流态化技术课件

ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/31课程性质目的和任务本课程是面向热能与动力工程专业本科生的一门专业选修课，是流体力学、锅炉原理与技术、传热学和燃烧课程等的后继课程；也具有重要的节能环保意义，是能源工作的重要基础知识。通过本课程的学习，熟悉和掌握流态化技术的基本原理、特点与发展前景，掌握流化床的动力学基础及两相理论、传热分析和燃烧过程，对流态化装置设计也要有一定认识，了解流态化的应用。为拓宽学生的知识面，为培养科研人员和高级工程技术人才奠定基础。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/32参考书目•流态化技术，江苏大学讲义。•吴占松等，流态化技术基础及应用，化学工业出版社。•金涌，祝京旭等，流态化工程原理，清华大学出版社。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/33第一章流态化现象与特征ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/34•自然界：泥砂的夹带、飞沙走石、沙尘暴定义：流态化是一种使固体颗粒通过与气体或液体（流体）接触而转变成类似流体状态的操作。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/35•生活：淘米、扬簸谷物、淘金ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/36•工业：固体燃料的燃烧、煤的气化、气固相催化反应、物料干燥、固体物料的输送定义：流态化是一种使固体颗粒通过与气体或液体（流体）接触而转变成类似流体状态的操作。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/37流化床1921年最早出现于德国，应用于粉煤气化。温克勒(FritzWinkler)的流化床粉煤气化，此法于1922年获得德国专利。第一台煤气发生炉，高13米．截面积12平米,于1926年顺利投入运行二战期间应用于石油催化裂化后广泛应用于石油、化工、冶炼、粮食、医药等部门ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/38流化床干燥器（沸腾床干燥器）●原理：流化床干燥器是流态化原理在干燥中的应用。在流化床干燥器中，颗粒在热气流中上下翻动，彼此碰撞和混合，气、固间进行传热、传质，以达到干燥目的。加料单层圆筒沸腾床干燥器至分离器出料热空气分布盘ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/39气体出口加料出料床内分离器第一层第二层热空气多层流化床干燥器ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/310ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/311ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/312§1.1流态化形成的过程一、流态化形成的过程聚式流化散式流化ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3131．固定床阶段床层体积固体颗粒总体积床层体积空隙率gALgALPAsmfm)1()1(颗粒间仍保持紧密接触床高Lm不变气流对颗粒的曳力+气流对颗粒的浮力颗粒受到的重力压降值△P单调增加曳力浮力重力ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/314流态化过程曲线幻灯片115ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3152．流态化床阶段固体颗粒在床层中自由浮沉压降△P=单位截面积上床层物料的重量正常流态化阶段：正常流态化后，逐渐减小气速？gLPgALgALPAfsmfmfsmfmffmfmf))(1()1()1(气流对颗粒的曳力+气流对颗粒的浮力=颗粒受到的重力不变不变，但PLLU)1(cmfUUUChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3163.气力输送阶段(气流床）当UUc后，被带出的物料逐渐增多，大的颗粒也被带出原有的床层上界面逐渐消失对应的料层阻力急剧减小。气流对颗粒的曳力+气流对颗粒的浮力颗粒受到的重力gLAgLAPAsf)1()1(ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/317Umf——临界流化速度，是指刚刚能够使固体颗粒流化起来的气体空床流化速度，也称最小流化速度。Ut——带出速度，当气体速度超过这一数值时，固体颗粒就不能沉降下来，而被气流带走，此带出速度也称最大流化速度。流化速度UChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/318操作速度、表观流速（U）——是指假想流体通过流化床整个截面（不考虑堆积固体粒子）时的截面平均流速（也称空塔速度或空管速度），用U表示。U=V/A(m/s)式中：V—通过流化床的流体体积流量，m3/s；A—流化床的截面积，m2。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/319划分并不严格ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/320固体颗粒可以参加化学反应：气化、燃烧不参加化学反应，如气相化学反应中的固体催化剂参与多种物理过程：热空气干燥粮食二、形成流态化的条件1.有固体颗粒存在ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3212.有流体介质存在流体介质有：热空气(用于干燥物料或使物料散开等)一般空气(用于流态化燃烧、煤炭气化等加重介质(矸石与煤分层分选)；化产蒸气(如重碳氢化合物蒸气在固体催化剂作用下发生裂解反应等)。有时流体介质可能是一种以上。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3223．固体与流体介质在特定条件下发生作用这些条件包括：（1）固体颗粒有粒度限制，如一般鼓泡床沸腾燃烧锅炉要求入料粒度10mm；循环流化床要求给煤粒度2mm等。（2）流体介质应具有一定的温度、压力，保证正常流态化的实现及床内反应过程的正常进行。（3）固体颗粒与流体介质在一定的空间内互相作用。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/323三、流态化过程具有的特点轻小的物料颗粒容易浮起；当容器倾斜时，流态化床层的上界面仍保持相对水平状态容易变形、流动，没有固定的形状连通器原理1.类似液体的特性（物性参数）ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3242.固体颗粒的剧烈运动与迅速混合上下运动和左右运动床层基本处于全混状态温度与浓度趋于均匀3.强烈的碰撞与摩擦颗粒之间颗粒与容器壁之间优点：有利对流传热的，颗粒表面的更新促进加热、冷却缺点：磨损较严重ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/325单位体积的颗粒所具有的表面积5.气体与颗粒的接触时间不均匀4.颗粒比表面积大ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/326四、流化床的基本构造通常的流态化装置由以下几部分组成：（1）流体分布装置(这里仅介绍气-固流态化)（2）内部构件，如挡板、受热面、搅动机械等（3）气-固分离装置，可设在床内或床出口以外,使固体物重新回到床内；（4）进料及排料装置。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/327循环流化床锅炉ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/328循环流化床锅炉的结构特点1、炉膛2、旋风分离器3、过热器4、外置式换热器5、煤仓6、返料装置7、石灰石进料口8、灰冷却器9、省煤器10、空气预热11、除尘器12、引风机13、尾部烟道14、汽包ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/329典型流化床组成（1）风室，也称气体预分布器、等压风室（2）布风板，又叫布风板或气体分布器作用：具有均匀分布气流的作用。使流态化床有一个良好的起始流态化状态。支撑容器内固体颗粒重量，保证分布器不被堵塞和过快磨蚀。（3）容器，对燃烧而言，就是燃烧室、炉子ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/330ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/331ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/332五、流态化过程中的不正常现象1．沟流（channelflow)定义：又称穿孔现象，指料层不均匀或气体介质分布不均匀时，在容器内由固定床向流化床转化的初始阶段，气流可能从阻力较小的“通道”处通过，形成气流短路的现象沟流ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/333(1)局部沟流(2)贯穿沟流(3)引起沟流的主要原因有:布风装置设计不当，导致布风不均匀；料层筛分不合理，粉末太多或太少；料层过薄或水分较大，容易引起颗粒粘连；气流速度偏小等ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/334ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/335危害：产生死床，造成催化剂烧结，降低催化剂使用寿命，降低转化率和生产能力消除方法：加大气速；干燥颗粒；加内部构件；改善分布板。ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3362.腾涌（slugging)（1）定义：当床层内气泡汇合到大小接近床截面时，床内料层可能会分成几段，形成气塞像活塞似地运动。当大气泡破裂时，大颗粒下落，细小的物料可能会被气流带走，这种现象就是腾涌，也叫节涌（2）害处：气—固接触不良；器壁磨损加剧；设备振动（3）原因：布风板设计不良，如风帽尺寸不合适，风帽开孔率不当等；流化床直径太小，（L/D)较大时，易产生腾涌。筛分不均匀等腾涌ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/337ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3383.分层定义：当床内物料筛分范围较宽，粗颗粒和细颗粒较多，中间大小的颗粒较少时，在气流作用下，细小物料颗粒被吹到床层上部，粗大颗粒沉积在下部，形成物料的分层现象主要原因：颗粒的筛分容器设计不当分层ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/3394.气泡缺点：气固间接触不好，使催化反应或非催化的气固反应效率降低。床层高时，容易产生大气泡，在床层加设内部构件避免大气泡。气泡ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/340六、气-固流化床的一般性评价1．良好的床层均温性上下或左右方向的温度梯度均在10～20℃之内固体颗粒的热容量比相同体积气体的热容量高100～1000倍2．较高的传热传质速率3．输送能力大4．可利用或加工粉末状物料ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/6/341不足：（1）固体物料的停留时间不均匀（2）气流分布不均会影响气-固接触效率（3）颗粒磨损与设备磨损严重ChinaUniversityofMiningandTechnology2020/