固體流態(tài)化的流動特性實驗（示范實驗）

1.實驗?zāi)康?/p>

在環(huán)境工程專業(yè)，經(jīng)常有流體流經(jīng)固體顆粒的操作，諸如過濾、吸附、浸取、

離子交換以及氣固、液固和氣液固反應(yīng)等。凡涉及這類流固系統(tǒng)的操作，按其中

固體顆粒的運動狀態(tài)，一般將設(shè)備分為固定床、移動床和流化床三大類。近年來,

流化床設(shè)備得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。

固體流態(tài)化過程又按其特性分為密相流化和稀相流化。密相流化床又分為散

式流化床和聚式流化床。一般情況下，氣固系統(tǒng)的密相流化床屬于聚式流化床,

而液固系統(tǒng)的密相流化床屬于散式流化床。

①通過本實驗，認識與了解流化床反應(yīng)器運行。掌握解流化床反應(yīng)器啟動

中物料的連續(xù)流化方法及其測定的主要內(nèi)容，掌握流化床與固定床的區(qū)別，掌握

鼓泡流化床與循環(huán)流化床在本質(zhì)上的差異。

②測定流化床床層壓降與氣速的關(guān)系曲線

本實驗的目的，通過實驗觀察固定床向流化床轉(zhuǎn)變的過程，以及聚式流化床和

散式流化床流動特性的差異；實驗測定流化曲線和流化速度，并試驗驗證固定床

壓降和流化床臨界流化速度的計算公式。通過本實驗希望能初步掌握流化床流

動特性的實驗研究方法，加深對流體流經(jīng)固體顆粒層的流動規(guī)律和固體流態(tài)化

原理的理解。

2.實驗裝置與實驗原理介紹

流化床反應(yīng)器是一種易于大型化生產(chǎn)的重要化學(xué)反應(yīng)器。通常是指反應(yīng)物料

懸浮于從下而上的氣流或者液流之中，氣體或者液體中的成分在與反應(yīng)物料的

接觸中發(fā)生反應(yīng)。流化床反應(yīng)器在現(xiàn)代工業(yè)中的早期應(yīng)用為20世紀20年代出現(xiàn)

的粉煤氣化的溫克勒爐（見煤氣化爐）。目前，流化床反應(yīng)器已在電力、化工、

石油、冶金、核工業(yè)等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

與固定床反應(yīng)器相比，流化床反應(yīng)器的優(yōu)點是：①可以實現(xiàn)固體物料的連

續(xù)輸入和輸出；②流體和顆粒的運動使床層具有良好的傳熱性能，床層內(nèi)部溫

度均勻，而且易于控制，特別適用于強放熱反應(yīng)；③便于進行催化劑的連續(xù)再生

和循環(huán)操作，適于催化劑失活速率高的過程的進行，石油流化床催化裂化的迅速

發(fā)展就是這一方面的典型例子。

然而，由于流態(tài)化技術(shù)的固有特性以及流化過程影響因素的多樣性，對于

反應(yīng)器來說，流化床又存在明顯的局限性：①由于固體顆粒和氣泡在連續(xù)

流動過程中的劇烈循環(huán)和攪動，無論氣相或固相都存在著相當廣的停留時

間分布，導(dǎo)致不適當?shù)漠a(chǎn)品分布，陣低了目的產(chǎn)物的收率；②反應(yīng)物以氣

泡形式通過床層，減少了氣?固相之間的接觸機會，降低了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率；③

由于固體反應(yīng)物料在流動過程中的劇烈撞擊和摩擦，使物料加速粉化，加

上床層頂部氣泡的爆裂和高速運動、大量細粒反應(yīng)物料的帶出，造成明顯的

反應(yīng)物料流失；④床層內(nèi)的復(fù)雜流體力學(xué)、傳遞現(xiàn)象，使過程處于非定常條

件下，難以揭示其統(tǒng)一的規(guī)律，也難以脫離經(jīng)驗放大、經(jīng)驗操作。

本可視冷態(tài)流化床反應(yīng)器裝置有冷態(tài)流化床反應(yīng)器和一臺旋風式氣固分離器組

成。裝置包括框架、流化床主體，流化床主體固定在框架上，在流化床主體的上

下分別與一U形壓差計相連接，流化床主體上固定有加料倉、旋風分離器，中部

設(shè)有取樣器和氣流均布器，下部連接空氣分布管的出口端，空氣分布管的進口端

和轉(zhuǎn)子流量計的出口端連接，轉(zhuǎn)子流量計的入口端通過軟管和壓縮空氣泵連接,

轉(zhuǎn)子流量計上、下端分別連接另一個U形壓差計，轉(zhuǎn)子流量計和壓縮空氣泵固定

在地面基礎(chǔ)上，壓縮空氣泵通過線路和配電箱連接。實驗示意流程見下圖所示。

圖流化床特性測試流程圖

通過該實驗裝置可完成冷態(tài)流化床氣動力特性實驗、布風板布風均勻性實驗、

流化床料層阻力特性實驗、流化床物料流化特性實驗、流化床反應(yīng)器內(nèi)氣體一

一顆粒兩相流動特性研究。通過上述研究，為布風板結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能改進、流

化床反應(yīng)器的點火啟動與運行提供正確的依據(jù)。

3.實驗步驟與方法

(1)啟動空壓機后，啟動空氣壓縮機(空氣流量已設(shè)定好，壓力定位0.8Mpa),

待穩(wěn)定后，開啟閥門，使壓縮空氣進入流化床，調(diào)節(jié)流量計至所需流量，測定空

管時壓力降與流速關(guān)系，記錄床層高度及床中給點壓力變化，以作比較。

(2)關(guān)閉氣源，小心打開反應(yīng)器，裝入己篩分的一定粒度，石英砂，檢漏。

(3)通入氣體，在不同氣速下觀察有機玻璃反應(yīng)器中流化現(xiàn)象，測定不同氣

速下床層高度與壓降值。

(4)改變石英砂粒度，重麥實驗。

(5)在某一實驗點，去掉氣體分布板，觀察流化狀態(tài)有何變化。

(6)實驗結(jié)束，關(guān)閉空壓機。待所有實驗工作后，清理打掃實驗室。

實驗過程中應(yīng)特別注意下列事項：

(1)、起動氣泵前必須完全打開放空閥。

(2)、循環(huán)水泵和風機的啟動和關(guān)閉必須嚴格遵守上述操作步驟。無論是開機、

停機或調(diào)節(jié)流量，必須緩慢地開啟或關(guān)閉閥門。

(3)、當流量調(diào)節(jié)值接近臨界點時，閥門調(diào)節(jié)更須精心細微，注意床層的變化。

4.流化床特性測試流化實驗

實驗用的固體物料是不同粒度的石英砂，氣體用空氣。由空氣壓縮機來

的空氣經(jīng)穩(wěn)壓閥穩(wěn)壓后，由轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)計量，隨后可通入裝有石英砂固體顆

粒的流化床反應(yīng)器，氣體經(jīng)分布板吹入床層，從反應(yīng)器上部引出后放空。床層壓

力降可通過U型壓差計測得在實驗中，可以通過測量不同空氣流量下的床層壓

降，得到流化床床層壓降與氣速的關(guān)系曲線當氣速較小時，操作過程處于固定床

階段，壓降與流速成正比，斜率約為1(在雙對數(shù)坐標系中)。氣速逐漸增大，進

入流化階段，床層壓降基本保持不變，等于單位面積的床層凈重。當氣速繼續(xù)增

大到帶出速度后，進入氣流輸送階段。

4.1.冷態(tài)流化床氣動力特性實驗

通過實驗，可了解自行設(shè)計的冷態(tài)流化床布風系統(tǒng)一一風室、風帽、布風板

等的阻力損失，并了解其阻力損失隨風量的變化，為布風板結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能改

進、流化床反應(yīng)器的點火啟動與運行提供正確的依據(jù)。

4.2.布風板布風均勻性試驗

流化床鍋爐要求布風裝置配風均勻，以消除死區(qū)和粗顆粒沉淀，使底部流化

質(zhì)量良好。布風板布風是否均勻是循環(huán)流化床鍋爐能否正常運行的關(guān)鍵。爐東風

量分配是否均勻，風帽是否rr不暢的現(xiàn)象、漏風的現(xiàn)象，將直接影響流化質(zhì)量的

好壞和料層的阻力特性。一般說來，只要布風板設(shè)計、安裝合理，床料配制均勻,

床面會比較平整；如若不平整則表明布風有問題，要解決問題后方能啟動，不然

運行中將出事故。根據(jù)經(jīng)驗表明采用小直徑風帽，合理布置風帽數(shù)量和風帽排列

方式，設(shè)計良好的等壓風室，在允許的范圍內(nèi)增大風帽的開孔率，將會使布風情

況更理想。

43料層阻力特性實驗

料層阻力是指流體通過布風板上的料層時將產(chǎn)生阻九即流體壓力損失。通

過料層阻力特性實驗兀測定料層壓降與留話速度之間的關(guān)系，以確定在運行中

需要多高的料層厚度，增加或減少料層高度、以滿足正常安全運行的需要，并確

定臨界流化速度。

4.4.物料流化特性實驗

流化床反應(yīng)器具有高效的傳熱、傳質(zhì)特性，而處理物料的適應(yīng)性很強，污染

排放特性容易控制，負荷調(diào)節(jié)靈活、范圍大。因此，目前來看，采用流化床反應(yīng)

器處理農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物、城市生活垃圾、污泥等有機固體廢棄物有著巨大的生

命力。但由于上述原料與流化床反應(yīng)器內(nèi)床料密度相比較小，因此，研究上述原

料在流化床反應(yīng)器中的臨界流化速度非常重要。通過物料流化特性實驗研究，可

掌握各種原料在流化床中流化特性及其流化速度，為其工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)。

45流化床反應(yīng)器內(nèi)氣體一一顆粒兩相流動特性

通過此項研究，可了解各種原料在流化床內(nèi)懸浮空間氣固兩相流動特性，解析

物料磨損、揚析機理，得到反應(yīng)器幾何參數(shù)、工況運行參數(shù)對氣固運動規(guī)律的影

響，從而為物料在流化床反應(yīng)器中的運行提供更加合理的依據(jù)。

5.實驗結(jié)果整理

5.1.記錄實驗設(shè)備和操作的基本參數(shù)

(1)設(shè)備參數(shù)

氣一固系統(tǒng)

柱體內(nèi)徑:(1=中100mm

靜床層高度:Ho=100min

分布器形式：風帽形式

(2)固體顆?；緟?shù)

氣一固系統(tǒng)液一固系統(tǒng)

固體種類和顆粒形狀：

硅膠球玻璃微珠

平均粒徑：

dp=mmdp=mm

顆粒密度：

ps=kgm3ps=kgm3

堆積密度：

pb=kgm3pb=kg-m3

孔隙率：

8=￡=

(3)流體物性數(shù)據(jù)

流體種類：空氣

溫度:Tg二℃

密度：Pg=kg-m3

粘度：［g二Pa?s

5.2、將測得的實驗數(shù)據(jù)和觀察到的

現(xiàn)象，參考下表做洋細記錄：

實驗序號

R/mmHzO

空氣流量

Va/m^s-1

空氣空塔速度，uo/m3?s-1

床層壓降，△p/mmH2O

床層高度，H/mm

膨脹比，R/-

流化數(shù)，K/-

實驗現(xiàn)象

5.3.在雙對數(shù)坐標紙上標繪△p-uo關(guān)系曲線，并求出臨界流化速度umf。將實驗

測定值與計算進行比較，算出相對誤差。

5.4,在雙對數(shù)坐標紙上標繪固定床階段的Rem-1m的關(guān)系曲線。將實驗測定曲

線與由計算值標繪的曲線進行對照比較。

6.思考題

1.氣體通過顆粒床層時;可觀察到那些現(xiàn)象？為什么？

2.流體床的特征是什么？在工程上有何應(yīng)用？

3、實驗中升速和降速操作的兩組數(shù)據(jù)，有時兩者相近，有時兩者不同，為什么？

4.為什么在散式流化中壓降波動小，而在聚式流化中壓降波動大？

5、如何判斷流化床的操作是否正常？

2旋風除塵器性能測定（示范實驗）

1.實驗?zāi)康?/p>

2.旋風除塵器是利用旋轉(zhuǎn)氣流產(chǎn)生的離心力使塵粒從氣流中分離的裝置。它

具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛、種類繁多等特點。通過本實驗，掌握旋風除塵

器性能及其測定的主要內(nèi)容，并且對影響旋風除塵器性能的主要因素有較

全面的了解。

3.基本原理

（2.1）旋風除塵器的除塵原理

含塵空氣由除塵器的進口切線方向進入除

塵器的內(nèi)外筒之間，由上向下作旋轉(zhuǎn)運動

（形成外渦旋），逐漸到錐體底部。氣流中

的灰塵在離心力的作用下被甩向外壁，由于

重力作用以及向下氣流的帶動而落入底部

集塵斗。向下的氣流到達錐體的底部后，沿

除塵器的軸心部位轉(zhuǎn)而向上，形成旋

轉(zhuǎn)上升的內(nèi)渦旋，并由除塵器的出口排出。

（2.2）旋風除塵器壓力損失和阻力系數(shù)的測定

本實驗采用靜壓法測定旋風除塵器的壓力損失。由于本實驗裝置中除塵器

進、出口接管的斷面積相等，氣流動壓相等，所以除塵器壓力損失等于進、出口

接管斷面靜壓之差，即

式中：Psi—除塵器進口靜壓（Pa）

Pso—除塵器出口靜壓（Pa）

測出旋風除塵器的壓力損失后，便可計算出旋風除塵器的阻力系數(shù)

雨/2

式中：vl—旋風除塵器進口風速,m/s。

P—含塵氣體的密度,kg/m3

（2.3）旋風除塵器效型的測定

4.采用質(zhì)量法測定，測出同一時段進入除塵器的粉塵質(zhì)量Gf(g)和除塵捕集

的粉塵質(zhì)?Gs(g),則除塵效率：

5.儀器設(shè)備

6.1.旋風除塵裝置；2.U型壓差計；3.干濕球溫度計；4.托盤天平

7.實驗步驟

1.