固体流态化的流动特性实验.doc

固体流态化的流动特性实验

一、实验目的
1.通过实验观察固定床向流化床转变的过程，及聚式流化床和散式流化床流动特性的差异。
2.测定流化曲线和临界流化速度。
3.验证固定床压降和流化床临界流化速度的计算公式。
4.初步掌握流化床流动特性的实验研究方法，加深对流体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
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，流化床设备得到越来越广泛的应用。
固体流态化过程按其特性可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，而液固系统密相流化床属于散式流化床。
当流体流经固定床内固体颗粒之间的空隙时，随着流速的增大，流体与固体颗粒之间所产生的阻力也随之增大，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。一种较为常用的公式可以仿照流体流经空管时的压降公式（Moody公式）列出。即：
图4-1在双对数坐标上绘出的流体流经
固定床和流化床的压力降示意图
（4-1）
式中Hm——固定床层的高度，m；
dp——固体颗粒的直径，m；
u0——流体的空管速度，m／s；
ρ——流体的密度，kg/m3；
λm——固定床的摩擦系数。
由固定床向流化床转变时的临界速度umf，也可由实验直接测定。实验测定不同流速下的床层压降，再将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4-1所示。
为计算临界流化速度，我们可采用下面这种半理论半经验的公式
（4-2）
式中μ——流体的黏度，Pa／s；
dp一一平均粒径，m；
ρs——填料密度，kg/m3；
εm——空隙率。
三、实验装置
图4-2液-固系统流程图
1—高位稳压水槽：2—水调节阀；3—孔板流量计；
4—U形压差汁；5—滤网；6—床体；7—固体颗粒层；
8—分布器；9—倒置U形差计
图4-3气-固系统流程图
1一放空阀；2一空气调节阀；3一孔板流量计；4一孔板流量计
的压差计；5一压差计；6一滤网；7一床体；8一固体颗粒层；
9一分布器
本实验装置是CEA-F04型固体流态化实验仪(北京新华教仪厂)，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，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4-2所示。水自循环泵或高位稳压水槽，经调节阀和孔板流量计，由设备底部进入。水进入设备后，经过分布器均匀分布，由下而上通过颗粒层，最后经过顶部滤网排入循环水槽。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-固系统如图4-3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，经分布器的均匀分布，由下而上通过颗粒层，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差计显示读数。
四、实验步骤
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。将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。
循环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，再由大到小过程中反复进行。实验完毕，先打开放空阀，然后关闭调节阀，再停机。
五、注意事项
1.循环水泵和风机的启动和关机必须严格遵守以上操作步骤。无论是开机、停机、或调节流量，必须缓慢地开启或关闭阀门，并同时注意压差计中液柱变化情况，严防压差计中指示液冲入设备。
2.当流量调节至临界点时，阀门调节更需精心细微，注意床层的变化。
3.实验完毕，必须将设备内的水排放干净，切莫将杂物混入循环水中，以防堵塞分布器和滤网。
六、计算参考数据
以下为进行数据处理时可能会用到的参考数据：
1．水-玻璃微珠
床层内径：d＝50mm；
静床层高度：H0＝120mm；
孔板流量计锐孔直径：d0＝7mm；
孔流系数（参考值）：C0＝0.61；
平均粒径：dp＝1.5mm；
堆积密度：ρb＝1160kg/m3；
填料密度：ρs＝1937kg/m3；
空隙率：εm＝0.401。
2．空气-硅胶颗粒
床层内径：d＝