乳化相

將一批固體顆粒堆放在多孔的分佈板上形成牀層（圖1），使流體自下而上通過牀層。由於流體的流動及其與顆粒表面的摩擦，造成流體通過牀層的壓力降。當流體通過牀層的表觀流速（按牀層截面計算的流速）不大時，顆粒之間仍保持靜止和互相接觸，這種牀層稱為固定牀。當表觀流速增大至起始流化速度時，牀層壓力降等於單位分佈板面積上的顆粒浮重（顆粒的重力減去同體積流體的重力），這時顆粒不再相互支撐，並開始懸浮在流體之中。進一步提高表觀流速，牀層隨之膨脹，牀層壓力降近乎不變，但牀層中顆粒的運動加劇。這時的牀層稱為流化牀。當表觀流速增加到等於顆粒的自由沉降速度時，所有顆粒都被流體帶走，而流態化過程進入輸送階段。因此可將固體的流態牀分為以下幾種形式：

（1）固定牀；

（2）臨界流化牀；

（3）流化牀；

（4）氣體輸送牀；

流態化（fluidization）一般指固體的流態化，又稱假液化，簡稱流化，它是利用流動流體的作用，將固體顆粒羣懸浮起來，從而使固體顆粒具有某些流體表觀特徵，利用這種流體與固體間的接觸方式實現生產過程的操作，稱為流態化技術，屬於粉體工程的研究範疇。

流態化技術是一種強化流體（氣體或液體）與固體顆粒間相互作用的操作，如在直立的容器內間歇地或連續地加入顆粒狀固體物料，控制流體以一定速度由底部通入，使其壓力降等於或略大於單位截面上固體顆粒的重量，固體顆粒即呈懸浮狀運動而不致被流體帶走。這種牀層稱為流化牀。

流態化技術在強化某些單元操作和反應過程以及開發新工藝方面，起着重要作用，廣泛應用於化學、石油、冶金、原子能等工業的焙燒、乾燥、吸附、氣化、催化反應和催化裂化等許多過程中。

根據流化牀內顆粒和流體的運動狀況，流化牀可分為散式流化牀和聚式流化牀。在散式流態化時，顆粒均勻分佈在流體中，並在各方向上作隨機運動，牀層表面平穩且清晰，牀層隨流體表觀流速的增加而均勻膨脹。在聚式流態化時，牀層內出現組成不同的兩個相，即含顆粒甚少的不連續氣泡相，以及含顆粒較多的連續乳化相。乳化相的氣固運動狀況和空隙率，與起始流化狀態相近。通過牀層的流體，部分從乳化相的顆粒間通過，其餘以氣泡形式通過牀層。增加流體流量時，通過乳化相的氣量基本不變，而氣泡量相應增加。氣泡在分佈板上生成，在上升過程中長大；小氣泡會合併成大氣泡；大氣泡也會破裂成小氣泡。氣泡上升至牀面時破裂，使牀面頻繁地波動起伏，同時將一部分固體顆粒拋撒到界面以上，形成一個含固體顆粒較少的稀相區；與此相對應，牀面以下的牀層稱為濃相區。氣泡的運動即使牀層中的顆粒劇烈運動，也影響到氣固間的均勻接觸。美國學者R.H.威海姆和中國學者郭慕孫提出用下式計算的弗勞德數作為流態化類型的判據：

式中 umf為起始流化速度；dP為粒徑；g為重力加速度。Fr>1時為聚式流態化，Fr<1時為散式流態化。一般情況下，液固系統為散式流態化，氣固系統為聚式流態化。

牀層中出現氣泡是聚式流態化的基本特徵。較小的氣泡呈球形，較大的氣泡呈帽形。氣泡的中心是基本上不含顆粒的空穴；氣泡的外層稱為暈，這是滲透着氣泡氣流的乳化相。泡底有尾渦區，稱為尾跡。尾跡的體積約為氣泡體積的20%～30%。在氣泡上升過程中，尾跡中的顆粒不斷脱落，並不斷引入新的顆粒。氣泡上升到牀面時發生破裂，尾跡中的顆粒撒於牀面，返回乳化相中。暈和尾跡是氣泡相和乳化相間發生物質交換的媒介，對於流化牀中發生的過程起重要作用。

流化牀中存有兩種質量傳遞方式；

（1）顆粒與流體間的傳質：

氣體進入牀層後，部分通過乳化相流動，其餘則以氣泡形式通過牀層。乳化相中的氣體與顆粒接觸良好，而氣泡中的氣體與顆粒接觸較差。其原因是起泡中幾乎不含顆粒，氣體與顆粒接觸的主要區域集中在氣泡的氣泡暈和尾渦處。

（2）氣泡與乳化相間的傳質：由於流化牀反應器中的反應實際上是在乳化相中進行，所以氣泡與乳化相間的氣體交換作用非常重要。相間傳質速率與表面反應速率的快慢，對於選擇合理的牀型和操作參數都相關（如圖2）。