实验-4气固流化床反应器的流化特性测定

实验四 气固流化床反应器的流化特性测定一、 实验目的1. 观察了解气固流化床反应器中不同气速下固体粒子的流化状况，建立起对流态化过程的感性认识。

2. 了解和掌握临界流化速度U mf 和起始鼓泡速度U mb 的测量原理、方法和步骤，明确细粒子流化床的基本特性。

3. 通过对U mf 和U mb 的测定，进一步理解两相理论以及临界流化速度与起始鼓泡速度的区别。

二、实验原理1．在气固流化床反应器中，气体通过床层的压力降△P 与空床速度U 0之间的关系能够很好地描述床层的流化过程。

如图1所示：气体自下向上流过床层。

当气速很小时，气体通过床层的压力降△P 与空床速度U 0在对数坐标图上呈直线关系（图1中的AB 段）；当气速逐渐增大到△P 大致等于单位面积的重量时，△P 达到一极值（图1中P 点）；流速继续增大时，△P 略有降低；此后床层压力降△P 基本不随流速而变。

此时将流速慢慢降低，开始时与前一样△P 基本不变，直到D 点以后，△P 则随流速的降低而降低，不再出现△P 的极大值，最后，固体粒子又互相接触，而成静止的固定床。

2．在一正常速度下，处于正常流化的流化床，如果突然关闭气源，则由于床层中有气泡存在，以气泡形式存在的气体首先迅速逸出床层，床层高度迅速下降；而后是浓相中的气体逸出，床层等速下降；最后是粒子的重量将粒子间的部分气体挤出，床层高度变化很小。

由此可得其床层高度随时间变化的崩溃曲线（如图2所示）。

因此，可以设想，如果床层中图1 △P ～ U 关系log Ul o g △P12 3465t (sec)260270 280 290 300 H T H D H D图2 H T ～ t 关系没有气泡，则床层一开始就随时间等速下降，所以，将上述崩溃曲线中的等速部分外推到t=0处时的床层高度，即为浓相床层的高度H D 。

这样，只要重复上述过程，多做几条崩溃曲线，总可以找到一条曲线，这条曲线正好无气泡逸出段，开始就是等速下降的起点。

气固流化床流动特性的实验研究与数值模拟的开题报告一、选题背景和意义气固流化床是一种重要的化工反应设备，具有大处理能力、高效、节能等优点，在化工、冶金、制药、食品等领域得到广泛应用。

气固流化床在反应器内部形成气固两相的流动，流体的运动方式、相互作用和流场的形态会影响反应速率和反应产物的选择性。

因此，研究气固流化床的流动特性对于提高反应器的性能和效率非常重要。

目前研究气固流化床的流动特性的方法主要有实验和数值模拟两种。

实验可以获得较为准确的流场和物理参数，但是费时费力成本高，且很难在反应现场进行。

数值模拟可以通过计算机计算快速得到流场的数值解，可以模拟不同的流动条件和反应器结构，预测气固流化床的运行情况，优化反应器的设计。

因此，开展气固流化床的实验研究和数值模拟研究具有十分重要的意义。

二、研究内容和方法本课题主要研究气固流化床的流动特性，通过实验和数值模拟相结合的方法，研究以下几个方面：1. 研究气固流化床的流态转换规律。

利用小型气固流化床实验装置，观察不同流态下气固两相的运动状态，并对流态转换的规律进行分析。

2. 研究气固流化床的流动特性。

通过实验测量不同床层高度、气体流速、颗粒直径等参数对流态的影响，研究气固流化床的动态特性、颗粒分布和床层压降等指标。

3. 基于数值计算，利用计算流体力学软件ANSYS Fluent建立气固流化床的数值模拟模型，分析流场结构和物理特性。

4. 通过比较实验和数值模拟结果，验证数值模拟的可靠性和准确性。

三、预期成果和意义通过本研究，可以深入了解气固流化床的流动特性和流态转换规律，对气固反应器的设计和优化提供可靠的理论和实验依据。

同时，本研究通过实验和数值模拟相结合的方式，验证数值模拟的可靠性和准确性，为气固流化床的研究提供了一种新的方法和途径。

四、研究计划和进度第一年：完成文献调研和理论研究，设计实验方案，搭建小型气固流化床实验装置，完成气固流态转换的实验研究；第二年：完成气固流化床的流动特性实验研究，开展数值模拟计算，建立气固流化床的数值模型，分析流场结构和物理特性，并进行计算机模拟；第三年：比较实验和数值模拟结果，验证数值模拟的可靠性和准确性；完成研究报告的撰写和论文的发表。

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））。

流化床反应器的特性测定前言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，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。

在用于气固系统时，又称沸腾床反应器。

流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉（见煤气化炉）；但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。

目前，流化床反应器已在化工、石油、冶金、核工业等部门得到广泛应用。

一、实验目的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，避免了固定床反应器中的热点现象，床层温度分布均匀。

然而，床层流化状态与气泡现象对反应影响很大，尽管有气泡模型与两相模型的建立，但设计中仍以经验方法为主。

本实验旨在观察和分析流化床的操作状态，目的如下：(1) 观察流化床反应器中的流态化过程(2) 掌握流化床压降的测定并绘制压降与气速的关系图(3) 计算临界流化速度及最大流化速度,并与实验结果作比较二、实验原理与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：①可以实现固体物料的连续输入和输出；②流体和颗粒的运动使床层具有良好，关系图的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制,特别适用于强放热反应；③便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行，石油馏分催化流化床裂化的迅速发展就是这一方面的图 1-1 气体流化床的实际ΔP -u 典型例子。

流化床存在的局限性:①由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，阵低了目的产物的收率；②反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率；③由于固体催化剂在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使催化剂加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒催化剂的带出，造成明显的催化剂流失。