固体流态化

固体流态化

    简单来说，固体流态化就是固体物质流体化。流体以一定的流速

通过固体颗粒组成的床层时，可将大量固体颗粒悬浮于流动的流体

中，颗粒在流体作用下上下翻滚，犹如液体。这种状态即为流态

化。

    流态化是目前化学工业以及其他许多行业（譬如能源、冶金等）

广泛使用的一门工业技术。在化学工业中主要用以强化传热、传

质，亦可实现气固反应、物理加工乃至颗粒的输送等过程。

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一、流态化现象

  当一种流体自下而上流过颗粒组成的床层时，因流速不同会出现不同的情况：
    1、固定床阶段  当流体通过床层的空截面流速较低时，床层空隙中流体的实际流速u小于颗粒的沉降速度ut，则颗粒静止不动，为固定床。
    2、流化床阶段
（1）临界流化床
    当u增大到一定程度时，颗粒开始松动，床层开始膨胀，u继续升高，床层开始继续膨胀，直到刚好全部颗粒都悬浮在向上流动的流体中。此时，颗粒所受浮重力与流体和颗粒之间的摩擦力相平衡，称初始或临界流化床。
   （2）流化床  当流速继续增加，床层L亦不断升高，此即为流化床。液固系统床层平稳渐增，如图（c）；气固系统则出现鼓泡和气体沟流现象，搅动剧烈，固体颗粒运动活跃，象沸腾的液体，因此亦称沸腾床。
3、颗粒输送阶段
    当流体在床层中的实际流速超过颗粒的沉降速度ut时，流化床上界面消失，颗粒将随流体被带出容器外，此为输送床，

流态化操作类型
1、以流化介质分：

    1）气—固流化床  以气体为流化介质。目前应用最为广泛，如各

种气—固相反应、流化床燃烧、物料干燥等。

    2）液—固流化床  以液体为流化介质。这类床问世较早，但不如

前者应用广泛。多见于流态化浸取和洗涤、湿法冶金等。

    3）三相流化床  以气、液体两种流体为流化介质。这种床型自七

十年代有报道以来发展很快，在化工和生物化工领域中有较好的应

用前景。

以流态化状态分：

    1）散式流态化  固体颗粒均匀地分散在流化介质中，亦称均匀流

化或理想流化。此流化状态有以下特点：a：在流化过程中有一个明

显的临界流态化点和临界流化速度；b：流化床层的压降为一常数；

c：床层有一个平稳的上界面；d：流态化床层的空隙率在任何流速

下都有一个代表性的均匀值。不因床层内的位置而变化。

    通常，两相密度差小的系统趋向形成散式流化，故大多数的液

—固流化为散式流化。

    2）聚式流态化  不具备散式流化特点的系统为聚式流化。一般密

度差较大的系统（如气—固系统）趋向于形成聚式流化。

    聚式流化的特点是：当流速大于临界流化速度

后，流体不是均匀地流过颗粒床层，一部分流体不与固

体混合就短路流过床层。如气—固系统，气体以气泡形

式流过床层，气泡在床层中上升和聚并，引起床层的波

动。因气泡的存在，流化床被分成两相，一相为空隙率

小而固体密度大的气—固均匀混合物构成的连续相，称

为乳化相；另一相则是夹带少量固体颗粒而以气泡形式

通过床层的不连续相，称为气泡相。

从有无加力场分：

    1）振动床：外加振动力场。

    2）磁力床：外加磁场。

    3）声场床：外加声场。

4、从床的结构分：

    常规流化床、多层床、多级床等。

流化床流动阻力

一、理想流化床的压强降

    理想情况下，克服流化床层的流动阻力而产生的压强降与空截

面流速的关系如图。

1、固定床阶段

    在气体速度较低时，颗粒床层静止不动，气体从颗粒空隙中穿

流而过。随着气速的增加，气体通过床层的摩擦阻力也相应增加

（如OB段）。

    对于随意充填的粒度均匀的颗粒床层，厄根（Ergun）得出求算

固定床压强降的半径公式：



2、流化床阶段

    在流化床阶段，整个床层压强降保持不

变，其值等于单位面积床层的净重力。如图

中的BC段。

    流化阶段中床层的压强降可根据颗粒与流体间的摩擦力恰与其

净重力平衡的关系求出，即：

     △pAt=W=AtL（1-ε）（ρs-ρ）g

    当流速进一步增大时，床层空隙率和高度均增加，但△p维持不

变。

    由于气固系统中，气体的密度和固体相比可以忽略，故△p约等

于单位面积床层的重力。

3、气体输送阶段

    气体输送阶段时，流速进一步加大，气流中颗粒浓度降低，由密

相变为稀相，相成两相同向流动状态，压强降降低并因密相和稀相

而情况复杂。此不细述。

实际流化床的压强降

    实际流化床的情况较为复杂，其△p与u的关系如图所示，它与

理想流化床的曲线有显著区别。

    １、在固定床和流化区域有一个“驼峰”

，这是因为固定床颗粒之间相互靠紧，而互

相之间有一定摩擦力，因而需要较大的推动

力才能使床层松动。直到颗粒松动到刚能悬

浮时，△p才降到水平阶段。此时压强降基本不随气速而变。当降低

流化床气速时，压强降沿DC'A'变化。

    2、流化区域D点附近曲线略向上倾斜。这表明气体通过床层时的

压降除绝大部分用于平衡床层颗粒的重力外，还有少部分能量消耗

于颗粒之间的碰撞及颗粒与容器壁面之间的摩擦。

    3、A'C'和C'D分别表示流化床阶段和固定床阶段。两线的交点

C'为临界点，对应有、临界流化速度umf，临界空隙率εmf，它比原

始固定床的空隙率ε稍大。

    4、C'D'线的上下各有一条虚线，表示气体流化床的压强降波动

范围，C'D为两条虚线的平均值。之所以波动是由于气泡在向上运动

的过程中不断长大，到床面破裂。在气泡运动、长大、破裂的过程

中产生压强降的波动。

流化床的操作范围

    要使固体颗粒床层在流化状态下操作，必须使气速高于临界流

速umf，而最大气速以不得超过颗粒的沉降速度，否则颗粒会被气流

带走。

（一）临界流化速度umf

    临界流化速度是流化操作的最小速度，其确定方法有两种。

1、实测法

    测取从流化床回到固定床的一系列压强降与气体流速的对应数

值。将这些数值标在对数坐标上，得到如图A'C'D的曲线，C'点对应

的流速即为所测的临界流化速度。

    测定时常用空气作流化介质，最后据实

际生产中的不同条件加以校正。

   

2、计算法

    临界点是固定床与流化床的共同点，所

以，临界点的压强降既符合流化床的规律也符合固定床的规律。因

此，理论上把固定床压强降和流化床压强降联立可解得umf。

   

   △p=L（1-ε）（ρs-ρ）g  联立得：

      其中：       称阿基米得数

上式对不同的流型可以化简

     1）当颗粒直径较小，Rep<20，可只考虑粘性损失



    2）对于大颗粒，Rep>1000的情况，可只考虑因局部阻力而造成

的动能损失。



    以上计算要求流化床由均匀颗粒组成，否则应该改为粒群平均

当量直径。

    对于球形颗粒，有εmf=0.4，φs=1.0，以上计算可进一步化简。

对于其它许多系统，发现存在以下关系，

   

    当εmf及φs的值未知时，用上述关系代入可得近似计算式：
   
   

    上述处理方法只适用于颗粒分布较为均匀的混合颗粒床层，不能

用于固体粒度差异很大的混合物。

    两种得到umf的方法以实测法为准，当缺乏实验条件时，可用计

算法估算。

带出速度

    颗粒带出速度即为颗粒的沉降速度，计算同前，即：

   

     注意：计算umf时要用实际存在于床层中不同粒度颗粒的平均直径

dp，而计算ut时则必须用相当数量的最小颗粒的直径。

（三）流化床的操作范围

    流化床的操作范围即为空截面速度的上下限，用比值ut/umf的

大小来衡量，称流化数。

    对于细颗粒，ut/umf=91.7  大颗粒，ut/umf= 8.62

    由此可以看出，细颗粒流化床较粗颗粒床有更宽的流速操作范

围。
    实际上，工业生产中的流化床，比值可以更大，有些可高达数

百，远远超过上述高限值。这是因为，在操作气速几乎超过所有颗

粒的带出速度时，夹带现象虽有，但不严重。大部分气流是以大气

泡的形式通过床层的，大部分颗粒仍处在气速较低的乳化相中。

你好;版主.硅油在冶金的作用与你分析的固体流态化是一回事吗?硅油在里边起什么作用.谢谢!

不是一回事,我说的是流化床反应器,硅油是后面做出来的

能说一下 有机硅单体的生产过程吗 ?

斑竹，好样的，上的又精华，又不泄密！真当的高人啊！
好好象你学习。

多上点吧！我看现在很多的人员需要这样的实用的基础知识

不好意思啊,都是粗粮,看了你写的东西,我想应该是认识你的.