流态化技术
流态化技术
第一章
定义：流态化是一种使固体颗粒通过与气体或液体（流体）接触而转变成类似流体状态的操作。
一、流态化形成的过程
1．固定床阶段
气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力
空隙率ε=床层体积-固体颗粒总体积
床层体积
2．流态化床阶段
气流对颗粒的浮力 = 颗粒受到的重力 压降△P = 单位截面积上床层物料的重量 U ↑→ε↑→L ↑，但L (1-ε) 不变∴∆P 不变
3. 气力输送阶段 (气流床）
气流对颗粒的曳力 + 气流对颗粒的浮力 > 颗粒受到的重力
Umf ——临界流化速度，是指刚刚能够使固体颗粒流化起来的气体空床流化速度，也称最小流化速度。
Ut ——带出速度，当气体速度超过这一数值时，固体颗粒就不能沉降下来，而被气流带走，此带出速度也称最大流化速度。
操作速度、表观流速（U ）——是指假想流体通过流化床整个截面（不考虑堆积固体粒子）时的截面平均流速（也称空塔速度或空管速度），用U 表示。
注意P2图1.2两条线不重合的原因：该页第四段（非自然堆积）
二、形成流态化的条件
1. 有固体颗粒存在2. 有流体介质存在3．固体与流体介质在特定条件下发生作用
三、流态化过程具有的特点
1. 类似液体的特性（物性参数）2. 固体颗粒的剧烈运动与迅速混合 3. 强烈的碰撞与摩擦
4. 颗粒比表面积大 5. 气体与颗粒的接触时间不均匀
四、流态化过程中的不正常现象
1．沟流2. 腾涌 3. 分层 4. 气泡
五、气-固流化床的一般性评价
1．良好的床层均温性 2．较高的传热传质速率 3．输送能力大
4．可利用或加工粉末状物料
流态化可以分为聚式流化态和散式流化态。
气泡相：就是内部几乎没有固体颗粒，仅在其边壁或 外表面 有固体颗粒环绕的运动空间
乳化相：指的是固体颗粒与气体介质的混合区域
第二章
A 类： 细 大多数工业流化床反应使用的催化剂属于此类。
B 类: 粗 鼓泡床大都用此颗粒
C 类： 极细 在气固催化反应中很少采用，但同相加工中采用较多，如明矾综合利用。
D 类：极粗 只适用于喷动床中，如谷物干燥和煤粒燃烧均属于此类
书上图2.4分析理想与实际的区别
（1）存在一个“驼峰”BCD，原因：初始时颗粒排列紧密
（2）DE 线右端向上倾斜，原因：颗粒间碰撞和颗粒与器壁摩擦引起的损失
（3）有波动（气固系统），原因：气泡运动、破裂
φs =(球体的表面积) 颗粒的表面积球体体积与实际颗粒体积相等
算术平均粒径最大 几何平均粒径次之 调和平均粒径最小 （会选择公式） 通常求临界流化速度的两种方法：实验和计算P19
例题
已知催化剂颗粒的平均直径为98um ，在20℃ 和0.1MPa （1atm ）下用空气进行流化。有关物性参数如下：
ρs =1g /cm 3, φs =1, ρf =0. 001204g /cm 3
μ=1. 78⨯10-5pa . s , εmf =0. 4
试求在此条件下的临界流化速度。
解：假定Re
1503εmf μ 1-εmf ⎝⎫⎪g ⎪⎭
U mf 1⨯9. 8⨯10=150-623⎫(1-0. 001204) ⨯103⎛ 0. 4⎪⨯9. 8 1-0. 4⎪ 1. 78⨯10-5⎝⎭
=3. 76⨯10-3m /s
验证Re ，Re =
=U mf ρf d p μ=0. 025
1. 78⨯10-5 所以假定成立
浮重力与摩擦阻力相等时所对应的颗粒速度即为颗粒的终端速度U t 会求雷诺数R e =d p u ρ
μ
在流态化技术中，通常将操作气流速度U 与起始流态化速度U mf 之比称为流化数N 。
第三章
简单两相理论定义：高于临界流态化所需的气体流量为超流量。两相理论是以假设超流量以气泡形式流经床层为基础的。最早的两相理论假定乳化相维持初临界化状态，即空隙率仍为εmf ，其空截面气速仍为Umf ，超流量（U-Umf ）Ab 全部以气泡的形式流经床层
修正后：乳化相中气流速度仍为Umf ，从通过流化床层中的总流量UAb 中减去流经乳化相的气体量 UmfAb (1-b )(b 为气泡滞留量) ，气泡相的总流量应为Ab [U-U mf(1-b )] 。
气泡上升速度仅与气泡的直径有关。
气泡周围被这一循环气体所渗透的区域称为气泡晕
流化床中气泡运动引起的混合现象 ：1. 固体颗粒的混合2. 气体的混合 将膨胀高度与起始流化时的床高之比定义为膨胀比R =L f
L mf =1-εmf 1-ε=ρmf
ρb
气泡相模型：
1. 戴维森模型（简洁）2．国井-列文斯皮尔模型（着眼于整个流化床）
床中只存在U>Ut 的小颗粒，这段允许大颗粒从气流中得到分离的高度称为分离高度TDH(F)
第四章
流化床层与容器壁面，为什么传热速率比较高？
答：由于硫化床层中的气体与固体颗粒的激烈搅拌与混合，造成气-固两项之间接触面积很大，杰出效果良好，对两相之间的床层温度与湿度，都非常均匀。
传热的动力是温差，传质的动力则是浓度差
影响气体与颗粒间传热、传质过程的因素有：
(1)气体与颗粒间的相对速度U0，这是一个很重要的参数，也是流化床的主要操作参数之一；
(2)流体的物理性质，如ρ、λ、c 、μ（ν）等；
(3)颗粒的平均直径dp 。
影响流化床中气体与固体颗粒间传热传质的主要因素：
1流化速度 2气泡的直径
3床截面积与布风板 4颗粒平均直径
5气体的物性参数
影响流态化床层与壁面之间换热的因素有：
1. 流化床的操作参数，如表观气速U 、ε等；
2. 物性参数dp 、 μ、λ、ρ、cp ；
3. 几何参数，如DT 、L 等。
流态化床层与壁面间的传热机理
1．膜控制机理（边界层模型）2．乳化团传热机理
3．固体颗粒传热＋边界层传导机理
第五章
流化床燃烧特点：
1. 燃料适应性广 2. 煤粒在流化床内有较长的停留时间
3 清洁燃烧 4. 负荷调节性能好 5. 灰渣综合利用性能好
6. 流化床燃烧热强度大 7. 床内传热能力强
煤粒的燃烧过程：(1)煤粒被加热和干燥；(2)挥发分的析出和燃烧；
(3)煤粒膨胀和破裂（一级破碎）；(4)焦炭燃烧和再次破裂（二级破碎）及炭粒磨损 煤在流化床内的燃烧过程大致可分为：挥发分析出燃烧和焦炭燃烧两个阶段 三个不同的燃烧区 1当k >>αk 时，K =αk 此时的燃烧状态称为扩散燃烧。
（k 为化学反应速度 2当k
αk 为传质系数） 3在动力燃烧区与扩散燃烧区之间，叫做过渡燃烧区。 循环倍率：单位时间内送回床内的飞灰量与单位时间内加入床内的燃煤量之比。 影响脱硫效果的主要因素有流化速度、温度、Ca/S摩尔比及脱硫剂特性等。
◆ NO 的生成机理：温度型NO 是指燃烧用空气中的氮气，在高温下氧化产生的氮氧化物
◆ 快速温度型NO 是指碳化氢燃料过多时燃烧产生的氮的氧化物
◆ 燃料型NO 是指燃料中含有氮的化合物，在燃烧过程中氧化而生成氮的氧化物
降低NOX 的方法
(1) T ↓→NO x ↓保证正常燃烧时的T ↓
(2) 分段燃烧
炉膛下部缺氧，有利于CO 对NO 的还原
（3）注射NH 3
在循环流化床炉膛上部或旋风分离器上部
注射适量的NH 3, 注意控制α，[O ]不超过5%~6%
NH 3+NO →N 2
（4）低O 燃烧
α↓→NO ↓
α↓→CO ↑→NO ↓
循环倍率：分离器循环灰量与给煤量之比（与之前意思相同）。
第六章
流态化装置需要确定的内容 ：
床型 、床径、床高、换热系统和操作控制 、粉粒回收系统 、布风板和预分布器 、内部构件 、给料和排料系统。
◆ 影响流化质量的因素：固体颗粒的性质 包括：颗粒的粒度及其分布、颗粒密度ρs 、颗粒的形状系数φs 、颗粒的流动性、颗粒的特殊性质等。 ◆ 流体的性质 ρf 、μ 、流体的平均操作速度和进床速度、方向和分布 ◆ 床高-直径比L0/DT
◆ 内部构件
流化床的操作速度P80(什么时候高？什么时候低？)
1、布风板开孔率较大，超过一定值，可以发现，开
始流化后总压降开始下降，然后再上升，如图ab
线。具有这种特性的布风板称为低压降布风板。 (不
稳定)
2、布风板开孔率较小，则总压降始终随流速增加
而上升，如图中ac 线。这种布风板称为高压降布风
板。（不经济）
3、在高压降和低压降之间有一种特殊情况，如曲线ad ，即开始流化后，总压降为一定值保持不变，这时的布风板就称等压降布风板，而与此情况相应的开孔率即称为初始开孔率ak 。 布风板压降∆P 1=ξu 2ρf
2ga 2（ξ阻力系数、u 流化速度、a 布风板的开孔率、ρf 流体密度、
g 重力加速度）
分布装置的作用有三：
（1）它必须具有均匀分布流体的作用，同时其压降又最小。这可以靠正确地选取布风板的开孔率或布风板压降与床层压降之比，以及选择适当的预分布手段来达到；
（2）它必须使流化床有一个良好的起始流化状态，保证在布风板附件创造一个良好的气-固接触条件，使所有颗粒都动起来，从而排除形成“死床”的可能；
（3）在长期操作过程中，布风板不被堵塞和磨蚀。在操作过程中或在突然停止操作后，固体颗粒不流入布风板下面，以免造成恶劣后果。
风室的作用：具有气流分配的作用。
第七章
流态化技术用作反应器的性能的优点：
1、颗粒流动平稳，类似液体，其操作可连续自动控制，且易处理；
2、固体颗粒混合迅速，反应器内易于处于等温状态，操作可以简单而可靠地加以控制；
3、固体颗粒在两个流化床层之间循环，使得大型反应器中产生的或需供给的大量热量 有传递的可能；
4、宜大规模操作；
5、气体和固体颗粒之间的传热和传质速率较其它接触方式为高；
6、流化床与浸没在床层中构件之间的传热速率较高，因此流化床中所需换热面积较少。