实验二 固体流态化实验- 西北农林科技大学 植物保护学院
更新时间:2023-09-16 01:06:01 阅读量: 高中教育 文档下载
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实验二 固体流态化实验
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、液固和汽液固反应等。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流化速度,并试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,床层的压降则不断升高。
为表达流体流经固定床式的压强降与流速的函数关系,曾提出过许多种经验公式。先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式的压强公式(Moody公式)列出。即
2Hm?u0 Δp ??m??dp2 (1)
式中,Hm为固定床层的高度,m;dp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;λm为固定床的摩擦系数。
固定床的摩擦系数λm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:
1??150λm?2(3m)(?1.75) (2)
?mRem式中,εm为固定床的空隙率;
Rem为修正雷诺数。Rem可由颗粒直径dp,床层空隙率εm,流体密度ρ,流体粘度μ和空管流速u0,按下式计算:
Rem?dp?u0??1
1??m (3)
由固定床向流化床转变时的临界速度umt,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1所示。
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 ΔpS = Hf S(1-εf)(ρs-ρ)g ρ为流体的密度,kg · m –3。
由此可得出流化床压力降的计算式:
Δp = Hf (1-εf)(ρs-ρ)g
(5)
当床层处于由固定床相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,Hf = Hfm,εf = εm,f,u0 = um,f,因此联立(1)和(5)两式即可得临界流化速度的计算式:
(4)
式中,S为床层的横截面积,m2;Hf为床层的高度,m;εf为床层的空隙率;ρs为固体颗粒的密度,kg · m –3;
um,f?[1?m?2dp(1??m,f)(?s??)g?]1/2
(6)
若式中固定床的摩擦系数λm按式(2)计算,则联立(2)和(6)两式即可计算得到临界空隙率。
最后,尚须进一步指出,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,除以上介绍的计算式之外,文献中报道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,而这种试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uf、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。流化床的床层高度Hf与静床层的高度H0之比,称为膨胀比,即
R = Hf / H0
(7)
流化床实际采用的流化速度uf与临界流化速度um,f之比称为流化数即
K = uf / um,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。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。床层上均有测压口与压差计相连接。
图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 3′.倒置U形差计 4.U形压差计
5.滤网 6.床体 7.固体颗粒层 8.分布器
液固系统的流程如图2所示。水自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,由设备底部进入设备后,经分布器分布均匀,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、实验方法
本试验可分两步进行: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层的特性曲线。
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。
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.孔反流量计的压差计 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的高度。实验可在流量由小到大,再由大到小反复进行。试验结束后,先打开放空阀,后关闭调节阀,再停机。
试验过程中应特别注意下列事项:
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