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。