流化床的基本原理可以总结为三个方面：1. 流体力学：气体或液体通过给床层施加一定的速度，使颗粒悬浮并呈现流动状态。
流体的作用力使颗粒之间产生剪切力，从而使颗粒流动。
2. 颗粒力学：颗粒之间的相互作用力包括颗粒之间的重力、静电力、摩擦力等。
这些力的平衡和不平衡决定了颗粒的运动状态和流动性质。
3. 热力学：流化床中的热传递是通过颗粒之间的碰撞和气体的对流传热来实现的。
热量的传递和分布对床层内颗粒的运动和反应过程都有重要影响。
二、流化床的工业应用流化床具有广泛的工业应用，涉及化工、石油、能源、环境等诸多领域。
下面将介绍其中几个典型的应用案例。
1. 催化反应流化床在催化反应中具有重要作用。
催化剂颗粒在流化床中悬浮并与流体接触，通过与流体中的反应物发生反应，实现催化反应。
流化床催化反应具有高传质速度、高反应效率和良好的温度控制等特点，广泛用于石油炼制、化工合成等领域。
2. 颗粒干燥流化床在颗粒干燥过程中也有广泛应用。
将湿颗粒引入流化床中，通过热空气对颗粒进行加热和干燥，使颗粒中的水分蒸发。
流化床干燥具有干燥速度快、热效率高、干燥均匀等优点，被广泛应用于食品、医药、化工等行业。
3. 固体分离流化床在固体分离过程中也有重要应用。
通过调节流化床中气体和颗粒的流速和密度，实现固体颗粒的分离和筛选。
流化床固体分离具有分离效率高、操作灵活、设备结构简单等优点，广泛应用于颗粒材料的分级、分离和回收等工艺。
流化床基本原理及其工业应用
流化床基本原理及其工业应用1. 流化床的基本原理流化床是一种广泛应用于化工、石化、生化和能源等领域的重要设备，其基本原理是在气体流动的情况下，通过调节气体流速和颗粒物料的性质，使颗粒物料像流体一样表现。
流化床具有以下几个基本特点： - 颗粒物料在床内呈现流体化的状态；- 颗粒物料与气体之间存在有效的固、气两相传质和传热； - 颗粒物料间的运动由气体带动。
流化床的基本原理可归结为压力平衡原理、流体力学原理和传质传热原理。
1.1 压力平衡原理在流化床中，床层内气固两相之间存在一定的压力差，称为床层压降。
当气体向上流动时，床层的固体颗粒会因重力作用下沉，形成颗粒床；而当气体的速度增加，颗粒床会呈现流化的状态，颗粒床内颗粒的上升速度与气体的速度相等。
此时，气固两相的压降达到平衡，称为床层压降平衡，也即流化床的压力平衡。
1.2 流体力学原理流化床的流体力学原理主要包括床层内颗粒的运动规律和气固两相之间的相互作用。
颗粒的运动形式主要有下沉、上升和运动流动三种模式，其中上升和运动流动是流化床的两种基本状态。
气固两相之间的相互作用通过气体流速、颗粒物料的粒径、密度和形状等参数来调节，从而实现颗粒物料的流化。
1.3 传质传热原理在流化床中，气固两相之间的传质传热是流化床工艺中的重要问题。
颗粒床内的颗粒表面提供了大量的传质传热面积，这对传质传热过程非常有利。
此外，颗粒物料间的颗粒流动还可通过对流和扩散等现象加强传质传热作用。
传质传热的过程受到气体流速、颗粒物料性质和温度差等因素的影响，可以通过调节这些参数来优化传质传热效果。
2. 流化床的工业应用流化床由于其独特的性质和优势，在各个领域都有着广泛的工业应用。
以下是流化床的一些典型应用：2.1 颗粒物料的干燥在化工和制药等领域，颗粒物料的干燥是一个常见的工艺过程。
利用流化床的特点，可以将颗粒物料置于流化床中，通过在气体中加热和颗粒物料的流动，实现物料的快速干燥。
流化床干燥设备具有干燥速度快、温度均匀、产品质量稳定等优点。
流化床的基本原理 PPT课件
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
7
（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。
3
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
u u 1,max
max f ixe d be d
u1,max u ut
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。
起始流化速度：
如u果mf是=均u一m的ax颗粒，其ut 可以计算出
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。21
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 乳相；
产物：乳相
气泡相
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。
22
5.3.5 Geldart 颗粒分类
循环流化床流体动力学模型综述
"" 截面平均空隙率 # !" "" 分别为气体 $ 颗粒密度 # "&$"/" "" 实际气速 # !&" "" 实际截面平均颗粒速度 # !/" "" 压力 # %" "" 气 $ 固之间的曳力 # $+" "" 分别为气体 $颗粒重力 # $,&$$,/" "" 分别为气体 $颗粒摩擦阻力 % $&$$/" 通过建立这个一维稳态流动模型 & 获得了截面
第 !! 卷
"##" 年第 # 期
循环流化床流体动力学模型综述
刘亚妮 !金振齐 !胡雅丽 !叶
) 武汉大学工学部动力与机械学院 ! 湖北 武汉
林
"0--!1+
摘要 ! 简要介绍了近些来年国内外循环流化床流动模型的研究成果" 按其简化的程度!将其分为一维模型#准二维模 型#二维模型和三维模型#多尺度模型及其它一些模型!分别对其原理#发展和特点进行了介绍" 关键词 !循环流化床 $ 流动 $ 数学模型 $ 综述
中图分类号 !2311$ 文献标识码 !4 文章编号 !!##$%$&!’("##5)#6%##$6%#5
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第二章-流化床的流体动力学
13. 临界流化风速与临界流化风量 临界流化风速就是床料开始流化时的一次风风速， 这时的一次风量就是临界流化风量。对于不同型号的 锅炉或同型号而不同物理性质的床料，其临界流化风 速和临界流化风量不同。具体值可以通过锅炉冷态和 热态试验测定。
14. 物料循环倍率 物料循环倍率因炉型、系统以及研究方法的不同， 有不同的定义。最简单通用的是由物料分离器捕捉下 来且返回炉内的物料量与给进的燃料量之比。
2 1.75ρ u 0 Lb (1 − ε ) + Dp ε3
这是 Ergun 公式 公式.
2.2.2 临界流化速度
临界流态化速度Umf是流态化操作的最低速度。要使固体颗 粒床层在气流作用下实现完全流态化，操作气速必须大于Umf。
图2.2.2 临界流态化速度实测法
临界流态化速度的计算
在不易实验确定临界流态化速度的场合可采用计算的办法来 近似求得Umf,因为： 固定床压降和流速之间有一定的关系；压降等于颗粒的浮重 时即为临界流态化状态，二者同时存在时可求得临界流态化速度 Umf。 临界流化状态下压降为：
第二章 流化床的流体动力学
基本术语
1.布风装置(布风板、风室、风帽) 布风装置由布风板、一次风室及风帽组成。一次 风经过空气预热器加热后进入一次风室，然后通过布 风板上的小孔和布风帽进入炉床上面，与给煤及返料 混合、燃烧。床料以布风板为支撑，一次风通过布风 板对床料、燃料及石灰石产生向上的动力，建立流化 状态，使床料、燃料、石灰石在床层上强烈掺混，进 行剧烈的燃烧及传热过程。
∆P = ( ρ s − ρ f )(1 − ε mf ) g Lmf
由Ergun公式：
∆p = 150µ u 0 Lb (1 − ε )2
2 Dp
流化床设计手册
流化床设计手册流化床是一种流体动力学和传热传质的关键工程设备。
在化工、石油、医药、食品等领域中广泛应用，因其高效的传热传质特性和操作灵活性而备受青睐。
为了使读者更好地了解流化床的设计原理和操作技术，下面将介绍一份2000字的关于流化床设计手册。
一、流化床设计概述流化床是一种以气固两相流体为介质的传热传质装置，其基本原理是在适当的气体速度下，固体颗粒在气体作用下表现出流动性，从而达到有效传热传质的目的。
流化床的设计一般包括床体结构、气体分配系统、固体颗粒循环系统和传热传质表面等。
二、流化床设计的基本原理1. 床体结构设计：流化床的床体结构通常采用圆筒形或方形，其中需考虑气体分布、颗粒循环以及传热传质等方面的需求。
床体内壁表面通常需要进行特殊处理以提高固体颗粒的流动性。
2. 气体分配系统设计：气体分配系统对流化床的运行效果起着至关重要的作用。
合理的气体分布设计可以提高床体内的颗粒流动性，实现充分的气固传热传质。
3. 固体颗粒循环系统设计：流化床中固体颗粒的循环对于床体内的传热传质过程至关重要。
循环系统需要合理分布固体颗粒，在气体作用下形成流态化床，从而保证传热传质效果。
4. 传热传质表面设计：传热传质表面的设计包括床体内部结构和固体颗粒的接触面积，其设计直接关系到传热传质效果。
需要考虑表面材料的选择、表面积的增加等因素。
三、流化床设计的关键技术1. 固体颗粒的物理特性：流化床中的固体颗粒需要具有一定的密度、粒径和形态，以保证在气流作用下形成合适的流态化状态。
2. 气体速度的选择：气体速度是影响流化床运行的关键参数，需要根据具体的使用要求选择合适的气体速度，以保证固体颗粒能够有效地流动并实现传热传质效果。
3. 固体颗粒循环方式：循环方式直接关系到固体颗粒的循环效果，可以选择气力输送、机械输送等方式，需根据具体情况进行合理选择。
4. 传热传质模型的建立：建立合适的传热传质模型对于流化床的设计和优化至关重要，可以通过数值模拟和实验研究等手段建立合理的模型。
流化床解析
流化床解析流化床技术浅解一、何为流化床？二、流化床现象；三、气固相流化床的特性1、流化床的返混2、沟流和节涌四、流化床的水力学特性1、流化床的压力降2、流化起始速度3、带走速度4、操作气流速度五、流化床的反应器结构六、乙烯聚合的流化床及流化床料位控制一、将固体颗粒均匀地堆在有开孔底地容器内，形成一床层，若流体自上而下通过，颗粒并不运动。
此种床层称为固定床，如流体自下而上通过床层，低流速时，情况与固定床无异，流速加大则颗粒活动使床层膨胀，流速进一步加大时，颗粒会彼此离开而在流体中活动，流速愈大，则活动愈剧烈，并在床层内各处方向运动。
最后一种情况称为固体流化态，流化态后颗粒床层称为流化床。
有许多化工过程要在固体与流体所构成的体系中进行传热、传质和化学反应。
在流化床中，流态化了地颗粒表面则全部爆露于湍动剧烈的流体之中，从而得到更充分的利用。
绝热的混合作用使床层趋于一致。
避免了固定床中出现的温度梯度和局部过热现象，提高了平均操作温度。
流态化操作的缺点使动力消耗大，设备磨损大，颗粒易碎，均混使得出口处作为产品的物料夹杂了所加入的原料。
二、流化现象当流体通过颗粒物料层时，随着流体速度的不同，会出现不同的现象。
流体从设备下方流入，通过分布板而进入颗粒物料层。
流速低时，颗粒层中的颗粒静止不动，流体从颗粒间的缝隙通过。
此时，属固定床状态。
随流速增加，在固定层范围内，床层的空袭率不变，床高不变。
如果流体的流速继续升高至某一数值时，床层中颗粒开始运动，空隙率增大，可以看到一些颗粒在某些不位振动或游动，此种状态称为膨胀层，其床高于固定床。
若流速再增加，则床层内全部颗粒全处于运动状态，颗粒与流体间的摩擦力与其重量相平衡，颗粒间的挤压力抵消，全部颗粒悬浮与流体之中。
此时的床层称为临界流化床。
相应的床层空隙率称为临界床层空隙率εmf。
对于流化床讲，这是最小的空隙率。
达到临界状态的流体速度叫做起流速度U mf，称临界流化速度，也可教最小流化速度。
第二章-流化床的流体动力学
2 1.75ρ u 0 Lb (1 − ε ) + Dp ε3
这是 Ergun 公式 公式.
2.2.2 临界流化速度
临界流态化速度Umf是流态化操作的最低速度。要使固体颗 粒床层在气流作用下实现完全流态化，操作气速必须大于Umf。
图2.2.2 临界流态化速度实测法
临界流态化速度的计算
在不易实验确定临界流态化速度的场合可采用计算的办法来 近似求得Umf,因为： 固定床压降和流速之间有一定的关系；压降等于颗粒的浮重 时即为临界流态化状态，二者同时存在时可求得临界流态化速度 Umf。 临界流化状态下压降为：
∆p = 150µ Lu 0 (1 − ε )2 D2 p
ε3
类似地，对于湍流可得到 the Hagen-Poiseuille 等式：
Re p > 1,000
对于过渡流动:
∆p =
2 1.75 ρ u 0 L (1 − ε ) ∆p = Dp ε3
150µ u 0 Lb (1 − ε )2
2 Dp
ε3
m 2.1 固定床压降
床层压降的计算
假定: 忽略重力对流体的作用， 流动为层流 (f = 16/Re).
Re =
ρ f VD µ
床层压降的计算
关键点转化为计算流速V和定性尺寸D Lb S = 床体积 εLb S = 有效流通体积 对单位床高: 流速:
∆P = ( ρ s − ρ f )(1 − ε mf ) g Lmf
由Ergun公式：
∆p = 150µ u 0 Lb (1 − ε )2
2 Dp
ε3
2 1.75ρ u 0 Lb (1 − ε ) + Dp ε3
临界流态化速度的计算
反应器设计中的流体动力学分析
反应器设计中的流体动力学分析在化学工程和相关领域中，反应器的设计是至关重要的环节。
而流体动力学分析在这一过程中扮演着举足轻重的角色，它对于确保反应器的高效运行、优化反应条件以及提高产品质量和产量都具有不可替代的作用。
要理解反应器设计中的流体动力学，首先得明确什么是流体动力学。
简单来说，流体动力学就是研究流体（包括液体和气体）在各种条件下的流动行为和规律的科学。
在反应器中，流体的流动特性会直接影响到反应物的混合、传热、传质等过程，从而对反应的速率、选择性和转化率产生深远的影响。
以常见的搅拌式反应器为例，流体在搅拌桨的作用下形成复杂的流动模式。
如果搅拌桨的设计不合理，就可能导致流体的流动不均匀，出现死区或者短路现象。
死区是指流体流动缓慢甚至几乎停滞的区域，在这些区域，反应物无法充分混合，反应效率低下；而短路则是指流体未经充分反应就快速流出反应器，同样会降低反应的转化率。
通过流体动力学分析，可以预测这些不良流动现象的出现位置和程度，并据此优化搅拌桨的形状、尺寸、转速等参数，以实现更均匀、更高效的流体混合。
另一种常见的反应器类型是管式反应器。
在管式反应器中，流体沿着管道流动，其流动状态通常可以分为层流和湍流。
层流时，流体的流动层次分明，速度分布呈抛物线形；而湍流时，流体的速度和压力等参数呈现出随机的脉动和混合。
在设计管式反应器时，需要根据反应的特点和要求来选择合适的流动状态。
例如，对于一些快速反应，通常希望流体处于湍流状态，以促进反应物的快速混合和传热。
流体动力学分析可以帮助确定达到所需流动状态所需的管径、管长、流速等条件，以及评估可能出现的压降和能量损失。
在进行流体动力学分析时，数学模型的建立是关键的一步。
常见的模型包括连续性方程、动量方程和能量方程等。
这些方程描述了流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒原理。
然而，由于实际反应器中的流动情况非常复杂，这些基本方程往往需要进行简化和假设才能求解。
例如，对于低雷诺数的流动，可以忽略惯性力的影响；对于等温反应，可以不考虑能量方程。
流态化 二章
根据牛顿第二定律，颗粒就会在此净力的作用下产生向下运动的加 速度 ，a=du/dθ
Fg—Fb= ma = m (du/dθ)
(d)
这样颗粒与流体就产生一个相对运动，一旦产生相对运动 ，颗粒又会受到流体对颗粒的运动阻力，Fd曳力dray force 其大小为 Fd=CDA(ρu2/2) 它的方向与颗粒运动方向相反，并随u增大而增大。 A为颗粒在垂直方于其运动方向平面上的投影面积 A=(π/4)d2 m2 所以，当颗粒产生相对运动时，颗粒受到的净力为 F = Fg—Fb—Fd (e)
颗粒的分类
颗粒的分类 书上有错
A类： 细 粒径小，20~100um， (ρs - ρf ）<1400kg／m3， 起始流化时无气泡，Ub/Umf>1。存在最大气泡的极限尺寸， 颗粒流动性好。 大多数工业流化床反应使用的催化剂属于此类。 B类: 粗 粒度中等， 40~500um， (ρs - ρf ）=1400~ 4000kg ／m3，起始流化时即发生气泡，Ub/Umf=1。床层膨胀不明 显，不存在最大气泡的极限尺寸，且大多数气泡的上升速度 高于颗粒间的气流速度。 鼓泡床大都用此颗粒
第二章 流化床的流体动力学基础
§2.1 流化床的流动特性
影响因素 1. 床层流速 2. 颗粒密度、所属种类、颗粒直径及其分布
颗粒密度和流化介质密度之间的差值大小是 形成聚式还是散式流态化的直接原因之一
细颗粒物料的流态化状态图
吉尔达特(Geldart)等人密度差（ s ）和平均粒径为特征参数将颗粒分四类 f
2
mf 3
s d p
（2）
联立（1）（2）得
150
1 mf 2
mf
3
s d p
流化床的流体力学特性
Re p
1000 : um2 f
sd p ( p f ) g 3 .............(112b)
1.75 f
m
1
s
2 mf
14,
1 mf
s2
3 mf
11.......1( 13)
8
二、临界流化速度
实测-为克服解锁的影响 ① ↓u，使床层自流化床缓慢恢复至固定床 ② 记下相应的气体流速、床层压降 ③ 在双对数坐标上标绘 ④ 按固定床区规律、流化床区规律各画延长线 ⑤ 两条直线的交点即临界流态化点
9
临界流化速度的实测 10
三、极限速度/终端速度
流体的极限速度=颗粒沉降时的终端速度
ut
[ 4gd p ( p f 3 f Cd
)1 ]2 m / s......1( 14)
Cd :阻力系数（是Re、s函数，实验求得）
已知Cd Re2p与Rep在s不同时的函数关系：
可求
Rep
4
二、固定床的压降
pm 150 (1 m )2 u 1.75 1 m f u2
Lm
3 m
(sd p )2
3 m
sd p
粘性损失：150
(1 m 3
m
)2
u (sd p )2Biblioteka 惯性损失：1.75
1
3
m
m
f u2 sd p
O
To T
P1 Po
17
d
3 p
f
(p f
2 f
)g
1.75
流化床工作原理
流化床工作原理
流化床是一种常用的物料处理设备，其工作原理基于将固体颗粒物料与气体进行充分混合，并在流体力学条件下使颗粒物料表现出流体性质。
流化床通常由一个底部气体分布板和一个上部物料层组成。
当气体从底部通过气体分布板注入流化床时，底部的气体速度逐渐增加，直到达到一定的微动速度。
这个速度被称为最小流化速度，此时床层开始呈现流化态，颗粒物料被气体悬浮并形成类似于液体的状态。
在流化床中，颗粒物料与气体之间产生了明显的固液两相流。
气体从底部通过底部分布板进入床层，并在床层中形成上升气固两相流。
由于颗粒物料的密度远大于气体的密度，颗粒物料受到床层中气体上升的冲击力，呈现出向上运动的趋势。
同时，由于颗粒物料之间有一定的摩擦力，床层上部的颗粒物料形成了一个稳定的流化床表面。
在表面上，颗粒物料以类似于液滴的形式存在，被称为床层剧状。
流化床工作时，气体和颗粒物料之间发生了大量的气固反应、传质和传热过程。
床层剧状提供了巨大的表面积，促进了气体和颗粒物料之间的有效接触。
这使得床层中的化学反应得以进行，并且传质和传热效果也得到了显著的提升。
此外，由于床层剧状的存在，流化床具有良好的物料混合性和均匀性，减小了温度和浓度梯度对反应的影响，提高了反应的稳定性和效率。
总之，流化床通过气流将颗粒物料悬浮并形成床层剧状，提供了大量的气固接触面积，促进了化学反应、传质和传热过程。
其工作原理的核心是利用气流的作用将颗粒物料悬浮并形成流体化状态，从而实现了高效的物料处理。
第二章 循环流化床锅炉流体动力特性
第二章循环流化床锅炉流体动力特性循环流化床气-固两相流体动力特性是CFB锅炉性能设计、炉内传热研究及锅炉运行调试的基础。
循环流化床的流体动力特性不仅取决于流化风速、固体颗粒循环流率、气固物性，而且受设备的结构尺寸，包括床径、床高、进出口结构以及运行参数(如温度、压力)的影响，因此在锅炉设计和运行调试前有必要对CFB锅炉的流体动力学有所熟悉和研究。
2.1 气固流态化形式流态化用来描述固体颗粒与流体接触的一种运行形态，是一种使微粒固体通过与气体接触而转变为类似流体状态的操作模式。
气固流态化大致可分为固定床、鼓泡床、湍流床、快速床到气力输送几种形式，见图2-1。
图2-1 流态化过渡形式提高鼓泡床的运行风速，床层流动就转到湍流流化床流型，此时密相床层和悬浮段间的界面变得不很明显，颗粒的向上夹带量明显增加，如再进一步增加风速将会形成快速流态化状态。
由于流态化转变是一个相当复杂的过程，不仅与装置本身有关，而且在很大程度上取决于运行工况的组织、流化颗粒物性等因素。
即使对同一流化床装置，在所有运行工况及颗粒物性稳定的情况下，床层的不同区域亦会呈现出不同的流动型态。
如传统的鼓泡流化床虽属低速流态化范畴，当燃用宽筛分煤粒时，呈现出底部布风板以上的密相鼓泡区和悬浮段的稀相气力输送区域。
燃煤循环流化床虽属高速流态化范畴，但由于底部床料的加速效应和大颗粒从底部循环回送，因而仍然存在着底部的密相区和二次风口以上的相对稀相区，并且在布风板和二次风口之间的区域基本上处于鼓泡流化床和湍流流化床状态，而在二次风口以上才逐步过渡到快速流化床状态。
快速流化床是流态化的一种形式，循环流化床锅炉所具有的许多优点，例如燃料适应性广、NO x排放量低、燃烧效率高、脱硫时石灰石利用率高和给料点较少等，其原因均是由于气固处于快速流态化运动状态。
习惯上人们总是用风速来判别流化状态。
当流化风速超过临界流化风速后，整个床层由固定床过渡到鼓泡床，再继续提高风速就过渡到湍流床和快速循环流化床。
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能源与环境学院，△P不
断增加。
当床层压降△P等于单位床截面上的床料重量
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中国•南京§2.1.2 流化质量－聚式与散式流态化
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De：气泡或液泡的稳定尺寸以umf为特征速度的Froude数
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中国•南京从试验对比结果看，上表中最后一个判据更准确些。
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中国•南京§2.1.3 床层压降与流体流速的关系；临界流化速度
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T., 1958）
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中国•南京002
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)
f
g ρ
φ
−
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中国•南京当颗粒较粗，Remf较大时，Ergun公式中的惯性力项占
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中国•南京式（2-7）为半经验公式，还有许多纯经验公式
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中国•南京§2.2 颗粒的基本性质与分类
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中国•南京
能源与环境学院）ds
－与被考察颗粒具有相同表面积的球形颗粒的直径sv v
中国•南京（1）颗粒的球形度－表示颗粒外形接近球形的程度。
最常用
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中国•南京（3）颗粒内孔隙率（inner-porosity of particle）δ
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中国•南京的函数，两者关系见书P28图2-4（适用球形颗粒）。
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中国•南京颗粒所受曳力与颗粒的形状有关。
以上公式只适用于球
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中国•南京§2.2.3 颗粒群的粒度分布与平均当量直径
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中国•南京能源与环境学院
中国•南京能源与环境学院
中国•南京能源与环境学院
中国•南京
可用颗粒质量
能源与环境学院
中国•南京
作为权数的几种平均
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中国•南京§2.2.4 颗粒密度的几种定义
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中国•南京又称假密度或表观密度。
指整个颗粒的平均密度，等
颗粒之间气体所占体积分额
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中国•南京能源与环境学院。