第十章流态化与气力输送 §1固体流态化 10-1流态化现象 流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触,转化成类似流体状态的操作。近40年来, 这种技术发展很快,广泛应用于粉粒状物料的输送、混合、干燥、煅烧和气一固反应等过程 中。 当流体自下而上的通过一个固体颗粒床层时,可能出现以下几种情况:当流速较低,颗 粒静止不动,流体只在颗粒之间的缝隙穿过,称为固体床,如图10-1(a)所示。当流速继 续增大,颗粒开始松动,颗粒位置也在一定的区间进行调整,床层略由膨胀,但颗粒还不能 自由运动。如果流速再继续升高,这时颗粒全部悬浮在向上流动的气体或液体中,随着流速 增大,床层的高度也随之升高,这种情况称为流化床,如图10-1(b)所示。当流速再升高 达到某一极值时,流化床上界面消失,颗粒分散悬浮在气流中,被气流所带走,这种状态称 为气力输送,如图10-1(c)所示。 AAA NA444 图10-1不同流速下床层状态的变化 在流化床阶段,床层有一明显的上界面,气一固系统的密相流化床,看起来很象沸腾着 的液体,并且在很多方面都是呈现类似液体的性质。例如,当容器倾斜,床层上表面保持水 平如图10-2(a)所示。两床层连通,它们的床面能自行调整至同一水平面,如图10-2(b) 所示。床层中任意两点压力差大致等于此两点的床层静压头,如图10-2(c)所示。流化床 层也像液体一样具有流动性,如容器壁面开孔,颗粒将从孔口喷出。并可象液体一样由一个 容器流入到另一个容器中,如图10-2(d)所示 C 图10-2气体流化床类似于液体的性质
1 第十章 流态化与气力输送 §1 固体流态化 10-1 流态化现象 流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触，转化成类似流体状态的操作。近 40 年来， 这种技术发展很快，广泛应用于粉粒状物料的输送、混合、干燥、煅烧和气－固反应等过程 中。 当流体自下而上的通过一个固体颗粒床层时，可能出现以下几种情况：当流速较低，颗 粒静止不动，流体只在颗粒之间的缝隙穿过，称为固体床，如图 10-1（a）所示。当流速继 续增大，颗粒开始松动，颗粒位置也在一定的区间进行调整，床层略由膨胀，但颗粒还不能 自由运动。如果流速再继续升高，这时颗粒全部悬浮在向上流动的气体或液体中，随着流速 增大，床层的高度也随之升高，这种情况称为流化床，如图 10-1（b）所示。当流速再升高 达到某一极值时，流化床上界面消失，颗粒分散悬浮在气流中，被气流所带走，这种状态称 为气力输送，如图 10-1（c）所示。 图 10-1 不同流速下床层状态的变化 在流化床阶段，床层有一明显的上界面，气－固系统的密相流化床，看起来很象沸腾着 的液体，并且在很多方面都是呈现类似液体的性质。例如，当容器倾斜，床层上表面保持水 平,如图 10-2（a）所示。两床层连通，它们的床面能自行调整至同一水平面，如图 10-2（b） 所示。床层中任意两点压力差大致等于此两点的床层静压头，如图 10-2（c）所示。流化床 层也像液体一样具有流动性，如容器壁面开孔，颗粒将从孔口喷出。并可象液体一样由一个 容器流入到另一个容器中，如图 10-2（d）所示。 图 10-2 气体流化床类似于液体的性质
由于流化床具有液体的某些性质,因此在一定状态下,流化床层有一定的密度、导热系 数、比热和粘度等。在有些书刊中也称流化床为沸腾床和假液化床。 10-2压降与流速的关系 气体空塔气速,即气体体积流量除以塔截面积, 如果气体自下而上通过颗粒床层,气速u与床层压降(-p)的关系如图10-3所示。 不稳定 固定床 流化床 流化气力输送 d斜率=1 0.010.020.03u(0.05 0.1 0.20.30.5 图10-3流化床的-Ap~u曲线 (1)固定床阶段。图10-3中的曲线a段(虚线),表明-Ap与u成正比例,直线关系 斜率为1。 (2)流化床阶段。当气速u增加,达到b处附近,压强降增至最大值后开始减少,出 现向上的弧线b段。u再增,一Δ基本维持不变,即曲线c段,是流化床的稳定阶段。 开始稳定时的气速,称为起始流化速度lm°当u再增加,颗粒有带出,越带出越多,一4p 开始下降,曲线中的d段,可称为流化床的不稳定阶段,也可称为流化床与气力输送的过渡 阶段。 (3)气力输送阶段。当u再增,到达速度l0处,颗粒全被气流带走,空隙率E趋近于 1,-Ap最低,此时开始气力输送阶段。如曲线中的e段。ll称作带出速度。 当到达流化阶段c以后,减少气速u,发现压降(-△p)曲线不是由b→a返回,而是 b→a(实线)返回。a'段显示的-Ap比a段为低,说明颗粒由上升气流中落下时,所形成
2 由于流化床具有液体的某些性质，因此在一定状态下，流化床层有一定的密度、导热系 数、比热和粘度等。在有些书刊中也称流化床为沸腾床和假液化床。 10-2 压降与流速的关系 气体空塔气速 u，即气体体积流量除以塔截面积。 如果气体自下而上通过颗粒床层，气速 u 与床层压降（− p ）的关系如图 10-3 所示。 图 10-3 流化床的 − p ～u 曲线 （1）固定床阶段。图 10-3 中的曲线 a 段（虚线），表明 − p 与 u 成正比例，直线关系， 斜率为 1。 （2）流化床阶段。当气速 u 增加，达到 b 处附近，压强降增至最大值后开始减少，出 现向上的弧线 b 段。u 再增，− p 基本维持不变，即曲线 c 段，是流化床的稳定阶段。− p 开始稳定时的气速，称为起始流化速度 mf u 。当 u 再增加，颗粒有带出，越带出越多，− p 开始下降，曲线中的 d 段，可称为流化床的不稳定阶段，也可称为流化床与气力输送的过渡 阶段。 （3）气力输送阶段。当 u 再增，到达速度 0 u 处，颗粒全被气流带走，空隙率 E 趋近于 1， − p 最低，此时开始气力输送阶段。如曲线中的 e 段。 0 u 称作带出速度。 当到达流化阶段 c 以后，减少气速 u，发现压降（− p ）曲线不是由 b→a 返回，而是 b→a’（实线）返回。a’段显示的 − p 比 a 段为低，说明颗粒由上升气流中落下时，所形成
的床层比人工充填的床层更为疏松,即空隙率更大些。 10-3起始流化速度um 起始流化速度um,既是固体床的终止点,服从固体床的压降关系,又是流化床的起始 点,当然服从流化床的压降关系。 对于固体床,压降关系式为: △D=K H·l 在点,-4y=Ka0=E H·l (a) E 对于流化床,压降关系为: (p,-p)1-E)g L 联立式(a)、(b)得: k", a d-Em )'y- lmwr'Lm=(e -Pl-E)Lg Emt(es-p)g (1-Em) 由于K=5,而球形颗粒的比表面a=%(d· 代入式(c)得: Eo d'(e.-plg 180(1-Em) E 180(1-E 对于光滑球体,Em=04,3=1, C=104)×1 0.00059 l80(-0.4) my=009(0-)g (I a 当R<5时,Cn=0000706,代入式(I)得 =0.00923 d18p(p,-p) …(Ib)
3 的床层比人工充填的床层更为疏松，即空隙率更大些。 10-3 起始流化速度 mf u 起始流化速度 mf u ，既是固体床的终止点，服从固体床的压降关系，又是流化床的起始 点，当然服从流化床的压降关系。 对于固体床，压降关系式为： 3 2 2 (1 ) '' E a E u L p K − − = 在 mf u 点， 3 2 2 (1 ) '' mf mf mf mf E a E u L p K − − = ……………（a） 对于流化床，压降关系为： E g L p s = ( − )(1− ) − 在 mf u 点， − p = ( s − )(1− Emf )Lmf g ……………（b） 联立式（a）、（b）得： E L g E a E u L K s mf mf mf mf mf mf ( )(1 ) (1 ) '' 3 2 2 = − − − '' (1 ) ( ) 2 3 mf mf s mf K a E E g u − − = …………………（c） 由于 K' ' = 5 ，而球形颗粒的比表面 ( ) 6 d s a = ，代入式（c）得： 180(1 ) ( ) 3 2 2 mf mf s s mf E E d g u − − = ………………（Ⅰ） 令 180(1 ) 3 2 mf mf s mf E E C − = ， 对于光滑球体， Emf ＝0.4 ， s ＝1 ， 0.00059 180(1 0.4) (0.4) 1 3 = − Cmf = d g u s mf ( ) 0.00059 2 − = ………………（Ⅰa ） 当 Re 5 时， 0.063 0.0007 − Cmf = Re ，代入式（Ⅰ）得： 0.88 1.82 0.94 [ ( )] 0.00923 − = s mf d u ………………（Ⅰb）
式(Ia)、(Ib)即光滑球体颗粒的起始流化速度的表达式 式中,d——颗粒直径,m;p,、p—分别是固体和流体的密度,kgm-3; -流体的粘度,Pa·s;K"-—康采尼( Kozeny)常数 E 起始流化的床层空隙率:Lm-起始流化床层厚度,m Cm-一起始流化系数 10-4流化的带出速度u l,是流化床流体速度的上限,m就是流化床流速的下限了 下面介绍一种计算a1的简易算法。 (1)首先用斯托克斯定律计算u,,即 d-(p.-p)g (2)算出此时的雷诺数 du,p (3)利用图10-4以求取修正系数∫,∫为实际沉降速度u,与按斯托克斯定律计算的 沉降速度u2的比值 f1=u41 l1=f1u1'=f (Ps-p)g 184 由式(Ⅱ)可以确定沉降速度。修正系数∫可以从图10-4查得。 对于非球形颗粒,可用非球形颗粒较正系数C乘以按球形颗粒计算的L,,最后即得到非 球形颗粒的带出速度。C的数值可按式(Ⅲ)进行计算。 C=0.843s0065 (ⅢI) 关于流化床的操作速度,理论上应在最小流化速度和带出速度之间
4 式（Ⅰa ）、（Ⅰb）即光滑球体颗粒的起始流化速度的表达式。 式中， d —— 颗粒直径， m ； s 、 —— 分别是固体和流体的密度， −3 kg m ； —— 流体的粘度， Pas ； K'' —— 康采尼（Kozeny）常数； Emf —— 起始流化的床层空隙率； Lmf ——起始流化床层厚度， m ； Cmf ——起始流化系数； 10-4 流化的带出速度 t u t u 是流化床流体速度的上限， mf u 就是流化床流速的下限了。 下面介绍一种计算 t u 的简易算法。 （1） 首先用斯托克斯定律计算 ' t u ，即 18 ( ) ' 2 d g u s t − = （2） 算出此时的雷诺数， ' ' t et du R = （3） 利用图 10-4 以求取修正系数 t f ， t f 为实际沉降速度 t u 与按斯托克斯定律计算的 沉降速度 ' t u 的比值。 t f ＝ t u / ' t u t u ＝ t f ' t u ＝ t f 18 ( ) 2 d s − g ……………（Ⅱ） 由式（Ⅱ）可以确定沉降速度。修正系数 t f 可以从图 10-4 查得。 对于非球形颗粒，可用非球形颗粒较正系数 C 乘以按球形颗粒计算的 t u ，最后即得到非 球形颗粒的带出速度。C 的数值可按式（Ⅲ）进行计算。 0.065 0.843log s C = ……………………（Ⅲ） 关于流化床的操作速度，理论上应在最小流化速度和带出速度之间
1.0 0.8 0.4 0.2 0.1 50100 R 图10-4不适合斯托克斯定律时的修正系数(球粒) 10-5流化速度计算举例 【例10-1】计划将某种固体颗粒在流化床流化,如果其中d>0.25mm的颗粒必须避 免带出,求床层允许气速理论上的最大和最小值。 已知:p,=1450kg·m3; 1:筛析平均尺寸d=0.45mm 空气t=200℃:M=260×10-3Pas;p=0747kg·m3 解:(1)床层起始流化速度由式(Ib)得: l2=0.00923 =0023045×10)07471430-074)=0077ms (26×10-35)088 0.747 检验:R dump(045×103)767×10-)0747) 2.6×10 0.45×7.67×0.747×10 26×10-5 0.992<5所得m无须校正。 (2)床层带出速度,以d=0.25mm的l1计算 用简易方法计算 b,d2(p,-p)g(025×10-)2(1450-0747)x981 18 18×26×10 899m·s
5 图 10-4 不适合斯托克斯定律时的修正系数（球粒） 10-5 流化速度计算举例 【例 10-1】 计划将某种固体颗粒在流化床流化，如果其中 d > 0.25 mm 的颗粒必须避 免带出，求床层允许气速理论上的最大和最小值。 已知： 3 1450 − s = kg m ； s = 1 ； 筛析平均尺寸 d＝0.45 mm 。 空气 t＝200℃ ； = Pa s −5 2.60 10 ； 3 0.747 − = kg m 。 解：（1）床层起始流化速度由式（Ⅰb）得： 0.88 1.82 0.94 [ ( )] 0.00923 − = s mf d u 2.6 10 0.747 (0.45 10 [0.747(1450 0.747)] 0.00923 5 0.88 3 1.82 0.94 − = − − （ ） ） 1 0.0767 − ＝ ms 检验： 5 3 2 2.6 10 (0.45 10 )(7.67 10 )(0.747) − − − = = mf e du R 0.992 5 2.6 10 0.45 7.67 0.747 10 5 5 = = − − 所得 mf u 无须校正。 （2）床层带出速度，以 d＝0.25 mm 的 t u 计算： 用简易方法计算 1 5 2 3 2 1.899 18 2.6 10 (0.25 10 ) (1450 0.747) 9.81 18 ( ) ' − − − − = − = m s d g u s t ＝
(R. du,p 10-×1.899×0.74 13.63 2.6×10 查图10-4得校正因子f=061 ly=f,u1=0.61×1.899=1.158m.s-1 计算所得的lm和u,值理论上应为可允许的气速的最小值和最大值。 §2气力输送概述 10-6气力输送 当流化床中的气速大于带出速度u,时,即开始了流态化的气力输送阶段。这种利用气 体的流动来输送固体颗粒的操作,称为气力输送。气力输送是一种先进的输送方法。广泛用 于仓库、码头和工厂内外,用来输送粉状、粒状、片状的散碎物料 气力输送的优点是:(1)结构简单,易于实现连续化和自动化操作。(2)生产能力大 可沿任何方向输送。(3)系统密封,可减少物料损失,保持环境卫生。缺点是动力损耗大 物料对管道磨损大 气力输送可分为引风式操作和压风式操作。 气力输送的实际汽速u1肯定比带出速度u1要大得多,但具体确定是多少,一般根据经 验进行设计。可参考表10-1所列数据。 表10-1气流速度的经验系数表 输送物料情况 气流速度u 输送物料情况 气流速度u 散物料在垂直管道中u≥(13~17u(有两个弯头的垂直或倾斜管u≥(24-40u 松散物料在倾斜管道中U≥(15~19)ut管路布置较复杂时 U≥(26~5.0)ult 松散物料在水平管道中U≥(18~20)u细粉状物料 U≥(50~100)ut 有一个弯头的上升管 U≥2.2ut 由于气力输送过程复杂,目前还没有成熟的理论可以遵循,多数参考经验公式进行设计。 6
6 13.63 2.6 10 ' 0.25 10 1.899 0.747 ( )' 5 3 − ＝ − = = t et du R 查图 10-4 得校正因子 t f ＝0.61 t u ＝ t f ' t u ＝0.61×1.899＝1.158 −1 m s 计算所得的 mf u 和 t u 值理论上应为可允许的气速的最小值和最大值。 §2 气力输送概述 10-6 气力输送 当流化床中的气速大于带出速度 t u 时，即开始了流态化的气力输送阶段。这种利用气 体的流动来输送固体颗粒的操作，称为气力输送。气力输送是一种先进的输送方法。广泛用 于仓库、码头和工厂内外，用来输送粉状、粒状、片状的散碎物料。 气力输送的优点是：（1）结构简单，易于实现连续化和自动化操作。（2）生产能力大， 可沿任何方向输送。（3）系统密封，可减少物料损失，保持环境卫生。缺点是动力损耗大， 物料对管道磨损大。 气力输送可分为引风式操作和压风式操作。 气力输送的实际汽速 1 u 肯定比带出速度 t u 要大得多，但具体确定是多少，一般根据经 验进行设计。可参考表 10-1 所列数据。 表 10-1 气流速度的经验系数表 输送物料情况 气流速度 u 输送物料情况 气流速度 u 松散物料在垂直管道中 U≥（1.3～1.7）u t 有两个弯头的垂直或倾斜管 U≥（2.4～4.0）u t 松散物料在倾斜管道中 U≥（1.5～1.9）u t 管路布置较复杂时 U≥（2.6～5.0）u t 松散物料在水平管道中 U≥（1.8～2.0）u t 细粉状物料 U≥（50～100）u t 有一个弯头的上升管 U≥2.2u t 由于气力输送过程复杂，目前还没有成熟的理论可以遵循，多数参考经验公式进行设计