实验4流化床基本特性的测定.doc

实验流化床特性测定 流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并使固体颗粒具有某些流体特征的一种床型，它是流态化现象的具体应用，已在化工、能源、冶金、轻工、环保、核工业等部门得到广泛应用。化工领域中，加氢、烯烃氧化、丙烯氨氧化、费-托合成及石油的催化裂化等均采用了该技术。因此，它是极为重要的一种操作过程。 流化床反应器的重要特征是细颗粒催化剂在上升气流作用下作悬浮运动，固体颗粒剧烈地上下翻动。这种运动形式使床层内流体与颗粒充分搅动混和、物料连续、结构紧凑、传质速度快、传热效率高、床层温度分布均匀，避免了固定床反应器中的热点现象， 但操作中会造成固体磨损、床层粒子返混严重、反应中转化率不高等现象。 一、实验目的 1．通过冷模观察聚式和散式流态化的实验现象 2．了解流化床的压降分布原理，通过冷模测定流化床的特定曲线。 3．通过冷模观察得到临界流化速度和带出速度，并。 4．掌握流化床液体停留时间分布的测定方法及实验结果分析。 二、实验原理 1．流化现象 流体从床层下方流入，通过图1中虚线所示的分布板而进入颗粒物料层时，随着流体流速u0的不同，会出现不同的流化现象（图1）。 （1）固定床阶段 流体流速较低时，固体颗粒静止不动，即未发生流化，床层属于固定床阶段（图1（a）），阻力随流体流速增大而增大。 （2）临界流化阶段 流体流速继续增大，颗粒在流体中的浮力接近或等于颗粒所受重力及其在床层中的摩擦力时，颗粒开始松动悬浮，床层体积开始膨胀，当流速继续增大，几乎所有的粒子都会悬浮在床层空间，床层属于初始流化或临界流化阶段（图1（b））。此时的流速称为临界流化速度或最小流化速度umf。 （3）流化阶段 对于液固流化床，当液速ufumf时，由于液体与固体粒子的密度相差不大，此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动程度是平缓的加大的，床层的上界面较为清晰，即床层膨胀均匀且波动较小，床层属于散式流化阶段（图1（c））。散式流态化一般发生在液-固系统。 对于大多数气固流化床，当气速ufumf时，床层发生搅动，气体鼓泡现象开始出现。从开始流态化开始，床层的波动逐渐加剧，但其膨胀程度却不大。因为气体与固体的密度差别较大，气体要将固体颗粒推起来比较困难，所以只有小部分气体在颗粒间通过，大部分气体则汇成气泡穿过床层，而气泡穿过床层时造成床层波动，它们在上升过程中逐渐长大和相互合并，到达床层顶部则破裂而将该处的颗粒溅散，使得床层上界面起伏不定。床层内的颗粒则很少分散开来各自运动，而多是聚结成团地运动，成团地被气泡推起或挤开。气泡的聚并引起床层的剧烈波动，床层中形成很多以气泡为主的稀相空间（床层上部）和以颗粒为主的密相空间（床层下部），床层属于聚式流化或鼓泡流化阶段（图1（d））。聚式流态化一般发生在气-固系统，这也是目前工业上应用较多的流化床形式。 （1） 费劳德数Fr1为均匀的散式流化，Fr1为不均匀的聚式流化。 （4）稀相流化阶段 如果继续加大流体的流速，固体颗粒与流体间的力平衡被打破，床层上界面消失，大部分颗粒被流体带走，床层属于稀相流化（气力输送）阶段（图1（e）），能把固体颗粒带走的流体流速称为粒子的带速度或速度ut。 2．流化床压力降 图2是均匀砂粒的流态化实验曲线，当流体流速较低时，压降与流速在对数坐标图上近似成正比，随着流速的增大，直到最大压力降(pmax（虚线AB），此时为固定床。(pmax略大于床层静压，因为粒子流化除克服静压外，还要克服静止状态下粒子之间的静摩擦力（使床层空隙率由固定床空隙率变化到临界床层空隙率(mf）。粒子完全松动后，流速增加，压降值不再增加，反而又恢复到与静压相等，这时，系统中粒子与流体间达到力平衡，处于完全流化状态。图中C点为临界流化点，对应的流速即为临界流化速度umf。流化阶段，流速增大但床层压降基本保持不变（如图CD实线所示）。当流速超过D点所对应的流速后，粒子开始被流体夹带“出局”，这时如果不连续补充粒子，固体颗粒将会随着流速的增大，完全被带出反应器，床层压力降急剧下降（如图中DG）。D点所对应的流速为最大流化速度，亦称粒子带出速度ut。若逐渐降低流态化床层流体的流速，床层高度亦逐渐降低，到达临界点C点时，床层停止流化。继续降低流速，压力降则沿EF实线（而不是BA虚线下降）。 在流态化状态下，流体向上运动产生的曳力应等于固体粒子的重力W，即 ARΔp=W （） 而 W=（ARLmf）（1-εmf）（(s - (f）g =（ARLf）（1-εf）（(s - (f）g （） 联立式（）和（），得床层阻力计算式 (p = Lmf （1-εmf）（(s - (f）g =Lf（1-εf）（