实验名称: 固体流态化实验 

一 实验目的 

1 观察聚式和散式流化现象。

2 测定床层的堆积密度和空隙率

3 测定流体通过颗粒床层时的压降Δpm与空塔气速u的曲线和临界流化速umf

二、实验装置流程示意图及实验流程简述

对空气~石英砂体系，流动的空气由鼓风机○4提供，依次经过气体流量调节阀○3、气体转子流量计○2、温度计○1及气体分布板后，穿过石英砂组成的床层，最后床层顶部○10排出。空气的流量由气体流量计读出，空气通过床层的压降由U形压差计读出，床层高度的变化由标尺杆测出。 

对水~石英砂体系，其实验装置流程与空气~石英砂体系大体相似。

三、简述实验操作步骤及安全注意事项

1 操作步骤

（1）用木棒轻轻敲打床层，使床层高度均匀一致，并测量出首次静床高度； （2）打开电源，启动风机； 

（3）调节气体流量从最小刻度开始，然后气体流量每次增加0.5m3

/h，同时记录下相应的空气流量、空气温度、床层压降等上行原始数据。最大气体流量以不把石英砂带出床层为准。 

（4）调节气体量从上行的最大流量开始，每次减少0.5m3/h，直至最小流量，记录相应的下行原始实验数据。 

（5）测量结束后，关闭电源，再次测量经过流化后的静床高度。比较两次静床高度的变化。 

（6）在临界流化点之前必须保证有六点以上数据，且在临界流化点附近应多测几个点。

四、实验装置的主要设备仪器一览表

表1 主要实验仪器设备一览表

五、学习体会与建议

1 流体分布板的作用 ：使流体均匀分布，防止流体的不良初始分布使传递效率急剧下降

2 实际流化时，由压差计测得的广义压差会有波动，为正常现象

 

第二篇：实验六 固体流态化的流动特性实验

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

          （1）

式中，H_m为固定床层的高度，m、d_p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；λ_m为固定床的摩擦系数。

固定床的摩擦系数λ_m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：

           （2）

式中，ε_m为固定床的空隙率；Re_m为修正雷诺数。Re_m可由颗粒直径d_p，床层空隙率ε_m，流体密度ρ，流体粘度μ和空管速度u₀，按下式计算：

                  （3）

由固定床向流化床转变式的临界速度u_mf，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

u_mf                          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

                (4)

式中，S为床层的横截面积m²，H_f为床层的高度m，ε_f为床层的空隙率；ρ_s为固体颗粒的密度Kg·m^-3，ρ为流体的密度Kg·m^-3，由此可得出流化床压力降的计算公式：

                       (5)

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，，H_f=H_mf，ε_f＝ε_面f,u₀=u_mf因此联立(1)和(5)两式即可得临界流化速度的计算式：

              （6）

若式中固定床的摩擦系数λ_m按式(2)计算，则联立(2)和(6)两式即可计算得到临界流化速度。

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u_f、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H_f与静床层的高度H₀之比，称为膨胀比，即：R = H_f  / H₀                      (7)

流化床实际采用的流化速度u_f与临界流化速度u_m,f之比称为流化数，即：K=u_f/u_m,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、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：d_p=0.35  mm           d_p= 1.5   mm

颗粒密度：ρ_s= 924  Kg·m^-3              ρ_s= 1937   Kg·m^-3

堆积密度：ρ_b= 475 Kg·m^-3          ρ_b= 1160   Kg·m^-3

空隙率（）：ε＝ 0.486   ε＝0.401

                    iv.              流体物性数据

流体种类：    空气              水

温    度：Tg ＝    ℃           Tt＝    ℃

密    度：ρ_b=    Kg·m^-3           ρ_b=     Kg·m^-3

粘    度：μ_g=   Pa·s           μ_t=    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：

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u_m,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

其中：Q：体积流量m³/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，；

ΔP：孔板前后的压差；

ρ：被测流体的密度

流体质量流量公式：

   （kg/s）