實(shí)驗(yàn)六固體流態(tài)化的流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

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1、實(shí)驗(yàn)六固體流態(tài)化的流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑诨瘜W(xué)工業(yè)中，經(jīng)常有流體流經(jīng)固體顆粒的操作，諸如過(guò)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一般將設(shè)備分為固定床、移動(dòng)床和流化床三大類。近年來(lái)，流化床設(shè)備得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。固體流態(tài)化過(guò)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。本實(shí)驗(yàn)的目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察固定床向流化床轉(zhuǎn)變的過(guò)程，以及聚式流化床和散式流化床流動(dòng)特

2、性的差異；實(shí)驗(yàn)測(cè)定流化曲線和臨界流化速度，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證固定床壓降和流化床臨界流化速度的計(jì)算公式。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)希望能初步掌握流化床流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究方法，加深對(duì)流體流經(jīng)固體顆粒層的流動(dòng)規(guī)律和固體流態(tài)化原理的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)流態(tài)流經(jīng)固定床內(nèi)固體顆粒之間的空隙時(shí)，隨著流速的增大，流態(tài)與固體顆粒之間所產(chǎn)生阻力也隨之增大，床層的壓強(qiáng)降則不斷升高。為表達(dá)流體流經(jīng)固定床時(shí)的壓強(qiáng)降與流速的函數(shù)關(guān)系，曾提出過(guò)多種經(jīng)驗(yàn)公式?，F(xiàn)將一種較為常用的公式介紹如下：流體流經(jīng)固定床的壓降，可以仿照流體流經(jīng)空管時(shí)的壓降公式（Moody公式）列出。即（1）式中，Hm為固

3、定床層的高度，m、dp為固體顆粒的直徑，m、u0為流體的空管速度，m·s－1；ρ為流體的密度，Kg·m－3；λm為固定床的摩擦系數(shù)。固定床的摩擦系數(shù)λm可以直接由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，厄貢(Ergun)提出如下經(jīng)驗(yàn)公式：（2）式中，εm為固定床的空隙率；Rem為修正雷諾數(shù)。Rem可由顆粒直徑dp，床層空隙率εm，流體密度ρ，流體粘度μ和空管速度u0，按下式計(jì)算：（3）由固定床向流化床轉(zhuǎn)變式的臨界速度umf，也可由實(shí)驗(yàn)直徑測(cè)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同流速下的床層壓降，再降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，由作圖法即可求得臨界流化速度，如圖1所示。ΔP

4、lg－lgumfu0圖1流體流經(jīng)固定床和流化床時(shí)的壓力降為計(jì)算臨界流化速度，研究者們也曾提出過(guò)各種計(jì)算公式，下面介紹的為一種半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式：當(dāng)流態(tài)化時(shí)流體流動(dòng)對(duì)固體顆粒產(chǎn)生的向上作用力，應(yīng)等于顆粒在流體中的凈重力，即(4)式中，S為床層的橫截面積m2，Hf為床層的高度m，εf為床層的空隙率；ρs為固體顆粒的密度Kg·m-3，ρ為流體的密度Kg·m-3，由此可得出流化床壓力降的計(jì)算公式：(5)當(dāng)床層處于由固定床向流化床轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)時(shí)，固定床壓力降的計(jì)算式與流化床的計(jì)算式應(yīng)同時(shí)適用。這時(shí)，，Hf=Hmf，εf＝ε面f,u0=umf因此

5、聯(lián)立(1)和(5)兩式即可得臨界流化速度的計(jì)算式：（6）若式中固定床的摩擦系數(shù)λm按式(2)計(jì)算，則聯(lián)立(2)和(6)兩式即可計(jì)算得到臨界流化速度。最后，尚需進(jìn)一步指出，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得出的固定床壓力降和臨界流化速度的計(jì)算公式，除以上介紹的算式之外，文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的至今已達(dá)數(shù)十種之多。但大都不是形式過(guò)于復(fù)雜，就是應(yīng)用局限性和誤差較大。一般用實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)量最為可靠，而這種實(shí)驗(yàn)方法又較為簡(jiǎn)單可行。流化床的特性參數(shù)，除上述外，還有密相流化與稀相流化臨界點(diǎn)的帶出速度uf、床層的膨脹比R和流化數(shù)K等，這些都是設(shè)計(jì)流化床設(shè)備時(shí)的重要參數(shù)。流化床的床

6、高Hf與靜床層的高度H0之比，稱為膨脹比，即：R=Hf/H0(7)流化床實(shí)際采用的流化速度uf與臨界流化速度um,f之比稱為流化數(shù)，即：K=uf/um,f(8)三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置采用氣－固和液－固系統(tǒng)兩套設(shè)備并列。設(shè)備主體均采用圓柱形的自由床。圖2液固系統(tǒng)的流程圖內(nèi)分別填充球粒狀硅膠和玻璃微珠。分布器采用篩網(wǎng)和填滿玻璃球的圓柱體。柱頂裝有過(guò)濾網(wǎng)，以阻止固體顆粒帶出設(shè)備外。床層上均有測(cè)壓口與壓差計(jì)相接。液固系統(tǒng)的流程如圖2所示。水循環(huán)水泵或高位穩(wěn)壓水槽，經(jīng)調(diào)節(jié)閥和孔板流量計(jì)；由設(shè)備底部進(jìn)入。水進(jìn)入設(shè)備后，經(jīng)過(guò)分布器分布均勻，由下而上

7、通過(guò)顆粒層，最后經(jīng)頂部過(guò)濾網(wǎng)排入循環(huán)水槽。水流量由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，并由孔板流量計(jì)的壓差計(jì)顯示讀數(shù)。氣固系統(tǒng)的流程如圖3所示，空氣自風(fēng)機(jī)經(jīng)調(diào)節(jié)閥和孔板流量計(jì)，由設(shè)備底部進(jìn)入，空氣進(jìn)入設(shè)備后，經(jīng)分布器分布均勻，由上而下通過(guò)顆粒層，最后經(jīng)頂部濾網(wǎng)排空?？諝饬髁坑烧{(diào)節(jié)閥和放空閥聯(lián)合調(diào)節(jié)，并由孔板流量計(jì)的壓力降顯示讀數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)方法本實(shí)驗(yàn)可分兩步進(jìn)行：第一步，觀察并比較液固系統(tǒng)流化床和氣固系統(tǒng)流化床的流動(dòng)狀況；第二步，實(shí)驗(yàn)測(cè)定空氣或水通過(guò)固體顆粒測(cè)的特性曲線。在實(shí)驗(yàn)開始前，先按流程圖檢查各閥門開閉情況。降水調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥全部關(guān)閉，空氣放空閥完全

8、打開。然后，再啟動(dòng)循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)。675481932圖3氣固系統(tǒng)流程圖1、放空閥；2、空氣調(diào)節(jié)閥；3、孔板流量計(jì)；4、孔板流量計(jì)的壓差計(jì)；5、壓差計(jì)；6、濾網(wǎng)；7、床體；8、固體顆粒層；9、分布器。待循環(huán)水泵和風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正