1、1一、流化床的压降受力及求解受力及求解 流化床阶段，固体颗粒悬流化床阶段，固体颗粒悬浮于气流中，处于平衡状浮于气流中，处于平衡状态态 pA +f = W 其中， f =fgVp =f g A L（1 - ） W =p g Vp =p g A L（1 - ）pAf浮浮WLp=gL（p- f ）（1-） （1-10）床层厚度床层厚度2一、流化床的压降讨论讨论 p=gL（p-f ）（1-）气体流化床中，压力不太高时气体流化床中，压力不太高时 p f ， （1-10）可简化为：）可简化为： p= p gL（1-）非理想状态：非理想状态： 颗粒之间、颗粒与器壁之间存在摩擦力，消耗能颗粒之间、颗粒与器壁之
2、间存在摩擦力，消耗能量，所以：量，所以：u，p有所增加，略高于静压强有所增加，略高于静压强近似等于床层近似等于床层静压强静压强单位面积床层所受重力单位面积床层所受重力pAf浮浮W摩擦力摩擦力3一、流化床的压降解锁解锁u Umf ，pu； u， m mf， pmax 床层静压p进入流化床阶段原因原因 pAf浮浮W摩擦力摩擦力气体流化床压降与气体表观流速的关系气体流化床压降与气体表观流速的关系空气表观流速空气表观流速u（m/s）p（Pa）4一、流化床的压降流体流速较低时，流体流速较低时，固定床阶段固定床阶段，床层的压降与，床层的压降与流速近似呈正比流速近似呈正比随着流体流速的增加，床层压降存在随着
3、流体流速的增加，床层压降存在 pmax，其值比床层静压稍大其值比床层静压稍大流速继续增加，压降降至床层静压，从而进入流速继续增加，压降降至床层静压，从而进入流化床阶段流化床阶段,这种现象也叫做床层这种现象也叫做床层“解锁解锁”。 原因：床层从固定床转变为流化床时存在原因：床层从固定床转变为流化床时存在“惯惯性性”5二、固定床的压降psfmpsmmmduduLpmm23232175. 1)()1 (150psfmpsmdudumm23232175. 1)()1 (150惯性损失：粘性损失：pm- 固定床压降固定床压降 Lm-固定床床层厚度固定床床层厚度m-固定床孔隙率固定床孔隙率 u -表观流速
4、表观流速 s-颗粒形状系数颗粒形状系数 dp -颗粒直径（平均粒径替代颗粒直径（平均粒径替代）6二、固定床的压降两者都考虑，惯性损失为主，粘性损失为主流体粘度, 0100Re200100udRe20udResPa:pffmfppffmfppfpsfmpsmmmduduLpmm23232175. 1)()1 (150232)()1 (150psmmmduLpm7二、临界流化速度经验公式：p=gL（p-f ）（1-）psfmpsmmmduduLpmm23232175. 1)()1 (150)()1 (150)(75. 1)(32323ffmfpsmffmfpsffpfpududgdmm（1-12）
5、8二、临界流化速度)131.(111,141)121.(.)(75. 1:1000Re)121.(1)(150)(:20Re)121).()1 (150)(75. 1)(322323232323mfsmfmfsffppsmfpmfffppsmfpffmfpsmffmfpsffpfpbgduagduududgdmmmm9二、临界流化速度实测实测-为克服解锁的影响为克服解锁的影响u，使床层自流化床缓慢恢复至固定床，使床层自流化床缓慢恢复至固定床记下相应的气体流速、床层压降记下相应的气体流速、床层压降在双对数坐标上标绘在双对数坐标上标绘按固定床区规律、流化床区规律各画延长线按固定床区规律、流化床区规
6、律各画延长线两条直线的交点即临界流态化点两条直线的交点即临界流态化点10临界流化速度的实测临界流化速度的实测11三、极限速度/终端速度流体的极限速度流体的极限速度=颗粒沉降时的终端速度颗粒沉降时的终端速度）（不同时的函数关系：在与已知函数，实验求得）、阻力系数（是161.3)(4e)151.(udeeee:)141.(/3)(42f3p2pfftppsp2ps21fpfddddffpptgdRCRRRCRCsmCgdu可求tfftppps2pu)151.(udee,121e计算由：查根据由图，求出，根据RRRCddfpp2f3p2p3)(4efpfdgdRC计算流体中沉降颗粒的终端速度曲线图计
7、算流体中沉降颗粒的终端速度曲线图Rep例题见课本p11例1-313试计算双层流态烘干试计算双层流态烘干机烘干粘土时，上下机烘干粘土时，上下层临界流化速度、终层临界流化速度、终端速度、工作速度。端速度、工作速度。已知：已知：平均颗粒粒径：平均颗粒粒径：dp0. 563mm；1415)121).()1 (150)(75. 1)(32323ffmfpsmffmfpsffpfpududgdmm求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度思路思路1.临界流化速度的计算临界流化速度的计算2.考虑混合气体的密度及粘度考虑混合气体的密度及粘度首先确定混合气体温度首先确定混合
8、气体温度-平均值平均值该温度下气体密度的计算该温度下气体密度的计算-平均值平均值通过下层篦板的平均气体量通过下层篦板的平均气体量V气体粘度：以空气在该温度下的粘度代气体粘度：以空气在该温度下的粘度代未知未知Vm进气密度出气密度进气温度出气温度16思路思路3.终端速度的计算终端速度的计算4.工作速度工作速度求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度fftpp2f3p2pude3)(4eRgdRCfpfd可查AVu 17)121).()1 (150)(75. 1)(32323ffmfpsmffmfpsffpfpududgdmmooOPPTT1求上下层临界流化速
9、度，终端速度，工作速度求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度18，所以：，由图190e12-150000)104 .3(32500463.010563.181.943)(4ep25932f3p2pRgdRCfpfdtmfmfmfpmfmfusmuuuRuuRP终端速度得：）：将以上数据代入式（取粘土形状系数故：空气粘度：气粘度代替，查得为简便，气体粘度以空)2(/636. 1u037500-u12950610012-19 . 0454)3 .21(e3 .21104 . 3463. 010563. 1udesa104 . 3460mfmf2s22253fftpp5-f19以上计算说明，流态化
10、烘干机的工作速度处于以上计算说明，流态化烘干机的工作速度处于u umfmf和和u ut t之间，能够进行流态化操作之间，能够进行流态化操作穿过篦板的速度穿过篦板的速度20第三节 流化床内的传热和传质21第三节 流化床内的传热和传质流化床内的传热流化床内的传热1.流化床的床层温度流化床的床层温度2.气体和固体颗粒间的传热气体和固体颗粒间的传热流化床内的传质流化床内的传质1.传质过程传质过程2.颗粒与气体间传质系数计算颗粒与气体间传质系数计算22一、流化床内的传热1、流化床的床层温度、流化床的床层温度在各个方向上几乎都均一在各个方向上几乎都均一 流化床内流体一般处于湍流状态，颗粒循环流化床内流体一
11、般处于湍流状态，颗粒循环速度很大，粒子发生强烈扰动速度很大，粒子发生强烈扰动 适用：适用：反应过程需要均一温度或对热敏感性反应过程需要均一温度或对热敏感性物质的处理；易于实现自动化，工业上广泛物质的处理；易于实现自动化，工业上广泛应用应用23湍流湍流是湍流是流体流体的一种流动状态。的一种流动状态。流速很小时，流体分层流动，流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为互不混合，称为层流层流（片（片流）；逐渐增加流速，流体流）；逐渐增加流速，流体的的流线流线开始出现波浪状摆动，开始出现波浪状摆动，摆动频率及振幅随流速的增摆动频率及振幅随流速的增加而增加，称为过渡流；流加而增加，称为过渡流；流速增加到很
12、大时，流线不再速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称乱流、漩涡，称为湍流，又称乱流、扰流或紊流。扰流或紊流。24一、流化床内的传热传热面积相当大传热面积相当大固体颗粒在气流中呈浮动状态，流化床与固体颗粒在气流中呈浮动状态，流化床与器壁之间的传热系数不仅高于单相流体，器壁之间的传热系数不仅高于单相流体，还高于固定床与器壁之间的传热系数还高于固定床与器壁之间的传热系数应用：在流化床中，可以设置换热交换器应用：在流化床中，可以设置换热交换器以供给或排出反应过程中的热量以供给或排出反应过程中的热量25一、流化床内的传热2、气体和固体颗粒间的传热、气
13、体和固体颗粒间的传热流体和固体颗粒间的传热流体和固体颗粒间的传热床层内各点间的传热床层内各点间的传热床层与固体壁间的传热床层与固体壁间的传热水泥工业生产实践流化床内的换热器流化床内的换热器26一、流化床内的传热2、气体和固体颗粒间的传热、气体和固体颗粒间的传热气体在分布板上很短的距离内，气体在分布板上很短的距离内，温度会发生急剧变化，温度会发生急剧变化，传热区传热区域的高度为域的高度为：气体雷诺数：床层孔隙率：固体颗粒平均粒径，度，传热作用发生的区域高Remdm:)171.(1Re18. 0papaHdH床层温度床层温度Ts分布曲线分布曲线自分布板距离，自分布板距离，mmmm气气体体温温度度T
14、s27一、流化床内的传热2、气体和固体颗粒间的传热、气体和固体颗粒间的传热smkgJCWWCdCdpfffpfpffpfp/u );( /)(m/ );(m/:k)191.()()ud(016. 0k)181.()()ud(015. 0k2h67. 03 . 1ffph67. 06 . 1ffph：工作气速：流体定压比热：流体导热系数传热系数接近实际的传热系数：仅适用于粒径仅适用于粒径0.360.361.1mm1.1mm的颗粒，气、的颗粒，气、液相均可，范围外需修正液相均可，范围外需修正2hkRepfppdd相同时，努塞尔特数抽气式热电偶测定气体温度回归而得，为真实传抽气式热电偶测定气体温度回
15、归而得，为真实传热系数；但易受环境辐射影响，误差较大热系数；但易受环境辐射影响，误差较大28二、流化床内的传质1. 传质过程传质过程 当在单一相当在单一相(气相、液相或固相气相、液相或固相)内或在直接接触内或在直接接触的两相之间，存在浓度差且未达到平衡状态时，的两相之间，存在浓度差且未达到平衡状态时，物质会发生位置迁移，同时其组成也随之发生变物质会发生位置迁移，同时其组成也随之发生变化，亦称质量传递过程或扩散过程。化，亦称质量传递过程或扩散过程。传质过程是一种物理现象传质过程是一种物理现象传质动力传质动力-浓度差浓度差传热动力传热动力-温度差温度差29二、流化床内的传质2.颗粒与气体间传质系数
16、计算颗粒与气体间传质系数计算(流化床流化床)质量扩散系数传质系数薛伍德数: ,:kdk- )( Sh22)-.(1.250e15 ,e01.2Sh21)-.(1.5e0.1 ,e37.0Shmpm5 .018.1DDRRRR30第四节 流化床装置设计31气体分布装置气体分布装置内部构件内部构件气固分离装置气固分离装置原料流体的加料装置原料流体的加料装置固体颗粒的加料、卸料装置固体颗粒的加料、卸料装置流态化技术应用领域非常广泛，使用目的不同，装置设计也不同。设计程序主要取决于工艺过程的特点及设计者的经验兴趣。通常要确定的内容有：流化床示意图流化床示意图32通常要确定的内容床型床型直径和高度直径和
17、高度分布板和预分布器分布板和预分布器内部构件内部构件粉粒回收系统粉粒回收系统给、排料系统给、排料系统换热系统、操作控制换热系统、操作控制流化床内的换热器流化床内的换热器33流化床体直径和高度的确定 通过截面的表观流速u，最好根据同类型流化床的实际数据确定。23/44ftfVD umsVDtu床型选择34流化床体直径和高度的确定床体高度：指分布器以上床体高度：指分布器以上至气体排出口之间的距离至气体排出口之间的距离当气体通过流化床而达到当气体通过流化床而达到床层表面时，其气泡破裂，床层表面时，其气泡破裂，微小的粒子被气体夹带，微小的粒子被气体夹带，这些微小粒子由于其粒径这些微小粒子由于其粒径大小
18、不同而由大至小从床大小不同而由大至小从床层表面上逐渐沉落。层表面上逐渐沉落。粒子飞出模型粒子飞出模型ubt-床层界面表观流速床层界面表观流速气体喷出后气体喷出后流体减速流体减速35夹带高度气体速度由于孔隙率的气体速度由于孔隙率的增大而逐渐减小，当达增大而逐渐减小，当达到一定高度时，颗粒不到一定高度时，颗粒不向下沉降，气体速度不向下沉降，气体速度不再减小，这时，床层表再减小，这时，床层表面到该点的距离称为夹面到该点的距离称为夹带分离高度带分离高度(TDH-Transport Disengaging Height)TDH+床层高度床层高度=床体最小高度值床体最小高度值输输出出口口高高度度m m表观
19、流速表观流速 m/sm/s输出口高度与表观流速的关系输出口高度与表观流速的关系36 气体分布板的选型和设计流化床示意图流化床示意图37二、气体分布板的造型和设计分布板的作用：分布板的作用：支承物料支承物料使气体通过它产生均匀的气流使气体通过它产生均匀的气流分布板的设计要求：分布板的设计要求： 气体分布均匀，阻力小、不漏料、不易堵气体分布均匀，阻力小、不漏料、不易堵塞、构造简单、便于制造和维修等塞、构造简单、便于制造和维修等38 (一)分布板的型式简单、漏料、易弯曲简单、漏料、易弯曲简单、不漏料简单、不漏料很好的支持荷重，不很好的支持荷重，不弯曲，注意开孔弯曲，注意开孔不同气体在通过分布板进入床
20、层前再进行一不同气体在通过分布板进入床层前再进行一次混合，同时填充的物料能起绝热作用。次混合，同时填充的物料能起绝热作用。加工易，但气体分布均匀性较差加工易，但气体分布均匀性较差不漏料，复杂不漏料，复杂分布板型式分布板型式39(二)多孔分布板的设计气流通过分布器时，类似于气体通过并联管道，要气流通过分布器时，类似于气体通过并联管道，要使气流分布均匀，势必使各孔道两端压降相等。使气流分布均匀，势必使各孔道两端压降相等。分布板中心部位气体速度总大于边缘部位的气体流分布板中心部位气体速度总大于边缘部位的气体流速，造成沿截面的动压头并不相等。速，造成沿截面的动压头并不相等。由于床层的剧烈扰动，作用在分
21、布板上的静压头急由于床层的剧烈扰动，作用在分布板上的静压头急剧波动。剧波动。只有当气流通过分布板时的压降增大至以上不均匀只有当气流通过分布板时的压降增大至以上不均匀性可忽略时，整个床面的气体分布状况才能比较均性可忽略时，整个床面的气体分布状况才能比较均匀。匀。当气体通过分布板的压降大于气流通过分布板当气体通过分布板的压降大于气流通过分布板上床层产生的压降上床层产生的压降1010以上，气流沿整个截面分布以上，气流沿整个截面分布才比较均匀才比较均匀40(二)多孔分布板的设计气体通过分布板具有适当的的压降，就必须使分气体通过分布板具有适当的的压降，就必须使分布板具有适当的开孔率（开孔总面积布板具有适
22、当的开孔率（开孔总面积/ /分布板面积）分布板面积）计算步骤（见课本计算步骤（见课本P17P17）：）： a a：确定多孔板压降：确定多孔板压降 b b：确定气流通过锐孔速度：确定气流通过锐孔速度 c c：确定开孔率：确定开孔率 d d：确定分布板孔数：确定分布板孔数fPP1 . 0min41第五节 流化床的工业应用密相气固流化床的优点密相气固流化床的优点传递过程加速传递过程加速流化床层的物理量易于均匀一致流化床层的物理量易于均匀一致气体流速可在较大范围内波动，而不至增加单位气体流速可在较大范围内波动，而不至增加单位功率消耗功率消耗可以在较小的设备容积内，处理大量物料可以在较小的设备容积内，处
23、理大量物料气固接触时间可在较大范围内调剂，以满足反应气固接触时间可在较大范围内调剂，以满足反应时间的要求时间的要求颗粒如同流体一样可平稳地流动，易于实现连续颗粒如同流体一样可平稳地流动，易于实现连续的自动化操作的自动化操作设备简单，基建费用不高。设备简单，基建费用不高。42密相气固流化床的优缺点密相气固流化床的缺点密相气固流化床的缺点不存在物理量梯度，因此不能实现真正逆流操作，减少传不存在物理量梯度，因此不能实现真正逆流操作，减少传递过程的平均推动力，且会降低过程进行的完全程度，对递过程的平均推动力，且会降低过程进行的完全程度，对产品纯度要求很高时，不宜采用产品纯度要求很高时，不宜采用流化床内
24、的颗粒粒度分布如较宽或脆性易碎物料产生大量流化床内的颗粒粒度分布如较宽或脆性易碎物料产生大量细粉，则飞灰损失会很大，后工序的收尘负荷大细粉，则飞灰损失会很大，后工序的收尘负荷大出于颗粒存床层内剧烈运动，磨蚀比较严重，尤其在高温出于颗粒存床层内剧烈运动，磨蚀比较严重，尤其在高温条件下、对设备的材料要求高条件下、对设备的材料要求高流化床比固定床的功率消耗大些流化床比固定床的功率消耗大些高温反应器，流化床排气热回收负担重，有时需采用多层高温反应器，流化床排气热回收负担重，有时需采用多层流化床叠加操作流化床叠加操作易产生特殊流态化易产生特殊流态化固定床固定床密相流化床密相流化床气力输送床气力输送床移动
25、床移动床颗粒有定向移动颗粒有定向移动喷腾床喷腾床中心稀相，周边密相中心稀相，周边密相稀相悬浮床稀相悬浮床气固同向气固同向散落床散落床气固逆流气固逆流水泥工业中流化床应用实例44水泥工业中流化床应用实例固定床固定床生料球堆积在篦子上，间歇生产的土立生料球堆积在篦子上，间歇生产的土立窑、层状燃烧室窑、层状燃烧室移动床移动床篦板定向移动，颗粒随之前进篦板定向移动，颗粒随之前进流化床流化床-水泥生料分解炉，流态化燃烧炉水泥生料分解炉，流态化燃烧炉喷腾床喷腾床无分布板，床体下部为锥形，利用高速无分布板，床体下部为锥形，利用高速气体喷射作用支持定量物料，形成中心稀相，周气体喷射作用支持定量物料，形成中心稀相，周边固体回流形成密相边固体回流形成密相稀相悬浮床旋风式生料预热器稀相悬浮床旋风式生料预热器散落床散落床浆自上而下呈雾状快速喷于气流中与热浆自上而下呈雾状快速喷于气流中与热气流逆向运动气流逆向运动45end464748(二)多孔分布板的设计49穿过篦板的速度穿过篦板的速度
