流态化基础

－流态化理论

▪颗粒形状

▪颗粒大小

▪颗粒大小测量

▪流态化用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。▪气体达到能将颗粒悬浮的速度，颗粒彼此之间分离，颗粒在任何方向上运动和转动

▪与高粘度液体性质相似

▪一循环流化床中的流态性质

▪流态化一用来描述固体颗粒与流体接触的某种运动形态。处于流化状态的颗粒系统称为流化床。

▪实际上气固两相流形态族谱中，流化床只是其中的一部分。从广义上讲气固系统可划分为固定床、流化床、气力输送等。

▪至少有五种不同的流态化形式－散式流化，鼓泡态流化，腾涌，湍动流化，快速床流化到气力输送。

a)0<u<u

mf 固定床（fixed bed）

b)u

mf <u<u

mb

散式流态化（particulate fluidization）

c)u

mb <u<u

ms

鼓泡床（bubbling bed）

d)u

ms <u<u

c

腾涌（slugging regime）

e)u

c <u<u

tr

湍动床（turbulent bed）

f)u

tr <u快速床（fast bed）

气力输送（Pneumatic conveying）

类颗粒的流化状态

u mf u mb u t

u m/s

ε

Li and Kwauk 1990平均空隙率

床层空隙率代表床内气体所占空间

与全床所占空间的比例，记为e

理想情况下，不同床层状况的压降

∆P、床层空隙率ε与气体流速u的关系。

在理想条件下，气体通过散料床层时，床层呈现固定床、流化床和输

送床三种运动状态。在固定床阶段，床层压降∆P与流速u为幂函数关系，而空隙率ε保持不变。

在流化床阶段，床层压降∆P为常数，这是因为床层颗粒的重量完全由气

体托曳，不再由布风板支持。空隙

率ε线性增长，

流体以层流的形式通过散料床层时，

1<Re<20时，

Re>1000时，

式中，H为床层高度，m；μ为动力粘度，Pa⋅s；u为气体速

度，m/s；ρ

f 为流体密度，kg/m3。

2

p

d

u

H

pμ

∝

∆

p

2

f

d

u

H

pρ

∝

∆

在前人研究结果的基础上，通过实验得出了包含层流和湍流床层压降综合表达式

φs 为球形度，其中第一项为粘性项，当流速较低时，它

占主导作用；第二项为惯性项，当流速较高时，流动为

湍流时，该项起主要作用。比表面因子是由反映

多孔介质水力半径因子，和反映相对流速因子综合得到的。该表达式通过引入球形度φs ，也能适用于非球形颗粒情况。

p

s 2

f 3

2

p s 32

175.1)()1(150d u d u H p φρe e φμe e -+-=∆13

-e e

1-e e

1e

根据临界流态化u mf 的定义，临界流化速度u mf 是当床层压降等于床层颗粒重量时所对应的流体速度，可由Ergun 方程导出

g

H A A p ))(1)((f p m f m f t t ρρe --=⋅∆2f p 3

p

f 2

m f p f 3m f s m f

p f 3m f

2

s m f )(175.1)1(150

μρρρμ

ρe φμ

ρe

φe g

d u d u d -=

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+-)

(1221p

f mf C Ar C C d u -+=

ρμs

mf

1185

.42φe -=C 75

.13mf

s 2e φ=

C 2

f p f 3

p )

(μρρρ-=

gd Ar

u

的实验测定

mf

流化床

固定床

将床层处理为气泡相和乳化相的所谓两相理论

模型都假定，多于临界流化的气体量都以气泡的形式窜过床层，即

mf b u u A

V -=实测值通常小于公式的计算值

对于气泡相，气体能够通过气泡边界；对乳化相，气体从颗粒间隙流入气泡

平均气泡直径表示为高度的函数，在Mori 与Wen 模型中，首先计算最大气泡直径

4

.0m f bm )]([64.1u u A d -=

为

D z e

d d d z d /3.00b bm bm b )()(---=简单的气泡沿床高几何合并模型(Darton) ，得出2

.08.0or 4.0mf b )/4()(54.0)(-+-=g

N A z u u z d 式中，A/N or 是每个小孔对应的布风板面积研究表明在任一给定的床高处，气泡大小服从对数正态分布或Γ分布，但是除平均方法之外，还没有通用的方法来计算这种分布的参数。气泡大部分时间都在沿床高合并和分裂，气泡从大到小的直径分布也在变宽。在特定床高处，特征气泡的速度可用下式估算

)

()(711.0)(mf b b u u z gd z u -+=