实验四 固体流态化实验

4 固体流态化实验

4.1 实验目的

(1) 掌握测定颗粒静态床层时的静床堆积密度ρb 和空隙率ε的方法;

(2) 测定流体通过颗粒床层时的压降Δp m 与空塔气速u 的曲线和临界流化速u mf ;

4.2实验原理

4.2.1 固定床

1) 基本概念

当流体以较低的空速u 通过颗粒床层时床层仍处于静止状态,称这种固体颗粒床层为固定床。床层的静态特性是研究床层动态特性和规律的基础,其主要的特征有静床堆积密度ρb 和空隙率ε两个,它们的定义分别如下:

1. 静床堆积密度:ρb =M/V, 它由静止床层中的固体颗粒的质量M 除以静止床层的体积V 计算而得。ρb 数值的大小与床层中颗粒的堆积松紧程度有关,因此ρb 在流体通过颗粒床层时不是一个定值,如颗粒床层在最紧与最松两种极限状态时,ρb 就有两种数值,它们的大小在床层最紧与最松时分别测量出相应的床层高度就可以计算得到。

2. 静床空隙率ε : ε=1–(ρb /ρs ), 它是由颗粒的静床堆积密度ρb 和固体颗粒密度ρs 计算而得。

2) 固定床阶段压降Δp m 与空速u 的关系

当流体通过固定床的空速较小时,床层的高度基本不变;当流体空速趋于某一临界速度时,颗粒开始松动,床层才略有膨胀。因此,在此临界速度以前,单位高度的床层的压降(Δp m /L)与空速u 的关系可由欧根公式来表示,并把欧根公式改写成如下形式: ∆p m (1-ε) 2μ(1-ε) ρu (1) =K 1+K 2332uL εεψd m (ψd m )

式(1)中,以实验数据的空速u 为横坐标,以(Δp m /uL)为纵坐标画图得一直线,从直线的斜率中求出欧根系数K 2,从直线的截距中计算出欧根系数K 1。

4.2.2 流化床

1) 基本概念

当流体空速趋近某一临界速度u mf 时,颗粒开始松动,床层略有膨胀,床层高度有所增加;当空速继续加大,此时固体颗粒悬浮在流体中作上下、自转、摇摆等随机运动,好象沸腾的液体在翻腾,此时的颗粒床层称为流化床或沸腾床,临界速度u mf 称为起始流化速度。 流化床现象在一定的流体空速内出现,在此流速范围内,随着流速的加大,流化床高度不断增加,床层空隙率相应增大。流化床根据流体有性质不同,可分为以下两种类型。

1. 散式流化——若流化床中固体颗粒均匀地分散于流体中,床层中各处空隙率大致相等,床层有稳定的上界面,这种流化型式称为散式流化。当流体与固体的密度相差较小时会发生散式流化,如液-固体系。

2. 聚式流化——对气固体系,因流化床中气体与固体的密度相差较大,气体对固体的浮力很小,气体对颗粒的支撑主要靠曳力,此时气体通过床层主要以大气泡的形式出现,气泡上升到一定高度处会自动破裂,造成床层上界面有较大的波动,这种气固体系的流态化称为聚式流化。

2) 流化床阶段压降Δp m 与空速u 的关系

1. 流化床层的压降Δp m

对散式流化,流化阶段床层修正压强降Δp m 等于单位截面积床层固体颗粒的净重,即 Δp m = m( ρs –ρ)g/(Aρs )=L(1–ε)( ρs –ρ)g (2)

(2)表明,散式流化过程床层压降不随流体空速的变化而变化。对于聚式流化,由于气泡的形成与破裂,流化床层的压降会有波动,流化床层的压降曲线形状与散式流化压降曲线形状有一定的差异。

2. 起始流化速度u mf

起始流化速度u mf 可由固定床与流化床两阶段的“压降~空速”曲线的交点求出。另外,若起始流化时的雷诺数R mf

ρμ0. 88d m 1. 82 (3)

若R mf >10, 则由式(3)计算得到的u mf 还须乘以校正系数。

4.3实验装置流程

固体流态化装置流程图

4提供,依次经过气体流量调节阀○3、气体对空气~石英砂体系,流动的空气由鼓风机○

2、温度计○1及气体分布板后,穿过石英砂组成的床层,最后床层顶部○10排出。转子流量计○

空气的流量由气体流量计读出,空气通过床层的压降由U 形压差计读出,床层高度的变化由标尺杆测出。

对水~石英砂体系,其实验装置流程与空气~石英砂体系大体相似。

4.4 操作步骤

(1)用木棒轻轻敲打床层,使床层高度均匀一致,并测量出首次静床高度;

(2)打开电源,启动风机;

3(3)调节气体流量从最小刻度开始,然后气体流量每次增加0.5m /h,同时记录下相应的空

气流量、空气温度、床层压降等上行原始数据。最大气体流量以不把石英砂带出床层为准。

3(4)调节气体量从上行的最大流量开始,每次减少0.5m /h,直至最小流量,记录相应的下

行原始实验数据。

(5)测量结束后,关闭电源,再次测量经过流化后的静床高度。

培训重点:固定床与流化床的概念,根据实验数据确定起始流化速度。


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