流化床的流体力学特性课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,一、流化床的压降,受力及求解,流化床阶段，固体颗粒悬浮于气流中，处于平衡状态,p,A +f = W,其中，,f =,f,gV,p,=,f,g,A L,（,1 -,）,W =,p,g,V,p,=,p,g,A L,（,1 -,）,p,A,f,浮,W,L,p=,g,L,（,p,-,f,）,（,1-,） （,1-10,）,床层厚度,1一、流化床的压降受力及求解pAf浮WLp=gL（p,2,一、流化床的压降,讨论,p=,g,L,（,p,-,f,）,（,1-,）,气体流化床中，压力不太高时,p,f,， （,1-10,）可简化为：,p=,p,g,L,（,1-,）,非理想状态：,颗粒之间、颗粒与器壁之间存在摩擦力，消耗能量，所以：,u,，,p,有所增加，略高于静压强,近似等于床层,静压强,单位面积床层所受重力,p,A,f,浮,W,摩擦力,2一、流化床的压降讨论近似等于床层静压强pAf浮W摩擦力,3,一、流化床的压降,解锁,u U,mf,，,p,u；,u,，,m,mf,，,p,max,床层静压,p,进入流化床阶段,原因,p,A,f,浮,W,摩擦力,气体流化床压降与气体表观流速的关系,空气表观流速,u,（,m/s,）,p,（,Pa,）,3一、流化床的压降解锁pAf浮W摩擦力气体流化床压降与气,4,一、流化床的压降,流体流速较低时，,固定床阶段,，床层的压降与流速近似呈正比,随着流体流速的增加，床层压降存在,p,max,，其值比床层静压稍大,流速继续增加，压降降至床层静压，从而进入流化床阶段,这种现象也叫做床层“解锁”。,原因：床层从固定床转变为流化床时存在“惯性”,4一、流化床的压降流体流速较低时，固定床阶段，床层的压降与流,5,二、固定床的压降,p,m,-,固定床压降,L,m,-,固定床床层厚度,m,-,固定床孔隙率,u -,表观流速,s,-,颗粒形状系数,d,p,-,颗粒直径（平均粒径替代,）,5二、固定床的压降pm- 固定床压降 Lm-固定床,6,二、固定床的压降,6二、固定床的压降,7,二、临界流化速度,经验公式：,p=,g,L,（,p,-,f,）,（,1-,）,（,1-12,）,7二、临界流化速度经验公式：（1-12）,8,二、临界流化速度,8二、临界流化速度,9,二、临界流化速度,实测,-,为克服解锁的影响,u,，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,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,两条直线的交点即临界流态化点,9二、临界流化速度实测-为克服解锁的影响,10,临界流化速度的实测,10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,=,颗粒沉降时的终端速度,可求,11三、极限速度/终端速度流体的极限速度=颗粒沉降时的终端速,计算流体中沉降颗粒的终端速度曲线图,Re,p,例题见课本,p11,例,1-3,计算流体中沉降颗粒的终端速度曲线图Rep例题见课本p11例1,13,试计算双层流态烘干机烘干粘土时，上下层临界流化速度、终端速度、工作速度。已知：,平均颗粒粒径：,dp,0. 563mm,；,13试计算双层流态烘干机烘干粘土时，上下层临界流化速度、终端,14,14,15,求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度,思路,临界流化速度的计算,考虑混合气体的密度及粘度,首先确定混合气体温度,-,平均值,该温度下气体密度的计算,-,平均值,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,未知,未知,进气密度,出气密度,进气温度,出气温度,15求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度思路未知未知进气,16,思路,终端速度的计算,工作速度,求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度,可查,16思路求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度可查,17,求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度,17求上下层临界流化速度，终端速度，工作速度,18,18,19,以上计算说明，流态化烘干机的工作速度处于,u,mf,和,u,t,之间，能够进行流态化操作,穿过篦板的速度,19以上计算说明，流态化烘干机的工作速度处于umf和ut之间,20,第三节 流化床内的传热和传质,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,1.,流化床的床层温度,2.,气体和固体颗粒间的传热,流化床内的传质,1.,传质过程,2.,颗粒与气体间传质系数计算,21第三节 流化床内的传热和传质流化床内的传热,22,一、流化床内的传热,1,、流化床的床层温度,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，颗粒循环速度很大，粒子发生强烈扰动,适用：,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，工业上广泛应用,22一、流化床内的传热1、流化床的床层温度,23,湍流,湍流是,流体,的一种流动状态。流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为,层流,（片流）；逐渐增加流速，流体的,流线,开始出现波浪状摆动，摆动频率及振幅随流速的增加而增加，称为过渡流；流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称为湍流，又称乱流、扰流或紊流。,23湍流湍流是流体的一种流动状态。流速很小时，流体分层流动，,24,一、流化床内的传热,传热面积相当大,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，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以供给或排出反应过程中的热量,24一、流化床内的传热传热面积相当大,25,一、流化床内的传热,2,、气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,床层与固体壁间的传热,水泥工业生产实践,流化床内的换热器,25一、流化床内的传热2、气体和固体颗粒间的传热水泥工业生产,26,一、流化床内的传热,2,、气体和固体颗粒间的传热,气体在分布板上很短的距离内，温度会发生急剧变化，,传热区域的高度为,：,床层温度,Ts,分布曲线,自分布板距离，,mm,气体温度,Ts,26一、流化床内的传热2、气体和固体颗粒间的传热床层温度Ts,27,一、流化床内的传热,2,、气体和固体颗粒间的传热,仅适用于粒径,0.36,1.1mm,的颗粒，气、液相均可，范围外需修正,抽气式热电偶测定气体温度回归而得，为真实传热系数；但易受环境辐射影响，误差较大,27一、流化床内的传热2、气体和固体颗粒间的传热仅适用于粒径,28,二、流化床内的传质,1.,传质过程,当在单一相,(,气相、液相或固相,),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，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。,传质过程是一种物理现象,传质动力,-,浓度差,传热动力,-,温度差,28二、流化床内的传质1. 传质过程,29,二、流化床内的传质,2.,颗粒与气体间传质系数计算,(,流化床,),29二、流化床内的传质2.颗粒与气体间传质系数计算(流化床),30,第四节 流化床装置设计,30第四节 流化床装置设计,31,气体分布装置,内部构件,气固分离装置,原料流体的加料装置,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,31气体分布装置流态化技术应用领域非常广泛，使用目的不同，装,32,通常要确定的内容,床型,直径和高度,分布板和预分布器,内部构件,粉粒回收系统,给、排料系统,换热系统、操作控制,流化床内的换热器,32通常要确定的内容流化床内的换热器,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。,床型选择,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,34,流化床体直径和,高度,的确定,床体高度：指分布器以上至气体排出口之间的距离,当气体通过流化床而达到床层表面时，其气泡破裂，微小的粒子被气体夹带，这些微小粒子由于其粒径大小不同而由大至小从床层表面上逐渐沉落。,粒子飞出模型,u,bt,-,床层界面表观流速,气体喷出后,流体减速,34流化床体直径和高度的确定床体高度：指分布器以上至气体排出,35,夹带高度,气体速度由于孔隙率的增大而逐渐减小，当达到一定高度时，颗粒不向下沉降，气体速度不再减小，这时，床层表面到该点的距离称为夹带分离高度,(,TDH-Transport Disengaging Height,),TDH+,床层高度,=,床体最小高度值,输出口高度,m,表观流速,m/s,输出口高度与表观流速的关系,35夹带高度气体速度由于孔隙率的增大而逐渐减小，当达到一定高,36,气体分布板的选型和设计,流化床示意图,36气体分布板的选型和设计流化床示意图,37,二、气体分布板的造型和设计,分布板的作用：,支承物料,使气体通过它产生均匀的气流,分布板的设计要求：,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,37二、气体分布板的造型和设计分布板的作用：,38,(,一,),分布板的型式,简单、漏料、易弯曲,简单、不漏料,很好的支持荷重，不弯曲，注意开孔,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。,加工易，但气体分布均匀性较差,不漏料，复杂,分布板型式,38 (一)分布板的型式简单、漏料、易弯曲简单、不漏料很好的,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，作用在分布板上的静压头急剧波动。,只有当气流通过分布板时的压降增大至以上不均匀性可忽略时，整个床面的气体分布状况才能比较均匀。,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,10,以上，气流沿整个截面分布才比较均匀,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,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，就必须使分布板具有适当的开孔率（开孔总面积,/,分布板面积）,计算步骤（见课本,P17,）：,a,：确定多孔板压降,b,：确定气流通过锐孔速度,c,：确定开孔率,d,：确定分布板孔数,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,41,第五节 流化床的工业应用,密相气固流化床的优点,传递过程加速,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，而不至增加单位功率消耗,可以在较小的设备容积内，处理大量物料,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，易于实现连续的自动化操作,设备简单，基建费用不高。,41第五节 流化床的工业应用密相气固流化床的优点,42,密相气固流化床的优缺点,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,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,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,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，有时需采用多层流化床叠加操作,易产生特殊流态化,42密相气固流化床的优缺点密相气固流化床的缺点,固定床,密相流化床,气力输送床,移动床,颗粒有定向移动,喷腾床,中心稀相，周边密相,稀相悬浮床,气固同向,散落床,气固逆流,水泥工业中流化床应用实例,固定床密相流化床气力输送床移动床喷腾床稀相悬浮床散落床水泥工,44,水泥工业中流化床应用实例,固定床,生料球堆积在篦子上，间歇生产的土立窑、层状燃烧室,移动床,篦板定向移动，颗粒随之前进,流化床,-,水泥生料分解炉，流态化燃烧炉,喷腾床,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，周边固体回流形成密相,稀相悬浮床旋风式生料预热器,散落床,浆自上而下呈雾状快速喷于气流中与热气流逆向运动,44水泥工业中流化床应用实例固定床生料球堆积在篦子上，间歇,45,end,45end,46,46,47,47,48,(,二,),多孔分布板的设计,48(二)多孔分布板的设计,49,穿过篦板的速度,49穿过篦板的速度,