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流化床颗粒的分类及其流化特性：1973年Geldart根据多年对颗粒大小对流化床流化特性的研究，将颗粒的流化特性与颗粒平均径的关係分成A、B、C和D四大类，并将它们表绘在以dp为横坐标，以固体密度ρp与流化气体密度ρg的差（ρp –ρg）为纵坐标的图上（参见下面的Geldart颗粒分类图）。
以便供根据物理或反应过程的特性对流化特性的要求，以选用适合于自己工业化的特点的颗粒粒径及分布。
A类颗粒了（充气流化特性）：A类颗粒的特点是颗粒的平均尺寸较小，颗粒的密度较低。
由图可知，A类颗粒一般颗粒的平均粒径＜100微米，颗粒密度小于1400kg/m3，这类颗粒由于凝聚性较小，因此颗粒间充气性好，床层膨胀比（R≡床层流化时的高度Hf/床层静止时的高度H0）大，当床层气速达到起始流化速度时，床内还不会产生气泡（即床层的起始鼓泡速度大于起始流化速度），当气速进一步增加时，床内虽产生了气泡，但气泡较小，气泡的聚併、分裂速度也快。
所以，这类颗粒应该说是流化特性较好的一类颗粒。
（说明：起始流化速度umf即是流化床开始流化时的最小速度。
起始鼓泡速度umb即是流化床内出现笫一个气泡时的气体速度。
）在工业上使用时应尽可能选用这类颗粒。
在石化行业中的催化裂化装置上首先被使用，在这个行业中，催化剂中必须含有一定量的小颗粒，小于44微米被称为关键组分。
这类颗粒以后在丙烯氨氧化制丙烯腈等流化床中也得到了应用。
B类颗粒（沙状流化特性）：由图可知，B类颗粒一般颗粒的平均粒径＜40微米＜500微米，颗粒密度＜1400kg/m3＜4000kg/m3。
这类颗粒在气速达到或稍高于颗粒的起始流化速度时，床內就出现了气泡，床层膨胀比R较A类颗粒小，气泡聚併现象严重，气泡直径也迅速变大，且气泡随床高而变大，当气泡达到床层表面时破裂，从而影响了流化质量，影响了床层与传热面间的传热和相间的传质。
这类颗粒在工业上应用也较多，如醋酸乙烯、农药百菌清和苯酐行业都有使用。
流化床特征
流化床技术是一种广泛应用于化工、制药、食品等行业的高效反应器。
其特点在于将固体颗粒床浸泡在气体或液体中，流化床内的颗粒不断地运动和混合，使反应物质与催化剂之间的接触面积增大，反应速度加快。
流化床特征主要包括以下几点：
1. 气体或液体均匀分布：在流化床中，气体或液体会通过床层，并使颗粒呈现出流动状态，使其均匀分布。
2. 颗粒运动状态稳定：流化床内的颗粒因气体或液体的作用，呈现出流动状态，流化床内颗粒的运动状态更加稳定。
3. 传质效率高：在流化床内，颗粒之间的接触面积较大，使得反应物质更易于与催化剂之间发生反应，传质效率更高。
4. 温度均匀：流化床内气体或液体的运动状态使得温度分布更加均匀，减少了局部过热或过冷的可能性。
5. 抗堵塞能力强：由于流化床内颗粒运动状态稳定，不易出现堵塞的情况，使其具有很强的抗堵塞能力。
总之，流化床技术由于其高效能、高传质效率、温度均匀、抗堵塞能力强等特点，成为化工、制药、食品等行业的重要反应器。
- 1 -。
固体流态化的流动特性实验一、实验目的1.通过实验观察固定床向流化床转变的过程，及聚式流化床和散式流化床流动特性的差异。
2.测定流化曲线和临界流化速度。
3.验证固定床压降和流化床临界流化速度的计算公式。
4.初步掌握流化床流动特性的实验研究方法，加深对流体经固体颗粒层的流动规律和固体流态化原理的理解。
二、实验原理在化学工业中，经常有流体流经固体颗粒的操作，诸如过滤、吸附、浸取、离子交换以及气固、液固和气液固反应等。
凡涉及这类流固系统的操作，按其中固体颗粒的运动状态，一般将设备分为固定床、移动床和流化床三大类，近年来，流化床设备得到越来越广泛的应用。
固体流态化过程按其特性可分为密相流化和稀相流化。
密相流化床又分为散式流化床和聚式流化床。
一般情况下，气固系统的密相流化床属于聚式流化床，而液固系统密相流化床属于散式流化床。
当流体流经固定床内固体颗粒之间的空隙时，随着流速的增大，流体与固体颗粒之间所产生的阻力也随之增大，床层的压强降则不断升高。
为表达流体流经固定床时的压强降与流速的函数关系，曾提出过多种经验公式。
一种较为常用的公式可以仿照流体流经空管时的压降公式（Moody 公式）列出。
即：22u d H p p m m ρλ⋅⋅=∆（4-1）式中H m ——固定床层的高度，m ；d p ——固体颗粒的直径，m ； u 0——流体的空管速度，m ／s ； ρ——流体的密度，kg/m 3； λm ——固定床的摩擦系数。
由固定床向流化床转变时的临界速度u mf ，也可由实验直接测定。
实验测定不同流速下的床层压降，再将实验数据标绘在双对数坐标上，由作图法即可求得临界流化速度，如图4-1所示。
为计算临界流化速度，我们可采用下面这种半理论半经验的公式mms pmf d u εεμρρ-⨯-⨯=1)(15032（4-2） 式中μ——流体的黏度，Pa ／s ；d p 一一平均粒径，m ； ρs ——填料密度，kg/m 3； εm ——空隙率。
实验四流化床基本特性的测定流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并使固体颗粒具有某些流体特征的一种床型，它是流态化现象的具体应用，已在化工、能源、冶金、轻工、环保、核工业等部门得到广泛应用。
化工领域中，加氢、烯烃氧化、丙烯氨氧化、费-托合成及石油的催化裂化等均采用了该技术。
因此，它是极为重要的一种操作过程。
流化床反应器的重要特征是细颗粒催化剂在上升气流作用下作悬浮运动，固体颗粒剧烈地上下翻动。
这种运动形式使床层内流体与颗粒充分搅动混和、物料连续、结构紧凑、传质速度快、传热效率高、床层温度分布均匀，避免了固定床反应器中的热点现象，但操作中会造成固体磨损、床层粒子返混严重、反应中转化率不高等现象。
一、实验目的1．通过冷模观察聚式和散式流态化的实验现象，建立起对流态化过程的感性认识。
2．了解流化床的压降分布原理，通过冷模测定流化床的特定曲线。
3．通过冷模观察得到临界流化速度和带出速度，并计算出费劳德数Fr、膨胀比和流化数。
4．掌握流化床液体停留时间分布的测定方法及实验结果分析。
二、实验原理1．流化现象流体从床层下方流入，通过图1中虚线所示的分布板而进入颗粒物料层时，随着流体流速u0的不同，会出现不同的流化现象（图1）。
(a)(b)(c)(d)(e)固定床临界流态化散式流态化聚式流态化稀相流态化图1 流化现象（1）固定床阶段流体流速较低时，固体颗粒静止不动，即未发生流化，床层属于固定床阶段（图1（a）），阻力随流体流速增大而增大。
（2）临界流化阶段流体流速继续增大，颗粒在流体中的浮力接近或等于颗粒所受重力及其在床层中的摩擦力时，颗粒开始松动悬浮，床层体积开始膨胀，当流速继续增大，几乎所有的粒子都会悬浮在床层空间，床层属于初始流化或临界流化阶段（图1（b））。
此时的流速称为临界流化速度或最小流化速度u mf。
（3）流化阶段对于液固流化床，当液速u f>u mf时，由于液体与固体粒子的密度相差不大，此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动程度是平缓的加大的，床层的上界面较为清晰，即床层膨胀均匀且波动较小，床层属于散式流化阶段（图1（c））。
流化床颗粒的分类及其流化特性：1973年Geldart根据多年对颗粒大小对流化床流化特性的研究，将颗粒的流化特性与颗粒平均径的关係分成A、B、C和D四大类，并将它们表绘在以dp为横坐标，以固体密度ρp与流化气体密度ρg的差（ρp –ρg）为纵坐标的图上（参见下面的Geldart颗粒分类图）。
以便供根据物理或反应过程的特性对流化特性的要求，以选用适合于自己工业化的特点的颗粒粒径及分布。
A类颗粒了（充气流化特性）：A类颗粒的特点是颗粒的平均尺寸较小，颗粒的密度较低。
由图可知，A类颗粒一般颗粒的平均粒径＜100微米，颗粒密度小于1400kg/m3，这类颗粒由于凝聚性较小，因此颗粒间充气性好，床层膨胀比（R≡床层流化时的高度Hf/床层静止时的高度H0）大，当床层气速达到起始流化速度时，床内还不会产生气泡（即床层的起始鼓泡速度大于起始流化速度），当气速进一步增加时，床内虽产生了气泡，但气泡较小，气泡的聚併、分裂速度也快。
所以，这类颗粒应该说是流化特性较好的一类颗粒。
（说明：起始流化速度umf即是流化床开始流化时的最小速度。
起始鼓泡速度umb即是流化床内出现笫一个气泡时的气体速度。
）在工业上使用时应尽可能选用这类颗粒。
在石化行业中的催化裂化装置上首先被使用，在这个行业中，催化剂中必须含有一定量的小颗粒，小于44微米被称为关键组分。
这类颗粒以后在丙烯氨氧化制丙烯腈等流化床中也得到了应用。
B类颗粒（沙状流化特性）：由图可知，B类颗粒一般颗粒的平均粒径＜40微米＜500微米，颗粒密度＜1400kg/m3＜4000kg/m3。
这类颗粒在气速达到或稍高于颗粒的起始流化速度时，床內就出现了气泡，床层膨胀比R较A类颗粒小，气泡聚併现象严重，气泡直径也迅速变大，且气泡随床高而变大，当气泡达到床层表面时破裂，从而影响了流化质量，影响了床层与传热面间的传热和相间的传质。
这类颗粒在工业上应用也较多，如醋酸乙烯、农药百菌清和苯酐行业都有使用。
第23卷 第4期西安科技学院学报Vol.23 No.4 2003年12月 JOURNAL OF XI ’AN UN IV ERSIT Y OF SCIENCE AND TECHNOLO GYDec.2003文章编号:1671-1912(2003)04-0425-05大颗粒气固流化床的流化特性Ξ李晓光1,2,徐德龙1,肖国先1,范海宏1(1.西安建筑科技大学材料工程学院,陕西西安 710055;2.长安大学材料工程学院,陕西西安 710054)摘 要:通过冷态试验,对利用流化床煅烧水泥新技术中所涉及到的大颗粒气固流化床的相关特性进行了研究。
研究结果表明:大颗粒气固流化床平稳地运行在鼓泡床阶段,但较易发生节涌现象,适合浅床操作,且操作流化数较低;对流化床压降脉动的分析可知,采用具有较宽粒度分布的大颗粒物料,有利于改善流化床的流化质量。
关键词:大颗粒;流化床;鼓泡流态化;节涌流态化;压降脉动中图分类号:TP 013 文献标识码:A图1 试验设置Fig.1 Experiment equipment1计算机 2A/D 转换器 3皮特管 4风机5阀门 6移动床预热带 7喷动床预热预分解带8料钟 9流化床锻烧带 10移动床冷却带对大颗粒流化床特性进行研究,目的在于对中国现存的约7000条立窑水泥生产线的改造。
由于在立窑水泥生产工艺中,煅烧带采用移动床的煅烧方式,存在着通风不均、中风不足、边风过剩等诸多难以克服的缺陷,致使熟料的烧成质量难以得到保证,不能作为结构水泥使用。
在本研究中,通过多种技改方案的综合比较以及一系列的冷、热模试验,最终提出了采用立窑水泥生产常用的成球盘进行成球后,送入流化床煅烧窑煅烧这一新的改造方案。
通过前期试验发现其粒径若控制在3～8mm 之间是比较合适的。
对于这种大颗粒流化特征研究,目前相关文献资料较少。
1 试 验[1～3]1.1 试验装置试验所采用的装置结构如图1所示,上部为移动床预热带以及喷动床预热预分解带,中部为流化床煅烧带,下部为移动床冷却带。
整个装置的运行过程为移动床预热带通过圆辊向喷动床卸料;喷动床通过料钟机构控制向流化床的卸料;流化床向移动床冷却带下料后,卸出系统。
其中流化床的直径为127mm 。
1.2 试验用原料由于冷态试验装置为有机玻璃所制,若直接用水泥生料球做相关试验,将会使装置在短期内磨损严重,所以采用与其物理性能相似的物料———黄豆、绿豆以及小米作为试验用原料。
由于试验用物料的表观密度与散体密度与水泥生料料球相差不大,所以可以用它们作为替代品进行试验,基本满足相似性原理。
其有关的物理性能指标见表1,2.1.3 试验目的与方法利用3种不同粒度以及粒度分布的球形颗粒物料作为试验用原料,目的在于通过对它们在流化床中流化特性的研究,找出系统在冷态条件下稳定、连续运行的必要条件,为进一步的热态及放大试验提供依据。
Ξ收稿日期:2002-10-23基金项目:国家自然科学基金资助项目(50272050)作者简介:李晓光(1969-),男,辽宁沈阳人,在读博士,主要从事建筑材料的研究.表1 试验物料的粒度分布T ab.1 Distribution size of experimental m aterials编号物料种类0.63-0.90.9-1.251.25-1.61.6-2.02.0-3.23.2-4.04.0-5.05.0-6.36.3-7.07.0-8.1>8.1d p1黄 豆/////// 3.210.678.6 6.27.20 2绿 豆///0.00.356.838.7 4.2/// 3.94 3混合料0.39 1.728.710.30 4.3043.713.4 3.48 4.6618.70.14 3.42 4小 米 3.220.975.8//////// 1.36 注:粒度的量纲为mm;混合料的组成为绿豆:黄豆:小米=6:3:1;d p采用调和平均粒径;颗粒的球形度近似为1. 试验研究的方法是:3种物料的静床高分别为127,191和254mm,其中令L0=63.5mm,则流化床直径D0=2L0=127mm。
而相应的3种静床高的高径比分别为1,1.5以及2。
风速采用皮托管测量,测量结果换算为断面平均风速。
压力信号的采集通过A/D板接入计算机,按所编程序自动采集。
采样频率为100次/s。
整个试验在20℃下完成。
表2 试验物料的物理性能指标T ab.2 Properties of experimental m aterials物料编号ρp/kg・m-3ρP/kg・m-3ε0A r 112207670.3717.1×106213618500.38 2.81×106312718800.31 1.72×1064\820.3\\注:ρp为表观密度;ρp为堆积密度;ε0为自然堆积空隙率;A r为阿基米德数2 试验结果与分析2.1 临界流态化风速临界流化风速是流化床的重要指标。
很多学者在不同的研究条件下,提出了众多的临界流化风速的经验计算公式。
选择适用于本研究的计算方法,可以较为准确地对一定范围内的大颗粒临界流化风速进行预测。
通过对现有多种计算公式的综合比较,认为Wen和Yu的公式[4]较为接近试验数据,其公式为Re mf=[C21+C2A r]1/2-C1(1)式中Re mf为临界雷诺数;C1和C2采用Grace的改进,分别为C1=27.2和C2=0.0408[5]。
计算与试验结果列于表3.表3 试验物料的临界流化风速T ab.3 C ritical velocity of experimental m aterials物料编号u mf/m・s-12L03L04L0u mf平均值u mf计算值(公式1)u mf计算值(公式3)11.511.621.531.551.761.4621.181.091.021.101.241.1230.951.131.021.031.091.00由表3可见,对于1号和2号料,Wen和Yu的公式计算的临界风速计算值比实测值大13%左右。
而对于宽粒度分布的C类颗粒,公式(1)有很好的预测。
通过试验数据整理成Re mf以及A r,分别取对数进行了线性回归得到lg A r=1.956lg Re mf+1.658,相关系数为0.9989,线性关系极为显著。
进一步整理后得Re mf=0.142A r0.511(2)u mf=0.456d0.533pv0.022gρp-ρgρg0.511(3)由于试验数据较少,该公式准确性仍需得到验证。
从公式1～3可知,随着颗粒尺寸的减小,在其他物理指标大体不变的条件下,临界流化风速也随之降低。
3号料因其具有相对较宽的粒度分布(为1,2及4号颗粒组成的混合料),在床层进入起始流态化时,4号颗粒首先流化,大部分1号与2号颗粒则处于膨胀状态。
进一步提高风量,全床物料将逐渐全部进入鼓泡流态化,可见宽粒度分布物料的临界流化风速会有一定的范围。
关掉流化风后,可以发现床层膨胀明显。
这主要是由于床内624西安科技学院学报 2003年 物料分层,造成物料松散堆积而引起的。
相应地膨胀比约为1.17。
所取数据为3号颗粒全部流化时所对应的风速。
2.2 鼓泡流态化当气速超过临界流化风速时,对于G eldart D 类颗粒,其临界流化风速与临界鼓泡速度几乎相等,也就是说在整个床层开始流化的同时鼓泡现象也随之发生。
此时一部分“超额”的气体将以气泡的形式通过床层而形成鼓泡流化床。
对试验现象的观察也证实了上述的论断。
图2～4为3种物料在鼓泡床运行时的风速与压降关系。
图2 1号料风速与压降关系Fig.2 Supperficial velocity 2pressure plot to number one 图3 2号料风速与压降关系Fig.3 Supperficial velocity 2pressure plot to number two 图4 3号料风速与压降关系Fig.4 Superficial velocity 2pressureplot to number three 由试验结果可知,在鼓泡床阶段,床层压降随风速的提高基本保持不变;在流化床装置高度保持不变的条件下,随着流化床静床高的提高,操作流化数将减小,气体通过床层的压降将增大。
表4是不同种类的物料在不同静床高下维持鼓泡床的最大操作流化数。
2.3 节涌流态化对于大颗粒流化床,在提高流化风速或增加静床高时,床层很容易发生节涌现象。
表5为试验观察到的节涌出现时所对应的临界节涌流化风速。
表4 鼓泡流化床最大操作流化数T ab.4 Maximum operating fluidizing numberin bubbling fluidization试验物料N2L 03L 04L 011.521.461.3021.871.581.3331.901.721.70注:N 为流化数 表5 节涌流化临界点的参数T ab.5 P arameter of minimum slug fluidized bed物料种类u msl /m ・s -1ΔP msl /Pa节涌出现的无量纲最小高度(L /D )2L 03L 04L 02L 03L 04L 02L 03L 04L 012.211.771.88918135919601.201.2012.022.251.471.351167168320641.571.571.573//1.46//2372//2.2 注:u msl 为临界节涌风速;ΔP msl 为临界节涌所对应的全床压降.图5 节涌发生后风速与压降的关系曲线Fig.5 Velocity 2pressure plot under slugging fluidization注:每条曲线的第一个点为节涌临界点为了更好地了解节涌出现后风速与压降的关系,定义无量纲风速u +=u -u mf u mf;无量纲压降ΔP +=ΔPH (ρp -ρg )g (1-εmf )。
式中 H 为静床高;εmf 为临界流态化床的空隙率,一般取为0.4。
在这里,无量纲风速表示“超额”气量超出临界流化气量的程度;无量纲压降则表示为超出理论流化床压降的程度。
图5为1号和2号两种物料在发生节涌后,风速和压724第4期 李晓光等 大颗粒气固流化床的流化特性降之间的关系。
由表5和图5及试验研究可得以下结论。
1)在发生节涌后,床层压降随风速的提高均有不同程度的增加,随着静床高的增加,u msl 将会降低。
同一种物料发生节涌的最小高度大体保持不变,与静床高关系不大。
这符合Leva 等人对大颗粒流化床的观察。
由于靠近分布板附近就可能发生气泡的聚并,致使气栓在较低的高度形成。
2)当颗粒的粒径减小时,发生节涌的最小高度有增加的趋势。
