实验二 固体流态化实验- 西北农林科技大学 植物保护学院

实验二 固体流态化实验

一、实验目的

在化学工业中，经常有流体流经固体颗粒的操作，诸如过滤、吸附、浸取、离子交换以及气固、液固和汽液固反应等。凡涉及这类流固系统的操作，按其中固体颗粒的运动状态，一般将设备分为固定床、移动床和流化床三大类。近年来，流化床设备得到愈来愈广泛的应用。

固体流态化过程又按其特性分为密相流化和稀相流化。密相流化床又分为散式流化床和聚式流化床。一般情况下，气固系统的密相流化床属于聚式流化床，而液固系统的密相流化床属于散式流化床。

本实验的目的，通过实验观察固定床向流化床转变的过程，以及聚式流化床和散式流化床流动特性的差异；实验测定流化曲线和流化速度，并试验验证固定床压降和流化床临界流化速度的计算公式。通过本实验希望能初步掌握流化床流动特性的实验研究方法，加深对流体流经固体颗粒层的流动规律和固体流态化原理的理解。

二、实验原理

当流体流经固定床内固体颗粒之间的空隙时，随着流速的增大，流体与固体颗粒之间所产生的阻力也随之增大，床层的压降则不断升高。

为表达流体流经固定床式的压强降与流速的函数关系，曾提出过许多种经验公式。先将一种较为常用的公式介绍如下：

流体流经固定床的压降，可以仿照流体流经空管式的压强公式（Moody公式）列出。即

2Hm?u0 Δp ??m??dp2 (1)

式中，Hm为固定床层的高度，m;dp为固体颗粒的直径，m; u0为流体的空管速度，m·s –1；ρ为流体的密度，kg · m –3；λm为固定床的摩擦系数。

固定床的摩擦系数λm可以直接由实验测定。根据实验结果，厄贡（Ergun）提出如下经验公式：

1??150λm?2(3m)(?1.75) (2)

?mRem式中，εm为固定床的空隙率；

Rem为修正雷诺数。Rem可由颗粒直径dp，床层空隙率εm，流体密度ρ，流体粘度μ和空管流速u0，按下式计算：

Rem?dp?u0??1

1??m (3)

由固定床向流化床转变时的临界速度umt，也可由实验直接测定。实验测定不同流速下的床层压降，再将实验数据标绘在双对数坐标上，由作图法即可求得临界流化速度，如图1所示。

图1 流体流经固定床和流化床时的压力降

为计算临界流化速度，研究者们也曾提出过各种计算公式。下面介绍的为一种半理论半经验的公式： 当流态化时，流体流动对固体颗粒产生的向上作用力，应等于颗粒在流体中的净重力，即 ΔpS = Hf S(1－εf)(ρs－ρ)g ρ为流体的密度，kg · m –3。

由此可得出流化床压力降的计算式：

Δp = Hf (1－εf)(ρs－ρ)g

(5)

当床层处于由固定床相流化床转变的临界点时，固定床压力降的计算式与流化床的计算式应同时适用。这时，Hf = Hfm，εf = εm,f，u0 = um,f，因此联立(1)和(5)两式即可得临界流化速度的计算式：

(4)

式中，S为床层的横截面积，m2；Hf为床层的高度，m；εf为床层的空隙率；ρs为固体颗粒的密度，kg · m –3；

um,f?[1?m?2dp(1??m,f)(?s??)g?]1/2

(6)

若式中固定床的摩擦系数λm按式(2)计算，则联立(2)和(6)两式即可计算得到临界空隙率。

最后，尚须进一步指出，由实验数据关联得出的固定床压力降和临界流化速度的计算公式，除以上介绍的计算式之外，文献中报道的至今已达数十种之多。但大都不是形式过于复杂，就是应用局限性和误差较大。一般用实验方法直接测量最为可靠，而这种试验方法又较为简单可行。

流化床的特性参数，除上述外，还有密相流化与稀相流化临界点的带出速度uf、床层的膨胀比R和流化数K等，这些都是设计流化床设备时的重要参数。流化床的床层高度Hf与静床层的高度H0之比，称为膨胀比，即

R = Hf / H0

(7)

流化床实际采用的流化速度uf与临界流化速度um,f之比称为流化数即

K = uf / um,f

(8)

三、实验装置

本实验装置采用气－固和液－固系统两套设备并列。设备主体均采用圆柱形的自由床。内分别填充球粒状硅胶和玻璃微珠。分布器采用筛网和填满玻璃球的圆柱体。柱顶装有过滤网，以阻止固体颗粒带出设备。床层上均有测压口与压差计相连接。

图2 液固系统流程图

1．高位稳压水槽 2．水调节阀 3．孔板流量计 3′．倒置U形差计 4．U形压差计

5．滤网 6．床体 7．固体颗粒层 8．分布器

液固系统的流程如图2所示。水自循环水泵或高位稳压水槽，经调节阀和孔板流量计；由设备底部进入。水进入设备后，经过分布器分布均匀，由下而上通过颗粒层，最后经顶部滤网排入循环水槽。水流量由调节阀调节，并由孔板流量计的压差计显示读数。

气固系统的流程如图3所示。空气自风机经调节阀和孔板流量计，由设备底部进入设备后，经分布器分布均匀，由下而上通过颗粒层，最后经顶部滤网排空。空气流量由调节阀和放空阀联合调节，并由孔板

流量计的压差计显示读数。

四、实验方法

本试验可分两步进行：第一步，观察并比较液固系统流化床和气固系统流化床的流动状况；第二步，实验测定空气或水通过固体颗粒层的特性曲线。

在实验开始前，先按流程图检查各阀门开闭情况。将水调节阀和空气调节阀全部关闭，空气放空阀完全打开。然后，再启动循环水泵和风机。

图3 气固系统流程图

1．放空阀 2．空气调节阀 3．孔板流量计 4．孔反流量计的压差计 5．压差计

6．滤网 7．床体 8．固体颗粒层 9．分布器

待循环水泵和风机运转正常后，先徐徐开启水调节阀，使水流量缓慢增大，观察床层的变化过程；然后再徐徐开启空气调节阀和关小放空阀，联合调节改变空气流量，观察床层的变化过程。

完成第一步实验操作后，先关闭水调节阀，再停泵，继续进行第二步实验操作。若测定不同空气流速下，床层的压力降和床层的高度。实验可在流量由小到大，再由大到小反复进行。试验结束后，先打开放空阀，后关闭调节阀，再停机。

试验过程中应特别注意下列事项：

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