实验六 固体流态化的流动特性实验

一、

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。

二、 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

pmHdmp2u0 （1） 2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：

1mm23m150 （2） 1.75Rem式中，ε

m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：

Remdpu011m （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

lg－lg umf u0

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

pSHfS(1f)(s)g (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，ρ为流体的密度Kg·m，由此可得出流化床压力降的计算公式：

pHf(1f)(s)g (5)

-3

-3

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的计算式：

um,f2dp(1m,f)(s)1mm

12面

f,u0=umf因此联立(1)和(5)两式即可得临界流化速度

（6）

若式中固定床的摩擦系数λ

速度。

按式(2)计算，则联立(2)和(6)两式即可计算得到临界流化

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。

四、 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。

6 7 5 4 8 9 3 2 图3气固系统流程图

1

1、放空阀；2、空气调节阀；3、孔板流量计；4、孔板流量计的压差计；5、压差计；

6、滤网；7、床体；8、固体颗粒层；9、分布器。

待循环水泵和风机运转正常后，先徐徐开启水调节阀，使水流量缓慢增大，观察床层的变化过程；然后再徐徐开启空气调节阀和关小放空阀，联合调节阀改变空气流量，观察床层的变化过程。

完成第一步实验操作后，先关闭水调节阀，再停泵，继续进行第二步实验操作，若测定不同空气流速下。床层的压力降和床层高度。实验可在流量由小到大，再由大到小反复进行。实验完毕，先打开放空阀，后关闭调节阀，再停机。

实验过程中应特别注意下列事项：

a) 循环水泵和风机的启动和关闭必须严格遵守上述操作步骤。无论是开机、停机

或调节流量，必须缓慢地开启或关闭阀门，并同时注视压差计中液柱变化情况，严防压差计中指示液冲入设备。

b) 当流量调节到接近临界点时，阀门调节更需要精心细微，注意床层的变化。 c) 实验完毕，必须将设备内的水排放干净，切莫将杂质混入循环水中，以防堵塞

分布器和滤网。

五、 实验结果整理

1、录实验设备和操作的基本参数 ii. 设备参数

柱体内径：d＝φ50 mm 静床层高度：H0=100 mm 分布器形式：

iii. 固体颗粒基本参数

固体种类：气固系统（硅胶球） 液固系统（玻璃微珠） 颗粒形状：

孔流系数k＝0.61 孔流系数k＝0.6025 孔板孔径：d＝0.003m 孔板孔径：d＝0.003m 平均粒径：dp=0.35 mm dp= 1.5 mm 颗粒密度：ρs= 924 Kg·m-3 ρs= 1937 Kg·m-3 堆积密度：ρb= 475 Kg·m-3 ρb= 1160 Kg·m-3

空隙率（iv.

sbs）：ε＝ 0.486 ε＝0.401

流体物性数据

流体种类： 空气 水

温 度：Tg ＝ ℃ Tt＝ ℃

密 度：ρb= Kg·m-3 ρb= Kg·m-3 粘 度：μg= Pa·s μt= Pa·s

2、测得的实验数据和观察到的现象，参考下表做详细记录： 实 验 序 号 R 空气流量 Vs 空气空塔速流，u0 床层压降，Δp 床层高度，H 膨胀比，R 流化数，K 实 验 现 象 3、在双对数座档纸上标绘Δp－u0关系曲线，并求出临界流化速度um,f.。u0将实验测试定值与计算进行比较，算出相对误差。

4、在双对数坐标纸上标绘固定床阶段的的Remm关系曲线。将实验测定曲

线与由计算值标绘的曲线进行对照比较。

附：孔板流量计计算流体流速公式

QF02p

3

其中：Q：体积流量m/s；

α：流体流经孔板的流量系数；

ε：流体膨胀系数； F0：孔板孔口横截面积，F0ΔP：孔板前后的压差； ρ：被测流体的密度

流体质量流量公式： QF02p （kg/s）

4d0；

2