实验报告
题目：测定3um石英砂临界流化速度别：第3组
日期：2016年1月26日
组
流化床临界速度的测量实验报告
一、实验目的
1） 观察流态化的实验现象，学习通过颗粒床层流动特性的测量方法; 2） 了解测量临界流化速度的方法和仪器的使用； 3） 测定临界流化速度，并作出流化曲线图；
二、实验原理
流态化是一种使用固体颗粒通过与流体接触而转变成类似于流体状态的操作。近年来，这 种技术发展很快，许多工业部门在处理粉粒状物料的输送、混合、涂层、换热、干燥、吸附、 煅烧和气---固反应过程等过程中，都广泛地应用了流态化技术。
固体流态化过程的基本概念
如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的 阶段，如下图所示:
固定床
流化床
流化过程的几个阶段
气力输送
1)
固定床阶段
如果流体通过颗粒床层的表观速度（即空床速度）
U较低，使颗粒空隙中流
体的真实速度U，则小于颗粒的沉降速度U则颗粒基本上保持静止不动，颗粒称为固定床。
2） 流化床阶段
当流体的表观速度U加大到某一数值时，真实速度 U比颗粒的沉降速度U
大了，此时床层内较小的颗粒将松动或“浮起”，颗粒层高度也有明显增大。但随着床层的膨 胀，床内空隙率&也增大，而 U=U/£，所以，真实速度U随后又下降，直至降到沉降速度 U 文档 为止。也就是说，在一定的表观速度下，颗粒床层膨胀到一定程度后将不再膨胀，此时颗粒悬 浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床。因为流 化床的空隙率随流体表观
速度增大而变化，因此，能够维持流化床状态的表观速度可以有一个 较宽的范围。实际流化床操作的流体速度原则上要大于起始流化速度，又要小于带出速度，而 这两个临界速度一般均有实验得出。
3）颗粒输送阶段
如果继续提高流体的表观速度 U,使真实速度U大于颗粒的沉降速度U，则颗粒将被气流 带走，此时床层上界面消失，这种状态称为气力输送。
2、固体流态化的分类
流化床按其性状的不同，可以分为两类，即散式流态化和聚式流态化。
散式流态化一般发生在液一固系统，此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动 程度是平缓的加大的，床层的上界面较为清晰。
聚式流态化一般发生在气一固系统，这也是目前工业上应用较多的流化床形式，从开始流 态化开始，床层的波动逐渐加剧，但其膨胀程度却不大。因为气体与固体的密度差别较大，气 体要将固体颗粒推起来比较困难，所以只有小部分气体在颗粒间通过，大部分气体则汇成气泡 穿过床层，而气泡穿过床层时造成床层波动，它们在上升过程中逐渐长大和相互合并，到达床 层顶部则破裂而将该处的颗粒溅散，使得床层上界面起伏不定。床层内的颗粒则很少分散开来 各自运动，而多是聚结成团地运动，成团地被气泡推起或挤开。
聚式流态化
聚式流态化床中有以下两种不正常现象:
腾涌现象 如果床层高度与直径的比值过大，气速过高时，就容易产生气泡的相互聚合, 而成为大气泡，在气泡直径长大到与床径相等时，就将床层分为几段，床内物料以活塞推进的 方式向上运动，在达到上部后气泡破裂，部分颗粒又重新回落，这既是腾涌，又称为节涌。腾 涌严重地降低床层的稳定性，使气一固之间的接触状况恶化，并使床层受到冲击，发生振动， 损坏内部构件，加剧颗粒的磨损与带出
沟流现象 在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分别不良，可在床内局部地方 形成沟流。此时，大量气体经过局部地区的通道上升，而床层的其余部分仍处于固定床阶段而 未被流化（死床）。显然，当发生沟流现象时，气体不能与全部颗粒良好接触，将使工艺过程 严重恶化。
3、流化床压降与流速的关系
流化速度定义：
Q _气体体积流量 F二床层横截面积
流化数： n=U/Umf
流化形成的条件和流态化的基本特征：
（1）流态化是一种由于流体向上流过固体颗粒堆积的床层，使得颗粒具有一般流体性质的
现象。
（2）当流体速度较低时，床层处于固定床状态，此时，流体与床层压降的关系可用 公式（Ergun，1949）表示。Ergun公式是流态化原理中十分重要的一个公式：
Ergun
—=150
(11
△ P—床层压降
) u (12 1.75
- 2
dv
2
2 1
u dv
2
H —床咼
£—床层空隙率 卩-流体动力粘度
u dv
-表观流速
-颗粒等体积当量直径
p f —流体密度
当流体流速达到临界流化速度后，△ P与流速的关系不再遵从Ergun公式
均匀粒度沙粒床层的压降与气速的关系:
£寻进田
宽筛分粒度床层的压降与气速的关系:
10
5
O fncreasing velocity • Decreasing ve/ocfty
0 20 40
uc (cm/s)
当床料处于临界流化状态时：
:
p = [ r p([ - ； mf) r f ； m, gHmf
上式与Ergun公式联立，并考虑颗粒球形度© s后可得：
2
175
150(1
2
'f
)g )=
s ；mf 3
(亠)
一八
、d
p 'f(—A
•L2
Wen C. Y.和Yu Y. H.试验发现:
14
s；mJ
11
代入前式得到：
0.5
dpU3
mf ' f
C(、p- f)g 12
Cdp'f2
-C1
即:
一 2
°5
Remf = C1 C2Ar - C1
式中，C1= 33.7，C2= 0.0408
当颗粒较细, Remf较小时，Ergun公式中的粘性力项占主导，惯性力项可忽略，即:
Rep ：：： 20时 UdpCp
f
)g
mf
16501
当颗粒较粗, Remf较大时，Ergun公式中的惯性力项占主导，粘性力项可忽略，即:
Re p 1000 时 dpCp f)g Umf
24.5 f
采用Grace公式（C仁27.2;C2=0.0408）计算得到的Remf与压力条件下的测试结果比较吻
合: Grace公式:
Remf (27.22 0.0408 Ar)05 -27.2
三、实验方法
实验过程中，由于测压是测的布风板以下和装置出口的压力，所以测的压力多了布风板的 压力，得到的总压为：？ P=? P布风板+? P物料
因此，实验前先测定布风板总压？ P布风板，再测定有物料时候的总压？ P物料。这样就计算出
实际要
测定的总压。
四、实验装置和仪器
实验装置
主要仪器：冷态流化床实验装置，空气压缩机，
U形压差管，烧杯，电子秤。
五、实验步骤
1、 首先用烧杯称取500g石英砂，筛分直径为0.03um,作为实验备用； 2、 检查实验设备的连接是否完好的；
3、 开始测空床布风板的压差，启动风机，调整流量到 0,稳定之后再调到250,稳定后记 录，然后按
照压差差值为250逐渐上调，依次记录数据，直到调到 2500,然后再以250的差值 往下调，调到250,记录数据。实验重复测定三次。停止风机运行。
4、 测定完布风板压力后，开始装入物料。启动风机，调整流量到 0,稳定之后再调到250, 稳
定后记录，然后按照压差差值为 250逐渐上调，依次记录数据，并观察流化态的生成过程， 预测临界点，在临界点出作微调，然后再以 250的差值调，直到调到2500,然后再以250的差 值往下调，同样在临界点作微调，然后再以 250的差值调到250,记录数据。并记录下实验过程 中出现流化态时的图片，实验重复测定三次。
5、 测定完物料压力后，停止运行，取出物料，整理数据。
六、实验数据
1、空床压差
空床流量 1组上 1组下 2组上 2组下 3组上 3组下 行 行 行 行 行 行 上行均值 下行均值 250 30 40 40 60 50 60 40 53.33 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 40 80 120 200 310 400 500 610 740 70 110 180 260 340 420 520 630 740 50 80 160 220 290 400 450 600 700 70 120 70 70 120 180 230 330 410 510 610 710 53.33 80 140 210 293.33 396.67 480 603.33 716.67 70 116.67 180 250 336.67 416.67 520 616.67 716.67 80 180 140 260 210 340 280 420 390 530 490 610 600 700 710 2、物料压差
加物 料流量
1组
上行
1组
下行
2组
上行
2组
下行
3组
上行 3组 ―I_* /—下仃 630 1150 1590 1950 2020 2140 2250 2360 2450 2560
上行均值 下行均值
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250
930 1850 1880 2020 2140 2150 2300 2350 2450 2550
650 1180 1730 1950 2030 2150 2220 2350 2450 2550
600 1240 1820 1940 2030 2140 2220 2345 2470 2520
640 1020 1430 1920 2010 2080 2220 2340 2430 2520
620 1200 1610 1940 2020 2110 2240 2340 2460 2550
716.67 1430 1770 1966.67 2063.3 2133.3 2253.3 2345 2460 2540
640 1116.67 1583.33 1940 2020 2123.33 2230 2350 2443.33 2543.33
2500
3、物料高度差 250 500 750 800 900 950 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
0.125m 0.125m 0.125m 0.125m 0.125m 0.125m 0.135m 0.147m 0.15m 0.17m 0.18m 0.20m 0.21m
七、实验数据整理
3
3
1, 原始数据：流量计单位m/h ,最大量程2.5m /h ,温度20° （室温），流化床直径60*5mm （60是外径，内径50），U形管里面介质是水，石英砂质量为 500g,筛分直径为300um 2,
由于实验的上行数据存在迟滞效应，所以所以结果采用下行数据，其中实际需要测量的 压差为：？ P=? P布风板+? P物料,所以临界流化压差为？ P物料=? P-? P布风板，实验数据整理如下：
流量 ? P下行均值 ? P布风板下行均值 250 640 53.33 500 1116.67 70 750 1583.33 116.67 1000 1940 180 1250 2020 250 1500 2123.33 336.67 1750 2230 416.67 2000
2350 520 2250 2443.33 616.67
2500
2543.33
716.67
3数据处理得到的折线图：
临界流化压差
3000
——加物糾圧差——空床圧羞——实断圧差
? P物料实际压力值
586.67 1046.67 1466.67 1760 1770 1786.67 1813.33 1830 1826.67 1826.67
4实验图片
八、数据分析与结果
Q 气体体积流量 床
根据
层横截面积
由所以所得数据，可知在流量为 950m3/h的时候，为临界流化状态开始的临界点，这个时均值在1830pa。
由公式
u
m
=Q/F=950/0.05*3.14 2*3600=0.54 m 2
/s
再由Grace公式计算：
Remf(27.22 0.0408Ar)0.5 - 27.2
其中Ar为阿基米德数：Ar=Lg p i ( p - p i)/卩 得到 umf=0.4592
误差为=(0.54-0.4592 ) /0.54=14.96%
候的压差 九、实验总结
通过实验，结果数据分析与处理，可以看到，实验得到的结果，与用 Grace 经验公式计算 的误差不是很大，出现误差的原因是不可避免的，因为所有条件可能不一样，实验装置本身的 误差也会导致误差的出现。总之，通过实验，对实验过程有了了解，对传热传质的过程有了实 际的了解。在这次实验当中，首先感谢吴烨老师的指导，其次就是各组员的合作，让实验顺利 进行。
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