第三章 流态化优秀课件

20
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
21
（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（0.4-0.8）ut。
二者压降相等
带出开始 C
log u
D（带出速度）
Umf为流化 床操作范围 下限
17
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 umf 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。
散式流化 液-固系统 固体颗粒均匀分布、上界面清晰
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 界面以下 浓相区 界面以上 稀相区
散式流化床
聚式流化床
8
三、流化床的主要特性
1、液体样特性
流化床的一般特性
2、固体颗粒的均匀混合
流化床的主要优点
9
3、气流的不均匀分布和气-固的不均匀接触 P174
11
4、恒定的压降
流化床的重要优点
流化床床层压降 =（重量-浮力）/单位床截面积
ΔP
流化阶段，压降与气速无关，始终保持定值
固定床
流化床 C
带出开始
B
A
¢ 起始流化速度
u D（带出速度）
表观速度

直径，可先令
Ret1 4(3s2ut3)g
查 Ret1 Ret 曲线图，可求直径 d ，即 d R et ut
39
40
2
1
4.沉降速度的计算
3)用量纲为1的数群K 值判别流型
K d 3 (s )g 2
K ≤2.62为斯托克斯定律区; 2.62< K <69.1为艾仑定律区; K ≥69.1为牛顿定律区。
30
1.沉降速度
沉降速度 u t
等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称
为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗
粒相对于流体的速度，故又称为“终端速度”。
ut
4gd(s ) 3
31
2. 阻力系数
f(Rte, s)
Ret

dut ρ μ

Re t
32
2. 阻力系数
ut
41
2. 重力沉降设备
降尘室——气固体系 沉降槽——液固体系
42
1）降尘室
2.重力沉降设备
气流水平通 过降尘室速
度
动画
图3-4 降尘室示意图 (a)沉降室 (b)尘粒在沉降室内运动情况
沉降速 度
43
2.重力沉降设备
思考1：要使颗粒除去，必须满足什么条件？
位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为
on定律区）
0.44 ut 1.74 gds （ 1000Rte2000） 0 33
3.
影响沉降速度的因素
ut
4ds g
3
1) 流体的粘度
滞流区 过渡区 湍流区
表面摩擦阻力 形体阻力
34
3.
影响沉降速度的因素

四、比热容（湿热）cH 定义：在常压下，将1kg绝干空气及相应H kg水汽
升高(或降低) 1℃所需吸收(或放出)的热量，kJ/(kg绝 干气•℃)。
cHcgcvH 1 .0 1 1 .8H 8
〖说明〗
✓cH=f(H)
五、焓I
定义：1kg绝干空气的焓与Hkg水汽的焓之和，kJ/kg绝干气。 计算基准：
0℃绝干空气及0℃液态水的焓值为0。
因此，对于温度为t、湿度为H 的湿空气，其焓值包括由0℃
的水变为0℃水汽所需的潜热、由0℃的水汽变为t℃水汽所需的
显热及湿空气由0℃升温至t℃所需的显热之和。即：
I Ig IvH c g t (r 0 c v t)H r 0 H (c g c vH )t
24 H 9 (1 .0 0 1 .8H 8 )t
四、流态化技术的应用
2、循环流化床
吹出用 水蒸气
提升管 反应器
裂解产物 反应器内的 旋风分离器
烟道器
再生器
预热器
主风机 进料油
四、流态化技术的应用
3、流化床的燃烧
1) 保持很厚的灼热料层，相当于一个很大的蓄热池，新 煤(约5%)加入后很快与灼热的炉料混合，迅速达到着火温 度——具有极好的着火条件
H=
kg水汽 kg绝干空气
=
nVMV ng Mg
=
18nV 29ng
常压下，湿空气可视为理想气体，则有：
nV pV pV ng pg PpV
式中：pV为空气中水蒸汽分压。
H1n8V 0.622pV
2n 9g
PpV
即： Hf(P， pV)
当P为一定值时， Hf(pV )
饱和湿度Hs
当湿空气中水蒸汽分压 pV 恰好等于同温度下水 蒸汽的饱和蒸汽压 ps时，则表明湿空气达到饱和， 此时的湿度H为饱和湿度Hs。

5
非均相物系的分离方法
1、气-固体系
旋风分离器 ：含尘气体从入口导入除尘器的外壳和排气 管之间，形成旋转向下的外旋气流。悬浮于外旋流的粉 尘在离心力的作用下移向器壁，并随外旋流旋转到除尘 器底部，由排尘孔排出。净化后的气体形成上升的内旋 流并经过排气管排出。
应用范围及特点 旋风除尘器适用于净化大于5～10微米 的非粘性、非纤维的干燥粉尘。它是一种结构简单、操 作方便、耐高温、设备费用和阻力较低（80～160毫米水 柱）的装置。 旋风除尘器广泛应用于空气净化、烟道除 尘、细小颗粒回收等领域。 例如，火力发电厂的锅炉烟 道上就装有这种装置，它有效的降低了排出的烟尘，否 则，早晨起来时，电厂附近的马路上会铺满D
u02
2
d 2
4
浮力Fb
mg s
等速段：该段的颗粒运动速度称为 沉降速度，用u0表示。
重力沉降速度：以球形颗粒为例
合 外 F cF 力 bF D0
mg1s
u02
2
d2
4
0
质m 量力或 gFm c ra
颗粒在流体中沉降时受力
频率分布曲线
9
二、颗粒群的特性
平均直径
长度平均直径
d L m n 1 d 1n 1 n 2 d n 2 2 n n 3 3 d 3 n k n k d ki k 1n id i
k
n i
i 1
表面积平均直径 ----每个颗粒平均表面积等于全部颗粒的表面积之
21
增稠器（沉降槽）
用于分离出液-固混合物
加料
结构：请点击观看动画
与降尘室一样， 水平 沉降槽的生产能 力是由截面积来 挡板
保证的，与其高

➢ 1 沉降速度 ➢ 1〕球形颗粒的自由沉降
➢ 重力： Fg 6d3sg
➢ 浮力：
Fb
d3g
6
Fd
Au2
2
上页
下页
3.3.1 重力沉降
FgFbFdma
6 d 3 ( s ) g 4 d 2 ( 2 u 2 ) 6 d 3 s d d
沉降过程：加速段，恒速段
沉降速度
ut
4gd(s ) 3
➢气态：含尘气体、含雾气体
➢液态：悬浮液、乳浊液、泡沫液
上页
下页
3.1 概述
➢ 颗粒相对于流体运动 ➢ 气固系统 ➢ 沉降别离：重力沉降、离心沉降 ➢ 液固系统 ➢ 增浓：重力增稠器，离心沉降 ➢ 乳浊液：离心别离机 ➢ 流体相对于颗粒床层运动 ➢ 液固系统 ➢ 过滤：重力过滤、加压〔真空〕过滤、
Vp
6
de3
Spde2/s ap6/ sde
➢ 非球形颗粒需要两个参数描述其性质
上页
下页
3.2.1 颗粒的特性
返回
➢ 2 颗粒群的特性
➢ 1〕粒度分布
➢ 筛分：泰勒标准筛
➢ 累计分布函数曲线和频率分布函数曲线
➢ 平均比外表积粒径 a ai
➢ 2〕d1粒a子 的d1平i G G 均i 粒 径d xii
➢ 长度L，当量直径deb的一组平行细管
➢ 细管的全部流动空间等于颗粒床层的空 隙容积
➢ 细管的内外表积等于颗粒床层的全部外 表积
d e b 4 床 层 床 全 层 部 流 内 动 表 空 面 间 积 4 a b 体通过床层流动的压降
2 流体通过床层压降的数学描述
da
1/xi di
上页
下页

过程。
性能参数指标评价体系
01
02
03
04
流化质量
床层膨胀均匀，无沟流、腾涌 等异常现象。
传热性能
床层温度分布均匀，传热效率 高。
传质性能
气固接触面积大，传质效率高 。
压降特性
床层压降稳定，波动范围小。
设备选型依据和建议
物料性质
根据物料的粒度、密度 、形状等特性选择合适
的设备类型。
处理量要求
根据处理量的大小选择 合适的设备规格。
特点
固体颗粒在流态化状态下，颗粒之间及颗粒与流体之间存在相互作用，使得整 个系统表现出类似流体的宏观性质，如具有流动性、可变形性等。
流态化技术发展历程
早期探索
20世纪初，科学家们开始对流态化现 象进行初步探索，提出了一些基础理 论和实验方法。
应用拓展
目前，流态化技术已广泛应用于化工 、冶金、能源、环保等领域，为工业 生产和科学研究提供了有力支持。
实验准备工作和操作流程
调整实验参数，如气 流速度、物料投放量 等
结束实验，关闭电源 ，清理实验现场
观察实验现象，记录 实验数据
数据记录和处理方法
数据记录 使用专用记录本或电子文档记录实验数据
记录实验日期、操作人员、实验参数等信息
数据记录和处理方法
• 及时、准确、完整地记录实验现象和数据变化
数据记录和处理方法
操作条件
根据操作温度、压力等 条件选择合适的材质和
密封方式。
经济性考虑
在满足工艺要求的前提 下，尽量选择结构简单
、造价低廉的设备。
04
流态化实验操作与注意事项
实验准备工作和操作流程
实验准备工作 熟悉实验装置和操作流程

流化床燃烧技术通过将燃料与大量惰性颗粒混合，在流化状态下进行燃烧，能够实 现燃料与空气的充分混合，提高燃烧效率。
流化干燥技术
流化干燥技术是一种高效、节能的干燥技术，广泛应用于化工、制药、 食品等领域。
流化干燥技术利用流态化原理，将湿物料置于流化床上，通过热空气或 其它热源加热，使物料中的水分蒸发并带走热量，实现物料的干燥。
VS
传质特性
在流态化过程中，固体颗粒的运动和混合 促进了物质传递过程，提高了传质效率。
05
粉体流态化的影响因素
颗粒的物理性质
颗粒形状
颗粒的形状影响其与流体的相 互作用，进而影响流态化行为 。例如，球形颗粒具有最小的 流动阻力，而不规则形状颗粒 可能导致更高的流动阻力。
颗粒大小和粒度分布
颗粒的大小和粒度分布影响流 体的穿透能力和颗粒间的相互 作用，从而影响流态化效果。
流体压力
流体压力影响流体作用于颗粒的 力，从而影响流态化效果。较高 的流体压力可能导致更好的流态 化效果。
操作条件的影响
温度
温度影响流体的粘度和颗粒的物理性质，从而影响流态化 效果。在一定范围内，较高的温度可能导致更好的流态化 效果。
压力
压力影响流体的流动特性和颗粒的物理性质，从而影响流 态化效果。在一定范围内，较高的压力可能导致更好的流 态化效果。
安息角是粉体堆积形成的锥体坡面与水平面之间的夹 角，反映了粉体的松散性和稳定性。
摩擦角和安息角是评价粉体流动性的重要参数，对于 粉体的运输、装填、搅拌等工艺过程具有指导意义。
粉体的屈服值
屈服值是指粉体在受到压力时 开始发生形变所需的力值。
屈服值反映了粉体抵抗形变的 能力，是衡量粉体力学稳定性 的重要参数。
了解粉体的屈服值有助于优化 粉体加工工艺，防止粉体在加 工过程中发生形变或破坏。

固体颗粒被过滤介质截留后，逐渐累积成饼 （称 2．过滤推动力
在过滤过程中，滤液通过过滤介质和 滤饼层流动时需克服流动阻力，因此， 过滤过程必须施加外力。外力可以是重 力、压力差，也可以是离心力，其中以 压力差和离心力为推动力的过滤过程在 工业生产中应用较为广泛。
3.1.2 过滤基本方程
令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则：
de4 a 1
将上述几式式代入式3-1，整理得：
dV 3
p1
Ad 2Ca212 L
（3－2）
r2C2a 12 3
r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。r r0ps
可压缩滤饼的s大约为0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是
式3-2可写成：
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V2 KA2
q2 K
3.1.2 过滤基本方程
• 2．恒速过滤
若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。
对恒速过滤，有 dV V 常数
Ad A
代入式3-5中得：
V2
VVe
K 2
A2
或
q2
qqe
K
2
若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：
V 2 K A2
第三章 机械分离与固体流态化
• 3.1 过 滤 • 3.2 沉 降 • 3.3 固体流态化
3.1 过 滤
• 3.1.1 概述 • 3.1.2 过滤基本方程 • 3.1.3 过滤常数的测定 • 3.1.4 滤饼洗涤 • 3.1.5 过滤设备及过滤计算
3.1.1 概 述
• 滤饼过滤其基本原理是在外力（重力、压力、离心 力）作用下，使悬浮液中的液体通过多孔性介质，而 固体颗粒被截留，从而使液、固两相得以分离，如图 3-1所示。

A
r1 O
r2
r
B ur C
uT u
颗粒在旋转流场中的运动
比较：沉降速度的大小、方向
化工原理
材料与化学工程学院
非均相物系的分离和固体流态化 化学工程与工艺教研室
16
§3-2 沉降分离
Rep=dput/ 1 或 2
层流区
D

24 Re t
d 2 ad 2 2 Rd 2 u 2
化工原理
材料与化学工程学院
非均相物系的分离和固体流态化 化学工程与工艺教研室
23
§3-3 过滤
三 、滤饼的压缩性和助滤剂
◆可压缩滤饼
◆不可压缩滤饼
◆助滤剂：
要求：刚性颗粒；化学稳定性；不可压缩性
常用：不可压缩的粉状或纤维状固体如硅藻土、纤维粉末、 活性炭、石棉。
使用：可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。
影响因素：设备类型及尺寸、操作温度及流速、颗粒密度
化工原理
材料与化学工程学院
非均相物系的分离和固体流态化 化学工程与工艺教研室
18
§3-2 沉降分离
◆分离效率 总效率
0

c1 c2 c1
分效率（粒级效率）
i

ci1 ci2 c i1
0 xii
分割直径 d50 对标准旋风分离器
非均相物系的分离和固体流态化 化学工程与工艺教研室
13
§3-2 沉降分离
气体
气体 思考 1：要想使某一粒度的颗粒在
进口
出口 降尘室中被 100%除去，必须满足什
集灰斗 降尘室
么条件？

t

H ut
思考 2：能够被 100%除去的最小

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)
▪ 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)
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。
▪ 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。

床层随气速升高的变化状况（续）
（节涌床）：在床径比较小时，当气泡直 径达到与床直径相等时则出现气栓，而气 栓之间的固体颗粒呈固定床流动，这种现 象称为节涌床，或腾涌床。 湍流床: 湍流床是一种特殊的床形，它介于鼓泡床和快速床之 间，当鼓泡床进一步提高流化介质表观气速，床层气泡直径变小 ，气泡数量增多，气泡很快合并又很快被激烈湍动旋涡搅动所击 碎，气泡在床层界面形成大量喷溅，使床层界面变得模糊不清。
Next……
3.3 流化床主要特性
充分流化的床层表现出类似于液体的性质：
L
Δp
u
(a)
u
(b) (c)
u
u
(d)
u
(e)
u
¾ 密度比床层平均密度 ρm 小的物体可以浮在床面上 ¾ 床面保持水平 ¾ 服从流体静力学，即高差为 L 的两截面的压差ΔP =ρmgL ¾ 颗粒具有与液体类似的流动性，可以从器壁的小孔喷出 ¾ 连通的流化床能自行调整床层上表面使之在同一水平面上
不正常的流化现象
log Δp B
S
起伏
正常值
log u
log Δp b
Δ pb =W A
log u
大高径比床层
大直径床层
腾涌(Slugging)：颗粒层被气泡分成几段并像活塞一样被推 动上升，在顶部破裂后颗粒回落。腾涌时床层高度起伏很 大，器壁被颗粒磨损加剧，引起设备震动，损伤床内构件。 沟流：大量气体经过局部截面通过床层，其余部分仍为固定 床而未流化(“死床”)。 腾通与沟流都会使气—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。
在一个圆筒形容器中设置一块多孔形水平分布板，将颗粒堆 放在分布板上，形成一层固体层，称固体层为床层，如果将流体 引入分布板下，使流体均匀地通过分布板后进入床层，因流体速 度不同，床层将会出现固定床、流化床和输送床三种不同的状态

u T 2 d 2 R4
u r2 0 2uຫໍສະໝຸດ 4d(s )uT2 3 R
14
二、旋风分离器的操作原理
15
16
三、旋风分离器的性能
1、临界粒径 2、分离效率 3、压强降
0

C1 C2 C1
四、旋液分离器
17
一、过滤方式 饼层过滤
第三节 过滤
3-3-1 过滤操作基本概念
深床过滤
de

3
6 π
V
p
6
第二节 沉降过程
3-2-1 重力沉降
一、沉降速度
重力 Fg 6d3sg 浮力 Fb 6d3g
阻力 Fd A2u2
FgFbFd ma
ut
4gd(s) 3
9
影响沉降速度的因素
颗粒的体积浓度 器壁效应 颗粒形状的影响
10
二、重力沉降设备 （一）降尘室
动画
11
动画
特点：
多层除尘室
结构简单，阻力小，体积大，分离效率低，作为预 除尘
12
（二）沉降槽
13
径向上
3-2-2 离心沉降
惯性离6心 d3力 suR T2 指向外周
向心力 d3uT2
6R
阻力 d2 ur2
42
指向中心 指向中心
6d 3su R T 26d 3
28
3-3-4 恒速过滤与先恒速后恒压过滤
正位移泵→恒速过滤
29
A dd VA VquR
所q 以 u R或 V A Ru
dq p
dr(qqe)uR
prvR2urvRqu e
pab
30
3-3-5 过滤常数的测定

13:04:26
流
态 1.2、 气固流态化的形成
化 ➢固定床阶段
气体对颗粒的曳力＋浮力 <颗粒自身重力
原 ❖ 空隙率不变；
理 ❖床层高度不变；
及 ❖床层压降随表观气速（空塔速度）的增加而增大。
应 ➢流化床阶段 用 ❖ 空隙率增大；
气体对颗粒的曳力＋浮力 ＝颗粒自身重力
❖床层高度增大；
❖床层压降在表观气速的增加时保持恒定不变。
（c）直孔泡帽式分布板
13:04:26
流 态
1.2、 气固流态化的形成
化 1.2.4 不正常流化现象
原 （1）沟流
理
及 应
又称穿孔现象，指料层不均匀或 气体介质分布不均匀时，在容器 内固定床向流化床转化的初始阶
用
段，气流可能从阻力较小的“沟
道”处通过，形成气流短路的现
有象局部沟流和贯穿沟流两种情况。
及 应
质的预分配。
用
结构：倒锥形或渐缩形
13:04:26
流 态
1.2、 气固流态化的形成
化 1.2.3 流态床的基本结构
原 （2）布风板/分布板（Distributor）
理 作用：
及 应
1）具有均匀分布气流的作用；
用
2）使流态化床有一个良好的流态化状态，保证在分
布板附近有良好的气－固接触条件，使所有固体颗
(也称鼓泡床燃烧炉)的燃烧装置中引入炉外分离装置，使
燃烧效率大大提高，这就是第二代沸腾炉一循环床沸腾
燃烧锅炉。设置的分离装置可较好地实现气、固分离，
使未燃尽的固体颗粒得以重新回到沪内燃烧．因而燃烧
效率大大提高。
13:04:26
流
态 化
1.1.2 流态化的发展历史(续）

第三节 流态化的状态及特征 一、流化床的形成 气固流态化是固体颗粒悬浮在气体 中表现出类似流体状态的运动模式。 当气体通过一个颗粒床层，该床层 随着气流速度的变化会呈现不同的流动状 态。随着气流速度的增加，固体颗粒分别 呈现出固定床、起始流态化、鼓泡流态化 、节涌、湍流流态化及气力输送等状态。
2021/7/23
图6-14 不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态 (a)固定床；(b)起始流态化；(c)鼓泡流化床；(d)节涌；
(e)湍流流态化；(f)具有气力输送的稀相流态化
2021/7/23
二、不正常的流化态
1．沟流
大量的空气从阻力小的地方穿过料 层而其它部位仍处于固定床状态，这种 现象就称做沟流。沟流一般分为贯穿沟 流和局部沟流两种。
炉内发生节涌时，风压波动剧烈，燃 烧不稳定，极易在断层下部结焦，若床 内布置埋管，则会使埋管磨损加剧。
2021/7/23
产生沟流的主要原因是运行中一次 风速太低、料层太薄或严重不均以及炉 床内结焦、给煤太湿、布风板设计不合 理等。
2021/7/23
2021/7/23
图 6-15 沟流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2．节涌
如果料层中的气泡聚集汇合接近炉 床宽度时（在小而深的床层中它们甚至 会大得几乎充满床层的整个截面），料 层就被分成几层，一层比较稠密的床料 ，一层稀疏床料的“空气”向上运动， 当达到某一高度后崩裂，固体颗粒喷撒 而下。这种现象称做节涌。