第四章 流化床中的传质
流化床工作原理
流化床工作原理流化床是一种重要的化工设备，它在化工、冶金、环保等领域有着广泛的应用。
流化床工作原理是指在一定的条件下，固体颗粒物料在气体流动的作用下呈现出流态化的状态，这种状态下颗粒物料表现出液体的特性，具有较高的传热、传质性能。
下面我们来详细介绍一下流化床的工作原理。
首先，流化床的工作原理是基于气体流动的作用。
当气体通过床体底部喷嘴喷入时，床内的颗粒物料受到气体流动的冲击，开始呈现出流态化的状态。
在这种状态下，颗粒物料之间的空隙增大，表面积增加，使得颗粒物料表现出液态的特性，可以充分混合、传热、传质。
其次，流化床的工作原理还与颗粒物料的密度和粒径有关。
通常情况下，当颗粒物料的密度较大、粒径较小时，流化床的流态化效果会更好。
因此，在实际应用中，需要根据颗粒物料的性质和工艺要求来选择合适的颗粒物料。
另外，流化床的工作原理还与气体流速和流化剂的选择有关。
气体流速的大小会直接影响床内颗粒物料的流态化状态，通常情况下，流速越大，颗粒物料的流态化效果越好。
而流化剂的选择也会对流化床的工作原理产生影响，不同的流化剂对颗粒物料的流态化特性有着不同的影响。
此外，流化床的工作原理还与床内物料的混合、传热、传质等过程密切相关。
在流化床中，气固两相之间的充分混合使得床内物料的传热、传质效果得到了显著提高，这对于一些需要进行反应、干燥、吸附等工艺过程具有重要的意义。
综上所述，流化床的工作原理是基于气体流动的作用，通过控制气体流速、选择合适的颗粒物料和流化剂，实现颗粒物料的流态化状态，从而达到充分混合、传热、传质的效果。
流化床在化工生产中具有重要的应用价值，了解其工作原理对于提高流化床的工艺效果具有重要的意义。
希望本文能够帮助大家更深入地了解流化床的工作原理，为相关领域的工程技术人员提供参考。
流化床的工作原理
流化床的工作原理
首先，流化床的工作原理基于气体与固体颗粒之间的互动作用。
当气体通过床层时，由于气体速度的增加，开始对固体颗粒产生作用，使颗粒开始流动，形成了所谓的“流化”状态。
在这种状态下，固体颗粒的密度变得非常小，接触面积增大，传质效率大大提高。
其次，流化床的工作原理还涉及到固体颗粒之间的相互作用。
在流化床中，固体颗粒之间的相互作用是非常复杂的，包括颗粒之
间的碰撞、摩擦、流动等。
这些相互作用对于床层的稳定性、传质
效率等都有着重要的影响。
此外，流化床的工作原理还与床层内部的流动状态密切相关。
在流化床中，床层内部的气固两相流动状态对于传质效率和反应过
程的进行都有着至关重要的影响。
因此，对于床层内部流动状态的
研究和控制是流化床工艺优化的关键之一。
最后，流化床的工作原理还与床层内部的温度分布密切相关。
在流化床中，床层内部的温度分布对于反应过程的进行和传质效率
都有着重要的影响。
因此，对于床层内部温度分布的控制和优化也
是流化床工艺研究的重点之一。
综上所述，流化床的工作原理涉及到气固两相流动、固体颗粒
之间的相互作用、床层内部流动状态和温度分布等多个方面。
只有
深入理解和掌握了流化床的工作原理，才能更好地应用流化床技术，提高传质效率，优化工艺流程，实现经济效益和环保效益的双赢。
循环流化床原理及运行
循环流化床原理及运行循环流化床主要由床体、循环器、气固分离器、换热器以及气体和固体的供给与排出系统等组成。
其工作原理是将气体和粗颗粒固体以较高的速度由床体底部引入，通过气固的强烈的接触，将反应所需的物质传递至固体表面，然后通过气体与粗颗粒固体的分离器将固体从气体中分离出来，然后再将固体颗粒经过循环器回流至床底，形成循环。
在循环流化床中，床体内的固体颗粒会被流化空气携带起来，在床体内形成一种类似于流体的状态。
床体中的气体通过气体分布板均匀地从底部引入，在床内形成均匀的气流。
当气体通过床体时，由于流体动力学的特性，固体颗粒被悬浮在气体中，形成浮动着的连续相。
在这种状态下，气体与颗粒之间的传质和传热效率大大提高，从而增加了反应的速率和效率。
循环流化床的运行过程可以分为固体颗粒的循环和气体的循环两个主要步骤。
在固体颗粒的循环过程中，气体通过固体颗粒床体将颗粒携带起来，并从循环器中回流至床底。
循环器中的固体颗粒经过多级分离装置的分离后，被分为两部分，一部分再次回流到床底，一部分从床体上部排出。
这样不断循环地将固体颗粒带到床体中，使床体保持一定的固体浓度。
在气体的循环过程中，气体从床体底部引入床体，通过床体上升，经过一定的高度后，在床上部进入气固分离器。
在气固分离器中，气体与固体颗粒进行分离，固体颗粒沉降至底部，而气体则从顶部排出。
排出的气体可根据需要进行再利用或者进行后续处理。
循环流化床具有很好的传质和传热性能，能够有效地控制反应的温度和反应速率。
由于固体颗粒的循环，床内固体颗粒的平均停留时间较短，减少了固体颗粒的积聚和结焦现象，延长了固体颗粒的寿命。
此外，循环流化床还具有较好的反应均匀性和操作灵活性，可广泛应用于化工、冶金、环保等领域。
总之，循环流化床通过将气体和固体颗粒进行高速流化，形成浮动着的连续相，以此来完成气体固体反应。
其原理是通过气体与固体颗粒之间的强烈接触和传质传热效果，实现反应的高效率和高速率。
流化床燃烧技术
鼓泡流化床燃烧技术的主要特点如下。
① 流化床床内混合剧烈，燃烧稳定，其燃料适应性很强，几乎可以燃 烧所有燃料。 ② 低温燃烧特性可以实现炉内加脱硫剂进行直接脱硫，而且可以利用 低灰熔点的燃料。 ③ 低温燃烧和分级燃烧可以较好地控制煤燃烧过程中NOx的生成。 ④ 通常燃用宽筛分燃料颗粒（如0-8mm，0-10mm），床料的组成也比 较复杂。 ⑤ 流化床运行速度较低，一般在2-4m/s之间，燃烧室内运行在鼓泡流 化状态，可以明显分为下部高颗粒浓度的流化床区（密相区）和上部 颗粒浓度很低的稀相区（悬浮段）。
1.2.3 循环流化床的气固两相流体动力特性
一般来说，循环流化床锅炉炉膛截面积形状大都是矩形或方形的，其高度与截 面当量直径之比要小得多，而且炉膛通常布臵垂直的膜式水冷壁以吸收热量。循环 流化床锅炉的炉内床料是宽筛分的粗颗粒，如中国循环流化床锅炉常用的煤粒粒径 为0-10mm。
项目 截面形状 直径/m 高度与当量直径比 反应器壁面 床料分布及平均直径/mm 循环流化床锅炉 大都为矩形 4-8(当量直径） <5(10) 膜式水冷壁（垂直管和鳍片） 约0.2
为了克服这些问题，通过把燃烧室内的流化床速度从原来的2-4m/s提高 到4-6m/s甚至更高后，把更多的床料颗粒从燃烧室下部的密相区带到了上部 稀相区，这样不仅使得更多的燃料在上部稀相区燃烧，而且也通过这些携带 的大量细灰颗粒从密相区带出了大量热量，从而使得燃烧室上部颗粒浓度增 加，燃烧室温度分布均匀，而密相区内则不再需要布臵埋管受热面吸热。同 时通过布臵飞灰颗粒分离及回送装臵，把携带出燃烧室细灰颗粒中不完全燃 烧的燃烧颗粒或未完全反应的脱硫剂颗粒重新送回到燃烧室内循环燃烧或利 用，从而大大提高燃料燃烧效率和脱硫剂利用率。这种状态运行的流化床燃 烧技术称为循环流化床燃烧技术，近三十年内得到快速发展的一种新型燃烧 技术。
流化床工作原理
流化床工作原理流化床是一种常见的固体颗粒与气体相互作用的装置，广泛应用于化工、环保、能源等领域。
它具有高效传热、传质、反应等优点，因此备受工程技术人员的关注和重视。
流化床的工作原理是什么呢？接下来，我们将从流化床的定义、工作原理、特点等方面进行详细介绍。
首先，让我们来了解一下什么是流化床。
流化床是指在气体作用下，固体颗粒呈现出流体的性质。
当气体速度足够大时，固体颗粒会被气流撑起，形成类似流体的状态，这种状态称为流化状态。
在流化床中，固体颗粒在气流的作用下可以均匀混合、快速传热、传质和反应，因此具有很多独特的优点。
流化床的工作原理主要包括气体流动、颗粒流动和热传递三个方面。
首先，气体从流化床底部进入，通过喷嘴或气体分布板均匀地向上流动，形成了气固两相流。
在气体的作用下，固体颗粒被撑起，形成了流态床。
其次，固体颗粒在气流的作用下呈现出不同的流动状态，包括床层流动、循环流动等。
最后，流化床中气体和颗粒之间通过传热传质等方式进行热量和物质的交换，实现了反应、干燥、冷却等过程。
流化床具有许多独特的特点，如高传质、传热效率，操作灵活，适用于多种颗粒物料等。
首先，由于固体颗粒呈现出流体状态，因此在流化床中气体与颗粒之间的传热传质效率非常高，能够实现快速均匀的传热传质过程。
其次，流化床的操作灵活，可以根据不同的工艺要求进行调节和控制，适用于多种颗粒物料的处理。
此外，流化床还可以实现多种反应，如催化反应、氧化反应等，具有广泛的应用前景。
总的来说，流化床是一种在化工、环保、能源等领域广泛应用的装置，具有高效传热、传质、反应等优点。
它的工作原理主要包括气体流动、颗粒流动和热传递三个方面，具有高传质、传热效率，操作灵活，适用于多种颗粒物料等特点。
相信随着技术的不断进步和完善，流化床在工程领域中的应用将会更加广泛，为各行各业的发展带来更多的便利和益处。
流化床燃烧技术
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循环流化床锅炉炉内流 体动力结构示意图
1.3 燃料在流化床内的燃烧过程
1.3.1 固体燃料在流化床内的燃烧特性
煤粒被加入高温的流化床内后 的燃烧过程将经历如下几个主要过 程：干燥和加热、挥发分析出及燃 烧、焦炭燃烧，期间伴随着颗粒的 膨胀、一次破碎、二次破碎及颗粒 磨损等过程。
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1.3.2.4 给煤方式及二次风的配置
加入到床层的燃料要求在整个床面上播撒均匀，防止局部碳浓度过高， 以免造成局部缺氧、超温。因此，给煤点应分散布置。对于挥发分含量很高 的烟煤、褐煤及洗煤矸石等，由于局部缺氧，甚至析出的挥发分都不能在床 层内完全燃尽，进入锅炉尾部受热面后被冷却，形成焦油并与飞灰黏附在受 热面上，堵塞烟气通道，影响锅炉安全运行。
燃煤粒径及粒径分布对流化床燃烧有极大影响。在流化床中， 大于1mm的较粗煤粒的挥发分析出和碳的燃烧受扩散控制，挥发 分 完全析出时间和碳粒完全燃尽时间与粒径的平方成正比，因此要缩 短挥发分完全析出时间和碳粒完全燃尽时间，减少可燃物损失，在 尽量降低细颗粒扬析的情况下，适当减小燃煤粒径，缩小筛分范围 是提高燃烧效率的一项有效措施。
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1.4 流化床内的传热与传质过程
流化床燃烧过过程中的传热规律和传热系数对流化床锅炉的设计、 制造和运行可靠性和安全性方面起着举足轻重的作用。
在流化床燃烧炉中存在各种不同的传热过程： ① 颗粒与气流之间的传热（床内颗粒与床内气流）； ② 颗粒与颗粒之间的传热； ③ 整个气固相与受热面（包括壁面与悬吊在床内表面）之间的传热； ④ 气固相与入床气流之间的传热。
传热面方位 传热量
化工反应过程之硫化床反应器
积
tm T t
流化床反应器内部构件的计算
套管式换热器： tm tD (t2 t1)
换 热
计算B值： B 1 ( 2T t1 t2 )
2 t2 t1
器
传 热
计算R值： R T2 T1
t2 t1
计算Z值：
Z idi odo
面
积 由R、Z值查图5-31，查出E 计算 t值D
由 E值查图5-32，得到
工艺计算或选用流化床反应器首先是选型，再就 是确定床高和床径、内部构件，并计算压力降等。 工业上应用的流化床反应器大多为圆筒形，因为 它具有结构简单、制造方便、设备利用率高等优 点。除了圆筒形外，还有许多其它结构型式的流 化床。具体选型主要应根据工艺过程的特点来考 虑，即化学反应的特点，颗粒或催化剂的性能， 对产品的要求，以及生产规模。
cf
f
计
算
适用范围：
Re dPu0 f 0.01 ~ 100 f
流化床反应器中的传热
水平换热管
给 当 Re dtu0 f 2000
热
f
系 数 的
0dt
0.66(c f f
)0.3[(dt u0 f
)(
P
1 )(
f
)]0.44
t
f
f
f f
计 算
当 Re dtu0 f 2500
f
0dt 420( c f f )0.3[(dt u0 f )( P )(
不正常 流化现象
大气泡和腾涌现象 特征：气泡在上升过程 中不断汇合长大，当气 泡直径大到与床径相等 时，颗粒层气泡像活塞 一样向上推动，达到一 定高度后气泡破裂，引 起部分颗粒的分散下落 后果:导致气固间接触不 好。原因：床高与床层 直径比较大、颗粒直径 较大、气速较高
实验4 流化床基本特性的测定
下降，流体速度继续增加，床层压降保持不变，床层高度逐渐增加，固体颗粒悬浮在流体中，并随
气流上下流动，此为流化床阶段，在B点的流速就是临界流化速度umf。 （2）最大流化速度
当流体速度大于固体粒子在流体中的沉降速度时，粒子将被流体带出床层，这个速度称为最大
流化速度或粒子的带出速度ut，它是流化床流速的上限。此时如不连续补充固体颗粒，床层迅速消 失，所以在压力降图上曲线急剧下降（图2中的GH段）。颗粒在流体中沉降，受到重力、浮力和流
ut
3.1(
s
f
f
)gd p
1/ 2
（12） 式中：Re——雷诺数，Re= dP f ut/；
dp——颗粒当量直径，m； ρf—流体密度，kg/m3； ρS—颗粒密度，kg/m3； µ—流体粘度，kg ⋅m−1⋅s−1； ut—最大流化速度，m/s； umf—临界流化速度，m/s。 最大流化速度除了可用经验式计算外，也可通过实验直接测定。由图2可知，如果再加大流速
2
——方差或散度。
2
2
ˆt 2
2 Pe
2 1 2 Pe
1 e Pe
（19）
通过实验测得
c（τ）与
τ
的关系数据，然后由式（17）求得
tˆ
，由式（18）求得
2
，通过式
（19）求出模型参数 Pe 的值。
三、实验装置与流程
实验四 流化床基本特性的测定
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。
0402流化床工艺计算(精)
➢ 扩大段高度h2
经验取：h2=D2
4．锥底高h3
h3
1 2
D1ctg 2
H=hf+h1+h2+h3
一般锥角θ=60度或90度
直径
➢ 反应器主体直径D1
D1
4v0
u0
v0-----操作条件下的气体体积流量
➢ 扩大段直径D2
D1
4vd
ut
vd------扩大段的气体体积流量
流态化的工艺计算
在两个目数间隔内颗粒平均直径可按几何平均值计算，即
dP d1d2
目数 >120 100-120 80-100 60-80 40-60 <40
dPi 0.121 0.133 0.163 0.208 0.298 0.360
xi 0.99 0.752
d Pi
0.797 1.680 0.839 0.139
重量% 12 10
13
35 25 5
催化剂颗粒密度ρP=1120[kg.m-3] 气体密度ρ=1.10[kg.m-3]
气体粘度μ=0.0302[cp]
解 1．计算颗粒平均粒径 根据标准筛的规格，目数与直径关系如下：
目数
120 100 80 60 40
直径[mm] 0.121 0.147 0.175 0.246 0.360
6
d
3 p
s
g
1 2
CD
g
g
d
2 p
4
ut2
CD 曳力系数
对于单颗粒，有半经验公式：
CD
24 Re
10 CD 1
Re 2
CD 0.43
Re 2
对应
流化床的工作原理
流化床的工作原理流化床是一种广泛应用于化工、冶金、环保等领域的重要设备，其工作原理主要基于气固两相流动的特性。
流化床在工业生产中具有重要的作用，本文将从流化床的基本原理、工作过程和应用领域等方面进行详细介绍。
首先，我们来了解一下流化床的基本原理。
流化床是一种采用气体作为流动介质，通过对固体颗粒施加适当的气流速度，使得固体颗粒呈现出类似液体的流动状态的装置。
在流化床中，气体通过床层，固体颗粒被气流带动，呈现出流动状态，这种状态称为流化状态。
在流化状态下，固体颗粒之间的接触面积增大，传热、传质效果显著提高，因此流化床在化工领域中有着广泛的应用。
其次，我们来了解一下流化床的工作过程。
在流化床中，气体从床层的底部通过，固体颗粒在气流的作用下呈现出流动状态。
当气体速度逐渐增大时，固体颗粒开始呈现出流化状态，此时气固两相之间的作用力平衡，固体颗粒悬浮在气流中，呈现出流态化的特性。
在流态化状态下，固体颗粒之间的接触面积增大，传热、传质效果显著提高，因此流化床在化工领域中有着广泛的应用。
最后，我们来了解一下流化床在工业生产中的应用领域。
流化床广泛应用于化工、冶金、环保等领域，如在化工领域中，流化床被用于催化剂的再生和反应等过程；在冶金领域中，流化床被用于矿石的燃烧和烧结等过程；在环保领域中，流化床被用于废气处理和固体废物处理等过程。
由于流化床具有传热、传质效果显著提高的特点，因此在这些领域中有着广泛的应用。
综上所述，流化床是一种重要的工业设备，其工作原理主要基于气固两相流动的特性。
流化床在工业生产中具有重要的作用，其工作过程简单清晰，应用领域广泛。
希望本文对于流化床的工作原理有所帮助，谢谢阅读！。
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穿过一流体时，sh数
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注意：上述公式是建立在气流和颗粒间处于稳态质交换的
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针对煤在流化床中的燃烧过程提出了一个流
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的影响也未完全解决。
一般认为：
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