颗粒的沉降和固体流态化

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1、压力流体固体流态化：将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似于流体的某些表观特性，这种流固接触状态称为固体流态化。5.4固体流态化技术8/29/20211第5章颗粒的沉降和固体流态化将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似于流体的某些表观特性，这种流固接触的状态称为固体流态化。这种床层称为流化床。反应器、焙烧炉、干燥器等重力场中，颗粒处于流体介质中，颗粒与介质之间的相对速度ut（设是层流状态，并规定重力的方向为正。）与流体介质运动与否没有关系。如果流体介质静止，则颗粒垂直向下的运动速度就是ut。5.4.1流化床的基本概念为什么颗粒能够悬浮于流体中呢？这要从

2、颗粒的沉降速度、流体的运动速度分析起。观看录像8/29/20212第5章颗粒的沉降和固体流态化如果颗粒邻近的流体介质以方向向上的流速u1运动起来，则颗粒的绝对速度（表观速度）（以固定点为参照点）up(规定向上的方向为正）为u1ut颗粒空隙中流体的实际流速u1。颗粒的绝对运动速度up，床层表观流速u，即空床流速。其关系：考察单位床层截面上流体的体积流量：流体空隙率即等于横截面上空隙面积的分率。8/29/20213第5章颗粒的沉降和固体流态化（1）固定床阶段如果流体介质静止或者上升流速u1，u1

3、大于ut时，颗粒便会上升，发生由固定床向流化床的转化。颗粒的直径一定，在流体介质中的沉降速度ut一定。8/29/20214第5章颗粒的沉降和固体流态化保持固定床状态的最大空床气速umax床层形态由固定床向流化床转换的临界条件：umax为维持固定床状态的最大表观气速。起始流化速度：umf=umaxut如果是均一的颗粒，其ut可以计算出8/29/20215第5章颗粒的沉降和固体流态化当流体的空床流速u>umf时，则出现u1>ut,即up＞0，则颗粒向上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。床内的颗粒将“浮起”，颗粒层将“膨胀”，床内空隙率ε增大。起始流化速度：umf=umax此时u1=

4、ut（2）流化床ut如为均匀颗粒，其ut已知8/29/20216第5章颗粒的沉降和固体流态化出现暂时的颗粒回落现象，又出现床层空隙率减小。颗粒再次上升，床层又膨胀，空隙率再次增大。当床层膨胀到一定程度，空隙率稳定在某一数值上，空隙中流体的流速u1稳定于颗粒的ut时，颗粒悬浮于流体中，便形成了流化床。（2）流化床随着流体流量的增加和空隙率的减小，又出现因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率，表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的ut。8/29/20217第5章颗粒的沉降和固体流态化（2）流化床需要特别指出的是，流

5、化床原则上应有一个明显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut。假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层而进入界面以上的空间，在该空间中（ε=1.0）该颗粒的表观速度u即为其真实速度u1u=u1＜ut故颗粒必然回落到界面上。流体由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能存在的物理基础。8/29/20218第5章颗粒的沉降和固体流态化很显然，如果将流体的流量（流速）逐渐减小，则将由流化床转化为固定床。如果流体（气体）流量继续增加，始终出现u1＞ut的关系，始终up＞0，

6、则颗粒被带出床外，此时，称为颗粒输送阶段。此时的流体表观速度u称为带出速度。在带出状态下床截面上的空隙率即认为是1.0，此时u=u1。显然，带出速度u数值上等于ut。据此原理，可以实现固体颗粒的气力输送或液力输送。流化床的操作范围：umf~ut（3）颗粒输送阶段流体8/29/20219第5章颗粒的沉降和固体流态化5.4.2实际的流化现象散式流化聚式流化（鼓泡流化）两类散式流化：一般发生于液—固系统床内固体颗粒充分混合，流化床的上界面清晰，接近于理想流化床。聚式流化：一般发生于气—固系统当表观气速超过起始流化速度umf而开始流化后，床内出现一些空穴，气体将优先取道穿过各个空穴至床层顶部

7、逸出。由于“气泡”在界面处破裂，床层上界面频繁地起伏波动，界面以上的空间也会存在一定量的固体颗粒。流化床界面以上的区域称为稀相区，流化床界面以下的区域称为浓相区。8/29/202110第5章颗粒的沉降和固体流态化流体5.4.3流化床的主要特性----恒定的总压降流化床的横截面积A,床层高度L，床内所有颗粒的质量m，颗粒的密度ρp流体的密度ρ，截面1的压强P1，截面2的压强P2。方向向上的力之和=方向向下的力之和如果忽略浮力特别注意：总床层高度上的压降近似等