实验六 固体流态化的流动特性实验.doc

实验六固体流态化的流动特性实验
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、液固和气液固反应等。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临界流化速度，并实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。
实验原理
当流态流经固定床内固体颗粒之间的空隙时，随着流速的增大，流态与固体颗粒之间所产生阻力也随之增大，床层的压强降则不断升高。为表达流体流经固定床时的压强降与流速的函数关系，曾提出过多种经验公式。现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时的压降公式（Moody公式）列出。即
（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：
（2）
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和空管速度u0，按下式计算：
（3）
由固定床向流化床转变式的临界速度umf，也可由实验直径测定。实验测定不同流速下的床层压降，再降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。ΔP

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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
(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，ρ为流体的密度Kg·m-3，由此可得出流化床压力降的计算公式：
(5)
当床层处于由固定床向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=Hmf，εf＝ε面f,u0=umf因此联立(1)和(5)两式即可得临界流化速度的计算式：
（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流化速度。
最后，尚需进一步指出，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，除以上介绍的算式之外，文献中报导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，而这种实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。流化床的床高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。

图2液固系统的流程图
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外。床层上均有测压口与压差计相接。
液固系统的流程如图2所示。水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，最后经顶部过滤网排入循环水槽。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，空气进入设备后，经分布器分布均匀，由上而下通过颗粒层，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力降显示读数。
实验方法
本实验可分两步进行：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测的特性曲线。
在实验开始前，先按流程图检查各阀门开闭情况。降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。

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图3气固系统流程图
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