第三章 固体流态化
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▪ 床层稳定性下降，磨损严重。
第二节 固体流态化(Fluidization)
引起腾涌的原因： ①颗粒粒径大，颗粒、流体密度差大； ②流体空床气速大，分布板开孔大易形成大气泡； ③床层高径比过大。
注：节涌与沟流都会使气—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。
第二节 固体流态化(Fluidization)
临界流化速度 umf ＜u＜带出速度ut；
第二节 固体流态化(Fluidization)
④可由ΔP 数值的变化了解床层是否流化，
稳定性和正常性：
P恒定：流化正常 PP低 波于 动正 剧常 烈值 ：节：涌沟流（聚式流化）
S
起伏
正常值
pb W A
log p B log p b
⒌恒定的压强降：
P
床层颗粒重量 床层颗粒受到的浮力 流化床的截面积
(s
)g
m
s
A
m
s A
(s
)g
定值
阻力Fd 浮力Fb
重力Fg
P
m
s A
(s
)g
LA (1 )s sA
(s
)g
L(1 )(s
)g
log△P～logu图：
A’B’段：固定床阶段Δ，P u K 1 u P
B点：颗粒开始流化→ umf BC段：流化床阶段，ε↑，L↑，△P 恒定；
第一节 概 述
缺点：
➢由于床中粒子的混合作用，无法将新鲜粒子与失活粒子 完全分开； ➢ 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，同时要求具有较高效率 的除尘设备；动力损耗大. ➢ 流化床反应器中流体流速与固体粒子性质有关，许可变 化范围较窄。
（一）流态化现象
⒉固体颗粒剧烈运动与迅速混合：
固体颗粒上升，必有等量颗粒下降，使颗粒均 匀混合，但导致停留时间不均，固体产品的质 量不均；
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)
⒋气流的不均匀分布与气固床层的不均匀 接触—聚式流化床的不正常操作
一般出现在流-固两相密度差较 大的体系，如气-固流化床。
工业上 应用较
多
鼓泡 流态化
第二节 固体流态化(Fluidization)
三、流化床的主要特性
⒈类似于液体的特性：
压强符合流体静力学
轻物 浮起
u
u
(a)
(b)
床面 呈水平
L
p
u
u
(c)
(d)
uu
(e)
流动性
连通床面趋 于水平
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉流化床阶段：
▪ 表观速度u ↑ →曳力＞重力，床层 开始流化→床层空隙率ε↑； ▪ 实际流速um = 颗粒沉降速度ut 时，
颗粒悬浮于流体中，形成流化床； ▪ 颗粒彼此脱离，做不规则运动，但 不脱离床层，床层有明显上界面。
第二节 固体流态化(Fluidization) ⒊颗粒输送阶段：
▪ 实际速度um ＞颗粒沉降速度ut，
沟流：颗粒很小,气速很低时,床层内的气泡易形成气 沟,气体顺着沟走短路通过床层,构成沟流现象.
▪ 床层中出现气沟； ▪ 床层部分流化，部分形成“死床”； ▪ 气体与颗粒不能良好接触，
工艺过程严重恶化； ▪ 流化部分空隙率大，床层压降较正常时低。
第二节 固体流态化(Fluidization)
影响沟流程度的主要因素：
①粒径：颗粒直径小，易内聚成较大粒团； ②粒子的形状与密度：
球型度ψ↑，密度ρP↑→易发生沟流；
③粒子的湿度：湿度↑→颗粒易粘结→易发生沟流； ④流体分布板设计不完善，或升气孔太少。
Fra Baidu bibliotek
第二节 固体流态化(Fluidization)
节涌（腾涌，lugging）：
颗粒直径大,或气速过高,会发生 气泡合并成大气泡的现象. ▪气泡汇合占满床层，床层波动，压降波动；
▪ 颗粒被带出 ─气力输送阶段
第二节 固体流态化(Fluidization)
二、流化床的流化类型
⒈散式流态化（Particulate fluidization）
特征：颗粒分散均匀，随流速增加 床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增 加，床层上界面平稳，压降稳定、 波动很小。 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。
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉聚式流态化（Aggregative fluidization）：
特 征 ： ρs ＞ ＞ ρ ， 气 体 要
将固体颗粒推起比较困难, 小部分气体在颗粒之间穿 过,大部分汇成气泡穿过床 层形成气泡，长大并破裂， 颗粒则很少分散开来运动, 床层波动剧烈，膨胀程度 不大，上界面起伏不定。
化工中很多过程要在固体和流体构成的体系 中传质,传热和化学反应.
早期:固定床 缺点:固定床中颗粒彼此相接触的表面不能暴露
于流体中;传热不良,床层会出现很大的温度梯 度,甚至发生局部过热.
第一节 概 述
流化床的优点：
➢ 颗粒剧烈搅拌，床层各部分温度均匀，避免了 局部过热； ➢ 流化层中常用20～100μm的粒子，因此床层中 固体或气体与固体的接触表面积大，利于传热、传 质速率的提高； ➢ 床层中颗粒的运动犹如流体，易于从装置输入 和输出，使过程连续化；
起始流 化速度
CD段：气力输送段，颗粒逐渐减少， △P下降→空管流动阻力
第二节 固体流态化(Fluidization)
说明：
①由BC段减小流体速度，压降返回线B’－A’，
有明显转折，且△PAB＜△PA’B’ ；
②ΔP = 单位床层横截面积内固体颗粒的表观重量
（重量-浮力），与速度无关，为定值；
③流化床操作范围：
当流体以不同速度由下向上通过固体颗粒床 层时，根据流速的不同，可能出现以下几种 情况。
第二节 固体流态化(Fluidization)
一、流化床的不同阶段
⒈固定床阶段：
▪ 空床气速（表观速度）u 低； ▪ 实际流速um＜沉降速度ut ；
▪ 颗粒静止不动，床层高度不变
第二节 固体流态化(Fluidization)
第三章 固体流态化和气力输送
第一节 概述 第二节 固体流态化 第三节 气力输送
第一节 概 述
固体流态化
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，这种流固接触状态称固体 流态化。
应用: 催化裂化,粉煤燃烧,多种催化反应,颗粒状物料的干燥,吸附 等操作中均有应用.
高低并列提升管催化裂化装置
第二节 固体流态化(Fluidization)
引起腾涌的原因： ①颗粒粒径大，颗粒、流体密度差大； ②流体空床气速大，分布板开孔大易形成大气泡； ③床层高径比过大。
注：节涌与沟流都会使气—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。
第二节 固体流态化(Fluidization)
临界流化速度 umf ＜u＜带出速度ut；
第二节 固体流态化(Fluidization)
④可由ΔP 数值的变化了解床层是否流化，
稳定性和正常性：
P恒定：流化正常 PP低 波于 动正 剧常 烈值 ：节：涌沟流（聚式流化）
S
起伏
正常值
pb W A
log p B log p b
⒌恒定的压强降：
P
床层颗粒重量 床层颗粒受到的浮力 流化床的截面积
(s
)g
m
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A
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定值
阻力Fd 浮力Fb
重力Fg
P
m
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LA (1 )s sA
(s
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L(1 )(s
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log△P～logu图：
A’B’段：固定床阶段Δ，P u K 1 u P
B点：颗粒开始流化→ umf BC段：流化床阶段，ε↑，L↑，△P 恒定；
第一节 概 述
缺点：
➢由于床中粒子的混合作用，无法将新鲜粒子与失活粒子 完全分开； ➢ 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，同时要求具有较高效率 的除尘设备；动力损耗大. ➢ 流化床反应器中流体流速与固体粒子性质有关，许可变 化范围较窄。
（一）流态化现象
⒉固体颗粒剧烈运动与迅速混合：
固体颗粒上升，必有等量颗粒下降，使颗粒均 匀混合，但导致停留时间不均，固体产品的质 量不均；
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)
⒋气流的不均匀分布与气固床层的不均匀 接触—聚式流化床的不正常操作
一般出现在流-固两相密度差较 大的体系，如气-固流化床。
工业上 应用较
多
鼓泡 流态化
第二节 固体流态化(Fluidization)
三、流化床的主要特性
⒈类似于液体的特性：
压强符合流体静力学
轻物 浮起
u
u
(a)
(b)
床面 呈水平
L
p
u
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(c)
(d)
uu
(e)
流动性
连通床面趋 于水平
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉流化床阶段：
▪ 表观速度u ↑ →曳力＞重力，床层 开始流化→床层空隙率ε↑； ▪ 实际流速um = 颗粒沉降速度ut 时，
颗粒悬浮于流体中，形成流化床； ▪ 颗粒彼此脱离，做不规则运动，但 不脱离床层，床层有明显上界面。
第二节 固体流态化(Fluidization) ⒊颗粒输送阶段：
▪ 实际速度um ＞颗粒沉降速度ut，
沟流：颗粒很小,气速很低时,床层内的气泡易形成气 沟,气体顺着沟走短路通过床层,构成沟流现象.
▪ 床层中出现气沟； ▪ 床层部分流化，部分形成“死床”； ▪ 气体与颗粒不能良好接触，
工艺过程严重恶化； ▪ 流化部分空隙率大，床层压降较正常时低。
第二节 固体流态化(Fluidization)
影响沟流程度的主要因素：
①粒径：颗粒直径小，易内聚成较大粒团； ②粒子的形状与密度：
球型度ψ↑，密度ρP↑→易发生沟流；
③粒子的湿度：湿度↑→颗粒易粘结→易发生沟流； ④流体分布板设计不完善，或升气孔太少。
Fra Baidu bibliotek
第二节 固体流态化(Fluidization)
节涌（腾涌，lugging）：
颗粒直径大,或气速过高,会发生 气泡合并成大气泡的现象. ▪气泡汇合占满床层，床层波动，压降波动；
▪ 颗粒被带出 ─气力输送阶段
第二节 固体流态化(Fluidization)
二、流化床的流化类型
⒈散式流态化（Particulate fluidization）
特征：颗粒分散均匀，随流速增加 床层均匀膨胀，床内空隙率均匀增 加，床层上界面平稳，压降稳定、 波动很小。 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。
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉聚式流态化（Aggregative fluidization）：
特 征 ： ρs ＞ ＞ ρ ， 气 体 要
将固体颗粒推起比较困难, 小部分气体在颗粒之间穿 过,大部分汇成气泡穿过床 层形成气泡，长大并破裂， 颗粒则很少分散开来运动, 床层波动剧烈，膨胀程度 不大，上界面起伏不定。
化工中很多过程要在固体和流体构成的体系 中传质,传热和化学反应.
早期:固定床 缺点:固定床中颗粒彼此相接触的表面不能暴露
于流体中;传热不良,床层会出现很大的温度梯 度,甚至发生局部过热.
第一节 概 述
流化床的优点：
➢ 颗粒剧烈搅拌，床层各部分温度均匀，避免了 局部过热； ➢ 流化层中常用20～100μm的粒子，因此床层中 固体或气体与固体的接触表面积大，利于传热、传 质速率的提高； ➢ 床层中颗粒的运动犹如流体，易于从装置输入 和输出，使过程连续化；
起始流 化速度
CD段：气力输送段，颗粒逐渐减少， △P下降→空管流动阻力
第二节 固体流态化(Fluidization)
说明：
①由BC段减小流体速度，压降返回线B’－A’，
有明显转折，且△PAB＜△PA’B’ ；
②ΔP = 单位床层横截面积内固体颗粒的表观重量
（重量-浮力），与速度无关，为定值；
③流化床操作范围：
当流体以不同速度由下向上通过固体颗粒床 层时，根据流速的不同，可能出现以下几种 情况。
第二节 固体流态化(Fluidization)
一、流化床的不同阶段
⒈固定床阶段：
▪ 空床气速（表观速度）u 低； ▪ 实际流速um＜沉降速度ut ；
▪ 颗粒静止不动，床层高度不变
第二节 固体流态化(Fluidization)
第三章 固体流态化和气力输送
第一节 概述 第二节 固体流态化 第三节 气力输送
第一节 概 述
固体流态化
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，这种流固接触状态称固体 流态化。
应用: 催化裂化,粉煤燃烧,多种催化反应,颗粒状物料的干燥,吸附 等操作中均有应用.
高低并列提升管催化裂化装置