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）。

图5-14 气体流化床类似于液体的性状

由于流化床层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。

2、压降与流速的关系

表观气速（空管流速）：流量以空管截面积表示的流速。

如果流体自下而上通过颗粒床层，理想情况下通过床层的压降△P B与表观气速u的关系如图5-15所示。

（1）固定床阶段

床层压降△P B随流速的增加而增大，对应于图5-15的A—B段。对细颗粒，它服从第四章式4-21所述的△P B与u的关系。

u

a

K

L

P

Bμ

ε

ε

3

2

2

'

)

1(-

=

∆

（SI）

ε——床层空隙率，在固定床阶段为定值；

a——为比表面，颗粒尺寸一定时为定值。

当流速由A点增大至B点，床层开始膨胀，颗粒发生振动重新排列，但还不能自由运动，如图5-15的BC段所示。

（2）流化床阶段

当流速进一步增至u mf点时，床层开始流化，颗粒开始悬浮在流体中可以自由运动，床层受力情况为：

log△P B

mf

图5-15 流化床△P B－u关系

重力（向下）=g A L P m f m f ρε)1(- （SI ）

浮力（向上）=g A L m f m f ρε)1(- （SI ） 阻力=B P A ∆

当几种力平衡时，即开始流化，即

重力=浮力+阻力

g A L P m f m f ρε)1(-=B m f m f P A g A L ∆+-ρε)1(

整理后得：

g L P P m f m f B ))(1(ρρε--=∆ （5-30a ） 如果在临界点后流速继续增大，u>u mf 时，由于颗粒的重量不变，即

(1)(1)p mf mf p L A L A ερερ-=-

因此，(1)L ε-等于定值，故B P ∆不变，因此

(1

)()B P P L g ερρ∆=-- （5-30b ） 在气—固系统，P ρρ

， ρ可忽略，

（5-30b ）变为 (1)B P W

P L gA

A

A

ερ∆-= （5-30c ）

即约等于单位面积床层的重量。

（3）气流输送阶段

当流速继续增大至某一数值后，床层上界面消失，床层空隙率增大，所有颗粒都悬浮在气流中并被气流带走，这时气流中颗粒浓度降低，由密相转变为稀相，这种状态称为气流输送，此阶段的起始点的速度称为带出速度或最大流化速度，以u t 表示。△P~u 关系将在下一节讨论。

3、实际流化床与理想状况的差异

压降对流速的关系图，可以从宏观上粗略表示流化质量，特别是当不能用肉眼直接观测流化状态时，可以凭借此图来判明设备内流化情况的好坏。因此，分析实际流化床与理想状况的差异，可以有助于了解床层的流化质量。

（1） 当u>u mf 时，可能出现两种情况的流化床

散式流态化：床层均匀膨胀，无气泡出现，床面稳定，常出现在液—固系统 聚示流态化：出现不连续的气泡相，床面波动，压降波动，常见于气—固系统

＜0.13 时，为散式流态

P

mf

mf gd u Fr 2=

＞1.5 时，为聚式流态化

mf