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1、3.4 固体流态化技术,流化床的基本概念 实际的流化现象 流化床的主要特性 流化床的操作范围 流化质量,流态化技术是20世纪四十年代化工原理上的重大发现，运用非常广泛。,大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，颗粒具有类似 于流体的表观特性，这种流固接触状态称为固体流态化。,二次大战后，石油催化裂化的催化剂再生，原来是通空气使表面炭层烧除，易发生危险，用流化技术后得到改进，石油加工得到发展。,一、流化床的基本概念,1、流态化的理论根据单颗粒运动,2、流态化机理,通过调节气速，改变床层的空隙率，使床层处于流态化。,固定床阶段 流化床阶段 颗粒输送阶段,此时流体的真正速度 u 颗粒的沉降速度u0,此时u
2、=u0颗粒悬浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似,此时u u0,固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷却、干燥、吸附、煅烧和气固反应等过程中。,3、流化床存在的基础大量颗粒群居,颗粒能在相当宽范围内悬而不走，离开群体的个别颗粒上升后，速度将减小，则会回落。,二、实际流化现象,聚式流化 气-固系统 存在空穴（气泡）的移动和合并 空穴破裂 界面起伏,流态化按其性状的不同，可以分成两类，即散式流态化和聚式流态化。,散式流化 液-固系统 固体颗粒均匀分布、上界面清晰,三、流化床的主要特性,1、液体样特性,2、固体颗粒的均匀混合,流化床的主要优点,流化床的一般特性,腾涌现象的
3、特征，就是气泡直径大到与床径相等，将床层分为几段，变成一段气泡和一段颗粒的相互间隔状态。此时颗粒层被气泡像活塞一样向上推动，达到一定高度后气泡破裂，引起部分颗粒的分散下落。腾涌发生时，床层的均匀性被破坏，使气固相的接触不良，严重影响产品的产量和质量，并且器壁磨损加剧，引起设备的振动。产生的原因：出现腾涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压降大于理论值，而气泡破裂时又低于理论值，即压降在理论值上下大幅度波动。一般来说，床层越高、容器直径越小、颗粒越大、气速越高，越容易发生腾涌现象。处理方法：在床层过高时，可以增设挡板以破坏气泡的长大，避免腾涌发生。,3、气流的不均匀分布和气-固的不均匀接触 P1
4、74,沟流对反应过程的影响：沟流现象发生时，大部分气体没有与固体颗粒很好接触就通过了床层，这在催化反应时会引起催化反应的转化率降低。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿命和效率。,流化床床层压降=（重量-浮力）/单位床截面积,流化阶段，压降与气速无关，始终保持定值,4、恒定的压降,流化床的重要优点,推导：,即：流化床层阻力=单位面积床层中颗粒的总重力，因此流化床阶段，床层压降基本恒定。,流化床阶段，近似认为颗粒处于动态平衡。,流化床的优缺点比较,颗粒混合均匀床层温度差小,具有流动性便于输送,恒定压降可使用小颗粒,优点：,小颗粒 大（比表面积）
5、，则阻力大。,对固定床则不同，,流动不均匀（空穴的存在引起），催化剂利用率、反应器利用率较低。催化剂破碎严重（相互碰撞引起），损失大。（一般需配套良好的旋风分离器）,缺点：,四、流化床的操作范围,因为床层的非均匀性，不能简单以颗粒直径求起始流化速度 umf,原因在于：,1、起始流化速度 umf 流化床操作范围下限,二者压降相等,起始流化点为固定床阶段与流化床阶段之交点,Umf为流化床操作范围下限,常见小颗粒的起始流化速度 umf：,（非均匀颗粒）,如颗粒直径相差 6 倍以上，当大颗粒起动，而小颗粒已被带走；公式不适用于粒径变化很大的颗粒床层。此公式计算的 umf 偏差较大（34%），实际 um
6、f 应以实验测定值为准；但公式提供了影响 umf 的变量，当实验条件与操作条件不同时，可用来对实验结果进行修正。,流化数（操作范围）=流化床实际操作速度/起始流化速度,小颗粒操作范围 大颗粒操作范围,流化床操作范围上限,小颗粒,大颗粒,2、带出速度,【例3-11】某流化床在常压、20下操作，固体颗粒群的直径范围为50175mm，平均颗粒直径为98mm，其中直径大于60mm的颗粒不能被带出，试求流化床的初始流化速度和带出速度。其它已知条件为：固体密度为1000kg/m3，颗粒的球形度为1，初始流化时床层的空隙率为0.4。,解：查表得20空气的粘度0.0181 mPas、密度1.205kg/m3。
7、（1）允许最小气速就是用平均直径计算的umf。假设颗粒的雷诺数Reb20，由式3-94可以写出其临界流化速度为,p177,校核雷诺数,由于不希望夹带直径大于60mm的颗粒，因此最大气速不能超过60mm的颗粒的带出速度ut。假设颗粒沉降属于滞流区，其沉降速度用斯托克斯公式计算，即,（3）流化数,颗粒沉降速度和临界流化速度之比为29:1，最大颗粒能够流化。一般情况下，所选气速不应太接近ut 或umf。通常取操作流化速度为（）ut。,五、流化质量(教材上没有),流化质量反映了流化床内流化分布及流固两相接触均匀程度，内部不稳定性是导致流化质量不高的根源。（空穴导致阻力减小空穴增大导致内部不稳定性）空穴沟流死床,多孔板,风帽,管式,1、增加分布板阻力,2、采用内部构件,3、采用小直径、宽分布的颗粒,提高流化利用率的措施 P178,4、采用细颗粒、高气速流化床,3.4.5 气力输送（自学）,气力输送(Pneumatic transport),气源,颗粒进料与加速段,稳定输送段,气固分离装置,垂直气力输送管内流型,均相,轻微团聚,聚团,节涌,均匀稀相,颗粒堆积,“沉寂”速度,“沙丘”流,水平“拴塞”,
