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（）的关系如图10-3所示。
图10-3 流化床的～u曲线
（1）固定床阶段。图10-3中的曲线a段（虚线），表明与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，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。当u再增加，颗粒有带出，越带出越多，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，到达速度处，颗粒全被气流带走，空隙率E趋近于1，最低，此时开始气力输送阶段。如曲线中的e段。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（）曲线不是由b→a返回，而是b→a’（实线）返回。a’段显示的比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
起始流化速度，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,
在点, ……………（a）
对于流化床，压降关系为：
在点, ……………（b）
联立式（a）、（b）得：
…………………（c）
由于，而球形颗粒的比表面，代入式（c）得：
………………（Ⅰ）
令,对于光滑球体，＝0.4,＝1,
………………（Ⅰa ）
当时,，代入式（Ⅰ）得：
………………（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 ；、—— 分别是固体和流体的密度，；
—— 流体的粘度,； —— 康采尼（Kozeny）常数；
—— 起始流化的床层空隙率； ——起始流化床层厚度,m ；
——起始流化系数；
10-4 流化的带出速度
是流化床流体速度的上限，就是流化床流速的下限了。
下面介绍一种计算的简易算法。
首先用斯托克斯定律计算，即
算出此时的雷诺数,
利用图10-4以求取修正系数，为实际沉降速度与按斯托克斯定律计算的沉降速度的比值。
＝/
＝＝ ……………（Ⅱ）
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，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。
……………………（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。
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,； ； 筛析平均尺寸d＝0.45 mm 。
空气 t＝200℃ ； ； 。
解：（1）床层起始流化速度由式（Ⅰb）得：
检验：
所得无须校正。
（2）床层带出速度，以d＝0.25 mm 的计算：
用简易方法计算
查图10-4得校正因子＝0.61
＝＝0.61×1.899＝1.158
计算所得的和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肯定比带出速度要大得多，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。
§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（）的关系如图10-3所示。
图10-3 流化床的～u曲线
（1）固定床阶段。图10-3中的曲线a段（虚线），表明与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，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。当u再增加，颗粒有带出，越带出越多，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，到达速度处，颗粒全被气流带走，空隙率E趋近于1，最低，此时开始气力输送阶段。如曲线中的e段。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（）曲线不是由b→a返回，而是b→a’（实线）返回。a’段显示的比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
起始流化速度，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,
在点, ……………（a）
对于流化床，压降关系为：
在点, ……………（b）
联立式（a）、（b）得：
…………………（c）
由于，而球形颗粒的比表面，代入式（c）得：
………………（Ⅰ）
令,对于光滑球体，＝0.4,＝1,
………………（Ⅰa ）
当时,，代入式（Ⅰ）得：
………………（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 ；、—— 分别是固体和流体的密度，；
—— 流体的粘度,； —— 康采尼（Kozeny）常数；
—— 起始流化的床层空隙率； ——起始流化床层厚度,m ；
——起始流化系数；
10-4 流化的带出速度
是流化床流体速度的上限，就是流化床流速的下限了。
下面介绍一种计算的简易算法。
首先用斯托克斯定律计算，即
算出此时的雷诺数,
利用图10-4以求取修正系数，为实际沉降速度与按斯托克斯定律计算的沉降速度的比值。
＝/
＝＝ ……………（Ⅱ）
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，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。
……………………（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。
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,； ； 筛析平均尺寸d＝0.45 mm 。
空气 t＝200℃ ； ； 。
解：（1）床层起始流化速度由式（Ⅰb）得：
检验：
所得无须校正。
（2）床层带出速度，以d＝0.25 mm 的计算：
用简易方法计算
查图10-4得校正因子＝0.61
＝＝0.61×1.899＝1.158
计算所得的和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肯定比带出速度要大得多，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。
