流化床的基本原理课件.ppt

1、 将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有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于流体的某些表观特性，这种流固接触的状态称为固体流类似于流体的某些表观特性，这种流固接触的状态称为固体流态化。这种床层称为流化床。态化。这种床层称为流化床。反应器、焙烧炉、干燥器等反应器、焙烧炉、干燥器等重力场中，颗粒处于流体介质中，颗粒与介质之间的相对速重力场中，颗粒处于流体介质中，颗粒与介质之间的相对速度度ut （设是层流状态，并规定重力的方向为正。）（设是层流状态，并规定重力的方向为正。）18p2ptgdu 与流体介质运动与否没有关系。与流体介质运动与否没有关系。如果流体介质静止，则

2、颗粒垂直向下的运动速度就是如果流体介质静止，则颗粒垂直向下的运动速度就是 ut 。流化床的基本原理流化床的基本原理为什么颗粒能够悬浮于流体中呢？这要从颗粒的沉降速度、为什么颗粒能够悬浮于流体中呢？这要从颗粒的沉降速度、流体的运动速度分析起。流体的运动速度分析起。如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速 u1 运动起来，运动起来，则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）up(规定规定向上的方向为正）为向上的方向为正）为t1puuu u1ut颗粒空隙中流体的实际流速颗粒空隙中流体的实际流速u1。颗粒的绝对。

3、颗粒的绝对运动速度运动速度 up ，床层表观流速床层表观流速u，即空床流速。即空床流速。其关系其关系：考察单位床层截面上流体的体积流量考察单位床层截面上流体的体积流量：11uuqv uu 124DquV 流体流体空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。（1）固定床阶段）固定床阶段t1puuu 如果流体介质静止或者如果流体介质静止或者上升上升流速流速u1，u1umf时，则出现时，则出现u1ut ,即即up0，则，则颗粒向颗粒向上运动。同时引起床层空隙率的改变上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。（增加）。床内的颗粒将床内的颗粒将“浮起浮起”，颗粒层将，颗粒层将

4、“膨胀膨胀”，床内空隙率，床内空隙率增大。增大。起始流化速度：起始流化速度：umf=umax 此时此时 u1=ut（2）流化床）流化床bedfixedtmf uuut1uu uu 1如为均匀颗粒，其如为均匀颗粒，其ut 已知已知 uu 1t1uu又又可可能能出出现现0uuut1p 出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。t1uu 颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增大。当床层膨胀到一定程度大。当床层膨胀到一定程度，空隙率稳定在，空隙率稳定在某一数值上，空隙中流体的流速某一数值上，空隙中流体的流速u1 稳

5、定于颗稳定于颗粒的粒的ut 时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流化床化床。（2）流化床）流化床 uu 1随着流体流量的增加随着流体流量的增加 和和 空隙率的减小，又出现空隙率的减小，又出现因此，在流化床的范围内，每一个表观气速因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率，对应一个空隙率，表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体通过空隙时的实际速度通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的不变，始终为颗粒的ut。u注意：注意：（2）流化床）流化床需要特别指出的是，流化床原则上应有一个明需要特

6、别指出的是，流化床原则上应有一个明显的上界面。在此界面之下的颗粒，显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut 。假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层而进入界面以上的空间，在该空间中（而进入界面以上的空间，在该空间中（=1.0）该颗粒的表观速度该颗粒的表观速度u即为其真实速度即为其真实速度u1 u=u1ut 故颗粒必然回落到界面上。故颗粒必然回落到界面上。流体流体由此可见，由此可见，流化床存在的基础流化床存在的基础是大量颗粒的群是大量颗粒的群居。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

7、表观速度整空隙率，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。存在的物理基础。很显然，如果将流体的流量（流速）逐渐减小，则将由流化床很显然，如果将流体的流量（流速）逐渐减小，则将由流化床转化为固定床。转化为固定床。如果流体（气体）流量继续增加，始如果流体（气体）流量继续增加，始终出现终出现u1ut的关系，始终的关系，始终up0，则颗粒被带出床外，此时，称为颗粒则颗粒被带出床外，此时，称为颗粒输送阶段。此时的流体表观速度输送阶段。此时的流体表观速度u称称为带出速度。在带出状态下床截面上为带出速度。在带出状态下床截面

8、上的空隙率即认为是的空隙率即认为是1.0，此时，此时u=u1。显然，带出速度显然，带出速度u数值上等于数值上等于ut 。据。据此原理，可以实现固体颗粒的气力输此原理，可以实现固体颗粒的气力输送或液力输送。送或液力输送。流化床的操作范围：流化床的操作范围：umfut（3）颗粒输送阶段）颗粒输送阶段流体流体m1，气流床，气流床/气力输送气力输送1.1.固定床固定床流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过流速较低时，颗粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙中通过 料层高度不变料层高度不变 实际流速线形增长实际流速线形增长 通风阻力随风速的平方关系增大通风阻力随风速的平方关系增大2.流化床流

9、化床颗粒不再由布风板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时，颗粒不再由布风板所支持，而全部由流体的摩擦力所承托。此时，对于单个颗粒来讲，可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有对于单个颗粒来讲，可在床层中自由运动；就整个床层而言，具有了许多类似流体的性质了许多类似流体的性质流态化。此时：流态化。此时：料层膨胀，床高增加料层膨胀，床高增加 颗粒间实际空气流速保持不变颗粒间实际空气流速保持不变 料层阻力变化不大，由托起的颗粒质量决定料层阻力变化不大，由托起的颗粒质量决定 5.3 流态化特征与流态化特征与Geldart颗粒分类颗粒分类5.3.1 5.3.1 流态化的基本特征流态化的基本特征5.3.

10、2 5.3.2 最小流态化速度最小流态化速度5.3.3 5.3.3 最小鼓泡速度最小鼓泡速度5.3.4 5.3.4 流态化气泡特征流态化气泡特征5.3.5 5.3.5 GeldartGeldart颗粒分类颗粒分类5.3.1 5.3.1 流态化的基本特征流态化的基本特征 1 1、床层物料具有很高的颗粒表面积床层物料具有很高的颗粒表面积 2 2、床层内有大量的不同尺寸的气泡、床层内有大量的不同尺寸的气泡 3 3、颗粒损失大、颗粒损失大 4 4、容易实现连续控制、容易实现连续控制流态化曲线流态化曲线床层孔隙率（或床层高度）、压降与流体表观流床层孔隙率（或床层高度）、压降与流体表观流速的关系曲线。速的

11、关系曲线。流体通过流化床的阻力流体通过流化床的阻力 流体通过颗粒床层的阻力与流体表观流速（空床流速）之间的关系可由实验测得。图是以空气通过砂粒堆积的床层测得的床层阻力与空床气速之间的关系。由图可见，最初流体速度较小时，床层内固体颗粒静止不动，属固定床阶段，在此阶段，床层阻力与流体速度间的关系符合欧根方程；当流体速度达到最小流化速度后，床层处于流化床阶段，在此阶段，床层阻力基本上保持恒定。1 1、有明显的临界流态化点和临、有明显的临界流态化点和临界流态化速度界流态化速度;2 2、流态化床层的压降为一常数、流态化床层的压降为一常数;3 3、有平稳的流态化界面、有平稳的流态化界面;4 4、流态化床层

12、的空隙率在任何流速下、流态化床层的空隙率在任何流速下,都具有一个代都具有一个代表表性的均匀值性的均匀值,不因床层内的位置而变化。不因床层内的位置而变化。理想流化床的特点理想流化床的特点:实际流化床的特点实际流化床的特点:固定床与流化床分界点所对应的流体表观流速。固定床与流化床分界点所对应的流体表观流速。请同学们总结出实际流化床的特点请同学们总结出实际流化床的特点？临界流态化速度临界流态化速度临界流化状态（速度）临界流化状态（速度）流体的流速达到颗粒受到的阻力流体的流速达到颗粒受到的阻力=重力重力-浮力浮力 颗粒悬浮在流体中颗粒悬浮在流体中 床层压降的理论值床层压降的理论值gAlpAp)(1(5

13、.3.2 5.3.2 最小流化速度最小流化速度确定方法确定方法 可由实验测定，即通过可由实验测定，即通过p-up-u关系曲线确定。关系曲线确定。可用近似计算法求得可用近似计算法求得量纲分析或相似理论法。量纲分析或相似理论法。1 1、细颗粒、细颗粒2 2、粗颗粒、粗颗粒3 3、有不良流态化现象发生时、有不良流态化现象发生时 gLAgLAAgVAgVAgmAmgPpppbedpspf)(1)(1)(1)(1 根据第根据第4章中的欧根方程，对于小颗粒章中的欧根方程，对于小颗粒(Rep20）又可以利用固）又可以利用固定床压降的计算式（定床压降的计算式（5-32）（1）流化床的压降）流化床的压降675（

14、2）固定床的压降）固定床的压降此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。设流化床的床层高度为设流化床的床层高度为L，床层空隙率为，床层空隙率为，则此时，床层，则此时，床层压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。压降既符合固定床计算式，又符合流化床计算式。流化床的操作范围流化床的操作范围1、起始流化速度、起始流化速度umf udLp2ev232f1150 5.3.3 5.3.3 最小鼓泡速度最小鼓泡速度 对于小颗粒，对于小颗粒，u=uu=umfmf时，散式流化床时，散式流化床u uu umbmb时，鼓泡流化床时，鼓泡流化床34

15、7.006.045)716.0exp(07.2vmbdxu 与颗粒的平均尺寸有关与颗粒的平均尺寸有关 与颗粒的尺寸分布有关与颗粒的尺寸分布有关 对于大颗粒，对于大颗粒，u=uu=umfmf时，聚式流化床时，聚式流化床气泡的尾涡与尾迹气泡的尾涡与尾迹 1 1、气泡的产生与运动与颗粒的性质、风板、流化床的尺寸、气泡的产生与运动与颗粒的性质、风板、流化床的尺寸有关；有关；2 2、相同的颗粒，相同的流化速度、相同的深宽比具有相同、相同的颗粒，相同的流化速度、相同的深宽比具有相同气泡与颗粒流型；气泡与颗粒流型；3 3、尾涡与尾迹的产生、尾涡与尾迹的产生常见的三种气泡尺寸定义常见的三种气泡尺寸定义 (1)

16、(1)投影尺寸投影尺寸d db b；(2)(2)气泡弓玄尺寸气泡弓玄尺寸d dbhbh；(3)(3)体积尺寸体积尺寸d dbvbv；5.3.4 5.3.4 流态化气泡特征流态化气泡特征气泡的尺寸与速度气泡的尺寸与速度 (1)(1)床层高度增加，气泡增加；床层高度增加，气泡增加；(2)(2)流态化速度增加，气泡增加；流态化速度增加，气泡增加；(3)(3)气泡间存在合并长大过程，同时大气泡可分裂为许多小气泡；气泡间存在合并长大过程，同时大气泡可分裂为许多小气泡；(4)(4)流化床存在最大平衡气泡尺寸流化床存在最大平衡气泡尺寸 气泡晕气泡晕 单个气泡：顶部球单个气泡：顶部球形，尾部内凹。在尾形，尾部

17、内凹。在尾部由于压力比近旁稍部由于压力比近旁稍低，使一部分粒子被低，使一部分粒子被卷了进去。形成局部卷了进去。形成局部涡流涡流尾涡尾涡 在气泡上升途中，不断有一部分粒子离开这一区域，另一部分粒子又在气泡上升途中，不断有一部分粒子离开这一区域，另一部分粒子又补充进去。这样，就把床层下部的粒子夹带上去，促进了整个床层粒补充进去。这样，就把床层下部的粒子夹带上去，促进了整个床层粒子的循环和混合。所以气泡是床层运动的动力。子的循环和混合。所以气泡是床层运动的动力。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

18、固体颗粒获得了有效的接触，得到反应。气泡越其中，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。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。气泡云和尾涡都在气泡气泡云和尾涡都在气泡之外，可合称为泡晕。之外，可合称为泡晕。1 1、是床层运动的动力，加剧气、是床层运动的动力，加剧气-固两相相对运动；固两相相对运动；气泡的作用气泡的作用3 3、参与传质，使反应物：气泡相、参与传质，使反应物：气泡相 乳相；乳相；产物：乳相产物：乳相 气泡相气泡相2 2、造成床层内颗粒的剧烈搅拌，使流化床具有很高、造成床层内颗粒的剧

19、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；具有等温的特征；4 4、降低流化床气固接触效率；、降低流化床气固接触效率；5 5、上升到床层表面破碎时，将大量颗粒抛入床层上、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。方，使流化床颗粒损失。5.3.5 Geldart 5.3.5 Geldart 颗粒分类颗粒分类 1 1、C C组颗粒组颗粒 2 2、A A组颗粒组颗粒 3 3、B B组颗粒组颗粒 4 4、D D组颗粒组颗粒 1、化学反应过程、化学反应过程湿法冶金中：流态化浸出和洗涤、流态化离子

20、交换湿法冶金中：流态化浸出和洗涤、流态化离子交换火法冶金：沸腾焙烧（火法冶金：沸腾焙烧（ZnS精矿）沸腾氯化（钛铁精矿）沸腾氯化（钛铁矿精矿）矿精矿）2、物理过程：物理过程：颗粒分级颗粒分级流态化洗涤流态化洗涤流态化干燥（喷雾干燥）流态化干燥（喷雾干燥）物料输送：最典型的是颗粒物料的气力输送物料输送：最典型的是颗粒物料的气力输送 1、优点、优点 易于连续化和自动控制。易于连续化和自动控制。相际混合均匀，温度均匀。相际混合均匀，温度均匀。相际之间接触面大，传质、传热速率大、效果好，可相际之间接触面大，传质、传热速率大、效果好，可强化化学反应过程。强化化学反应过程。2、缺点缺点 气体流动情况十分复杂。气体流动情况十分复杂。颗粒在反应器内停留时间不均。颗粒在反应器内停留时间不均。固体颗粒在气流作用下易粉碎，粉末易被气流夹带。固体颗粒在气流作用下易粉碎，粉末易被气流夹带。一些高温过程，微粒易于聚集和烧结（有时不得不降一些高温过程，微粒易于聚集和烧结（有时不得不降温，从而降低反应速度）。温，从而降低反应速度）。