临界流化床速度实验报告

1实验报告题目：测定3um石英砂临界流化速度组别：第3组日期：2016年1月26日23流化床临界速度的测量实验报告一、实验目的1）观察流态化的实验现象，学习通过颗粒床层流动特性的测量方法；2）了解测量临界流化速度的方法和仪器的使用；3）测定临界流化速度，并作出流化曲线图；二、实验原理流态化是一种使用固体颗粒通过与流体接触而转变成类似于流体状态的操作。近年来，这种技术发展很快，许多工业部门在处理粉粒状物料的输送、混合、涂层、换热、干燥、吸附、煅烧和气---固反应过程等过程中，都广泛地应用了流态化技术。固体流态化过程的基本概念如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的阶段，如下图所示：固定床流化床气力输送流化过程的几个阶段1）固定床阶段如果流体通过颗粒床层的表观速度（即空床速度）U较低，使颗粒空隙中流体的真实速度U1,则小于颗粒的沉降速度Ut则颗粒基本上保持静止不动，颗粒称为固定床。2）流化床阶段当流体的表观速度U加大到某一数值时，真实速度U1比颗粒的沉降速度Ut大了，此时床层内较小的颗粒将松动或“浮起”，颗粒层高度也有明显增大。但随着床层的膨胀，床内空隙率ε也增大，而U1=U/ε，所以，真实速度U1随后又下降，直至降到沉降速度Ut为止。也就是说，在一定的表观速度下，颗粒床层膨胀到一定程度后将不再膨胀，此时颗粒悬4浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床。因为流化床的空隙率随流体表观速度增大而变化，因此，能够维持流化床状态的表观速度可以有一个较宽的范围。实际流化床操作的流体速度原则上要大于起始流化速度，又要小于带出速度，而这两个临界速度一般均有实验得出。3）颗粒输送阶段如果继续提高流体的表观速度U，使真实速度U1大于颗粒的沉降速度Ut，则颗粒将被气流带走，此时床层上界面消失，这种状态称为气力输送。2、固体流态化的分类流化床按其性状的不同，可以分为两类，即散式流态化和聚式流态化。散式流态化一般发生在液—固系统，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。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，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。聚式流态化聚式流态化床中有以下两种不正常现象：腾涌现象如果床层高度与直径的比值过大，气速过高时，就容易产生气泡的相互聚合，而成为大气泡，在气泡直径长大到与床径相等时，就将床层分为几段，床内物料以活塞推进的方式向上运动，在达到上部后气泡破裂，部分颗粒又重新回落，这既是腾涌，又称为节涌。腾涌严重地降低床层的稳定性，使气—固之间的接触状况恶化，并使床层受到冲击，发生振动，损坏内部构件，加剧颗粒的磨损与带出。沟流现象在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分别不良，可在床内局部地方形成沟流。此时，大量气体经过局部地区的通道上升，而床层的其余部分仍处于固定床阶段而5未被流化（死床）。显然，当发生沟流现象时，气体不能与全部颗粒良好接触，将使工艺过程严重恶化。3、流化床压降与流速的关系流化速度定义：床层横截面积气体体积流量FQu流化数：n=U/Umf流化形成的条件和流态化的基本特征：（1）流态化是一种由于流体向上流过固体颗粒堆积的床层，使得颗粒具有一般流体性质的现象。（2）当流体速度较低时，床层处于固定床状态，此时，流体与床层压降的关系可用Ergun公式（Ergun，1949）表示。Ergun公式是流态化原理中十分重要的一个公式：(1)(1)1501.75fvvuPuHdd22323△P－床层压降H－床高ε－床层空隙率μ－流体动力粘度u－表观流速dv－颗粒等体积当量直径ρf－流体密度当流体流速达到临界流化速度后，△P与流速的关系不再遵从Ergun公式。6均匀粒度沙粒床层的压降与气速的关系：宽筛分粒度床层的压降与气速的关系：当床料处于临界流化状态时：(1)pmffmfmfPgH上式与Ergun公式联立，并考虑颗粒球形度φs后可得：7150(1)()1.75()()pmffmfpmfffpfsmfsmfpdududg22332WenC.Y.和YuY.H.试验发现：114smf3111mfsmf3代入前式得到:121()pmffpfpfdudgCCC3220.5即：121RemfCCArC0.52式中，C1＝33.7，C2＝0.0408当颗粒较细，Remf较小时，Ergun公式中的粘性力项占主导，惯性力项可忽略，即：Re20p时2()1650ppfmfdgu当颗粒较粗，Remf较大时，Ergun公式中的惯性力项占主导，粘性力项可忽略，即：Re1000p时2()24.5ppfmffdgu采用Grace公式（C1=27.2;C2=0.0408）计算得到的Remf与压力条件下的测试结果比较吻合：Grace公式：2.270408.027.2Re5.02mf）（Ar三、实验方法实验过程中，由于测压是测的布风板以下和装置出口的压力，所以测的压力多了布风板的压力，得到的总压为：∆P=∆P布风板+∆P物料8因此，实验前先测定布风板总压∆P布风板，再测定有物料时候的总压∆P物料。这样就计算出实际要测定的总压。四、实验装置和仪器实验装置主要仪器：冷态流化床实验装置，空气压缩机，U形压差管，烧杯，电子秤。五、实验步骤1、首先用烧杯称取500g石英砂，筛分直径为0.03um，作为实验备用；2、检查实验设备的连接是否完好的；3、开始测空床布风板的压差，启动风机，调整流量到0，稳定之后再调到250，稳定后记录，然后按照压差差值为250逐渐上调，依次记录数据，直到调到2500，然后再以250的差值往下调，调到250，记录数据。实验重复测定三次。停止风机运行。4、测定完布风板压力后，开始装入物料。启动风机，调整流量到0，稳定之后再调到250，稳定后记录，然后按照压差差值为250逐渐上调，依次记录数据，并观察流化态的生成过程，预测临界点，在临界点出作微调，然后再以250的差值调，直到调到2500，然后再以250的差值往下调，同样在临界点作微调，然后再以250的差值调到250，记录数据。并记录下实验过程中出现流化态时的图片，实验重复测定三次。5，测定完物料压力后，停止运行，取出物料，整理数据。六、实验数据1、空床压差空床流量1组上行1组下行2组上行2组下行3组上行3组下行上行均值下行均值2503040406050604053.3350040705070707053.3370975080110801208012080116.67100012018016018014018014018012502002602202602102302102501500310340290340280330293.33336.671750400420400420390410396.67416.6720005005204505304905104805202250610630600610600610603.33616.672500740740700700710710716.67716.672、物料压差加物料流量1组上行1组下行2组上行2组下行3组上行3组下行上行均值下行均值250930650600640620630716.6764050018501180124010201200115014301116.6775018801730182014301610159017701583.3310002020195019401920194019501966.67194012502140203020302010202020202063.3202015002150215021402080211021402133.32123.3317502300222022202220224022502253.32230200023502350234523402340236023452350225024502450247024302460245024602443.33250025502550252025202550256025402543.333、物料高度差2500.125m5000.125m7500.125m8000.125m9000.125m9500.125m10000.135m12500.147m15000.15m17500.17m20000.18m22500.20m25000.21m10七、实验数据整理1，原始数据：流量计单位m3/h，最大量程2.5m3/h，温度20°（室温），流化床直径60*5mm（60是外径，内径50），U形管里面介质是水，石英砂质量为500g,筛分直径为300um。2,由于实验的上行数据存在迟滞效应，所以所以结果采用下行数据，其中实际需要测量的压差为：∆P=∆P布风板+∆P物料，所以临界流化压差为∆P物料=∆P-∆P布风板，实验数据整理如下：流量∆P下行均值∆P布风板下行均值∆P物料实际压力值25064053.33586.675001116.67701046.677501583.33116.671466.6710001940180176012502020250177015002123.33336.671786.6717502230416.671813.3320002350520183022502443.33616.671826.6725002543.33716.671826.673数据处理得到的折线图：114实验图片八、数据分析与结果根据床层横截面积气体体积流量FQu由所以所得数据，可知在流量为950m3/h的时候，为临界流化状态开始的临界点，这个时候的压差均值在1830pa。由公式umf=Q/F=950/0.05*3.142*3600=0.54m2/s再由Grace公式计算：2.270408.027.2Re5.02mf）（Ar其中Ar为阿基米德数：Ar=Lgρl(ρ-ρl)/μ2得到umf=0.4592误差为=（0.54-0.4592）/0.54=14.96%12九、实验总结通过实验，结果数据分析与处理，可以看到，实验得到的结果，与用Grace经验公式计算的误差不是很大，出现误差的原因是不可避免的，因为所有条件可能不一样，实验装置本身的误差也会导致误差的出现。总之，通过实验，对实验过程有了了解，对传热传质的过程有了实际的了解。在这次实验当中，首先感谢吴烨老师的指导，其次就是各组员的合作，让实验顺利进行。