流態化

在流體作用下呈現流（態）化的固體粒子層稱為流化牀。隨流體速度的不同，牀層可具有不同的流化特性（圖1）。如流速U過低，則牀層固定不動，流體僅從顆粒間空隙流過，壓降△p隨流速U而增加（圖2）。如流速增大到使壓降和單位橫截面上的牀層重量相等，固體顆粒便開始浮動，牀層呈現流動性，這種狀態稱為最小流化或起始流化。這時按空牀橫截面計算的流速稱為起始流化速度或最小流化速度U_mf。流速再增大，牀層將隨流速的增大而繼續膨脹，出現壓降穩定、流動性能良好的穩定操作區，稱為正常流化。如流速繼續增大，則牀層湍動加劇，牀面漸難辨認。當流速達到它對單個固體顆粒的曳力同顆粒的浮重相等時，顆粒便開始被氣流帶出。這時的空牀流速稱為終端速度或帶出速度u_t。U_mf和u_t值決定於顆粒和流體的性質，它們是一般鼓泡流化牀操作的上、下限。

稱散式流化；而在氣-固流化系統中，若顆粒很細，則在氣速超過U_mt後，牀層尚能繼續均勻膨脹，只在氣速進一步增大到起始鼓泡氣速U_mb時，才開始出現氣泡；若顆粒較粗，一旦氣速超過U_mf，就出現氣泡。流化牀中的氣泡部分稱氣泡相，其餘部分稱乳相，後者是處於起始鼓泡狀況下的氣-固混合相。由於氣-固流化牀內存在氣泡，牀內空隙率不勻，牀面波動，故稱聚式流化，又因鼓泡使牀面波動呈沸騰狀，故又稱沸騰牀或鼓泡牀。

流化牀中的氣泡在上升時會發生聚並而增大，若牀徑甚小以致被氣泡所充塞，氣泡就與乳相交替上升，形成節湧牀。若向氣速超過帶出速度的牀中不斷補充被帶出的物料，則氣流會迅速把送入的粒子衝散，並最後把它們帶出去。此時因牀層中保持着相當量的物料，湍動劇烈，所以這種狀態的流化牀稱為湍流牀。若氣速進一步增高，牀內粒子從密集狀、絮狀到充分分散的各種形態同時並存，這牀稱為快速（流化）牀。圖3上部是幾種流化牀的示意圖，下部相應給出流化牀中單位長度壓降隨流速的變化。

如果把氣體從具有錐形底的圓筒牀底部噴入圓筒牀內，則會形成一股噴射流攜帶錐部的部分粒子向上運動，在牀的中心部分形成噴動區。自牀面噴出的粒子向四周散落，並在噴動區和牀壁間的環隙內形成一向下運動的移動牀，它與噴動區之間有明顯界線。氣體從底部上噴對，一面把界面上的粒子帶入，一面又滲透到移動牀內，逆粒子流而上，這種牀稱為噴動牀（圖4）。噴動牀適用於大顆粒的加工，如顆粒的加熱和冷卻，穀物乾燥、造粒和塗立、顆粒混合等。

當流體流過固體粒子的牀層時，那些終端速度小於流速的粒子會被陸續帶走，這種現象叫作揚析。在氣-固流化牀的牀面上，常留有一個較大的空間，稱為自由空間。這是因為除揚析作用外，氣泡在牀面破裂時，將許多粒子上拋，其中終端速度大於氣速的粒子會陸續從自由空間中落到牀內，終端速度小於氣速的細粒子則被氣流帶走。自由空間中能有粒子返回的最大高度稱為夾帶分離高度，一級旋風分離器的入口宜處於這個位置。

目前，流態化技術已被廣泛應用於煉油、化工、冶金、輕工、動力等工業部門，包括輸送、混合、分級、乾燥、吸附等物理過程以及燃燒、煅燒和許多催化反應過程。

流態化技術用於重質烴類的催化裂化或熱裂化時，往往導致催化劑或固體載熱體表面的積碳。為了使催化劑再生並實現連續生產和有效利用熱能，常採用流化牀反應器和再生器相結合的循環系統（圖5）。兩器的下端分別用兩根U形管連接。每根U形管的一側是一個固體往下走的移動牀，稱為立管，另一側是靠吹入氣流使固體顆粒提升的提升管。固體顆粒在兩器間經過U形管的循環流動是靠不同的牀密度來驅動的。近來由於催化劑的改進，已有用一根氣流輸送管代替流化牀反應器的。

流態化技術的主要優點是：①便於蓮續處理大量固體粒子，實現連續生產和生產過程的自動化；②便於控制温度並使温度分佈均勻；③傳熱效率高，適於強放熱（或暖熱）過程；④由於粒子細，流體和固體間接觸面積大，因此反應速率快。其缺點是：①返混較劇烈，使反應後的物料與新進料相混，從而降低反應速率和影響反應的選擇性；②反應器內難以保持適合某些反應所需的温度梯度；③固體顆粒的磨損和帶出較嚴重，需要細粉回收設備。

在氣-固流態化系統中，氣泡是影響流化牀中氣-固兩相的力學行為、傳熱、傳質和化學反應的基本因素，瞭解氣泡運動規律是掌握流態化技術的重要前提。

氣泡運動 氣體從分佈板小孔中噴出後，分裂成氣泡浮升而上。氣泡在上升途中易聚並增大，同時與周圍的乳相進行熱、質交換。氣泡大了，就容易被粒子侵入而碎裂。氣泡上升到牀面就破裂而消失。單氣泡的上升速度u_br（釐米/秒）與氣泡直徑d_b（釐米）的1/2次方成比例，通常用下式表示：

u_br=K（gd_b），

式中K為實驗常數（約0.711）；g為重力加速度（釐米/秒）。氣泡羣的上升速度比單氣泡上升速度大。

在橫截面是扁形的二維牀中，氣泡充塞前後兩壁間，用肉眼容易觀察氣泡的行為。二維牀的缺點是壁效應太大，其中氣泡運動與實用的三維牀（牀徑較氣泡為大的圓柱牀）中氣泡的運動情況不同。

氣泡模型 1961年J. F. 戴維森提出流化牀的氣泡模型：氣泡呈球形；泡內不含固體顆粒且壓力均勻一致；氣泡周圍是向下運動並處於起始流化狀態的乳相；固體顆粒沿氣泡作有勢運動；乳相可看作是不可壓縮的粘性介質；氣體在乳相內的流動服從空隙間滲流的規律。他由此導出氣泡周圍的壓力分佈以及固體和氣體的速度分佈。他又根據氣體可透過泡壁的特點，得出在氣泡周圍會有一層氣泡雲的結論（圖6）。P. N. 羅用X射線照相證實了氣泡雲的存在。如果u_br<u_f，u_f為乳相中的氣速，則氣體自泡壁下側穿入，從上側穿出，不生成氣泡雲（圖7）；如果u_br>u_f，氣體在壓差作用下，自泡壁下側穿入，但氣體自上側穿出後會重新沿氣泡周圍返回氣泡底部，形成一層跟隨氣泡運動的氣泡雲，其中的空隙率被認為與乳相中的相同。在三維牀中求得氣泡雲的半徑r_c為：

，式中r_b為氣泡半徑，a=u_br/u_f。當u_br>u_f時，氣泡雲將隨氣泡速度的增加而減薄。

戴維森模型基本正確，但算得的氣抱雲偏大。P. 傑克孫模型和J. D. 默裏模型都是對戴維森模型的修正，所求得的氣泡雲較接近實際。但這些模型都假定氣泡為圓球形，而實際上並不如此，因氣泡下側的壓力比泡外乳相的壓力低，故氣抱底部內凹，並在這一區域生成擾動較劇烈的尾渦（圖8），其體積約為氣泡體積的1/3左右。尾渦中充滿乳相併隨氣泡上升，成為牀內固體粒子混合的主要原因。

由於氣泡的生成、運動和聚並，在氣泡和氣泡雲之間以及氣泡雲和乳相之間，都存在着熱和質的對流和擴散傳遞。這種相間交換是流化牀中傳熱、傳質和反應得到強化的重要原因。

氣泡的測定法 測定流化牀中氣泡行為的實驗大多使用微小探頭以求減少對流化狀態的干擾，例如，①透光法：利用氣泡與乳相透光度的不同，用包括髮光和接收光的元件（如光導纖維）製成探頭，插入牀中進行檢測；②電導法：若固體粒子具有較好的導電性，可用測量探頭電阻的變化來探測氣泡；③電容法：對於非導電性的粒子，因氣泡和乳相電容不同而採用相隔約10毫米的微小電極片所構成的探頭來檢測，如用多探頭或在一個探頭上裝有多數不同位置的探針，便可測定氣泡的大小、頻率、速度甚至形狀；④熱敏電阻法：由於乳相比氣泡傳熱快，所以當探頭在乳相區時，其電阻將因温度降低而增高，從而可探測氣泡；⑤壓電法：一種利用壓電傳感器檢測氣泡的方法；壓電傳感器遇到氣泡時，無擾動，遇到乳相時，將因粒子的撞擊而使信號改變。

此外，還有不接觸的測量方法，如X射線法。它可用於拍攝三維牀中氣泡的形狀和尾渦等。由於不用探頭，故不影響流化狀態，但由於功率所限，能透過的深度有限。

氣流輸送 固體粒子被流速足夠高的氣流所帶走的現象。空隙率小、牀密度高、固-氣流量比高的流動稱為密相流動，例如垂直管中的向下卸料，向下流動的移動牀、固體顆粒的密相氣流輸送，彭泡流化牀及其溢流系統中的流動等都是。氣速高、空隙率大、牀密度低、固氣分佈均勻的流動稱為稀相流動。如固體顆粒的稀相氣流輸送、流化牀面以上的分離空間中的流動等都是。

在垂直氣輸管中，噎塞速度是確定密相輸送和稀相輸送的分界。在氣輸管的固體流率不變的條件下，單位管長的壓降是摩擦壓降和支持料柱重量的壓降兩部分之和。當氣速（通常用相當於空管時的氣速u₀表示）低時，摩擦壓降小，牀層密度大，因而支持料柱的壓降也大，當氣速高時，摩擦壓降大，但支持料柱的壓降小。因此，在這兩種相反的效應作用下，會出現壓降的最低點D。當氣速低於與此最低壓降點相對應的氣速時，氣流已不足以支持密度增大了的牀層，當氣速減小到某一數值，就會造成管內物料阻塞、壓降陡增的現象，這時的氣速稱為噎塞速度（圖9）。

在水平氣輸管中，沉積速度是確定密相輸送和稀相輸送的分界。假定氣輸管內的固體流率不變，當氣速高時，因固體顆粒能在管截面上均勻分散，故壓降隨氣速下降而減小。一旦氣速下降到不足以使顆粒充分懸浮，而開始向管底沉積時，單位管長的壓降達到最小。若氣速繼續下降，則管內氣流通道因固體沉積而縮小，壓降隨氣流的進一步減小而劇增。相應於壓降最低點的氣速稱為沉積速度（圖10）。

垂直管中氣速大於噎塞速度和水平管中氣速大於沉積速度時的輸送均為稀相輸送。其特點是氣速高，壓降低，輸送能力大和固-氣比小，但顆粒和管道的磨損也較嚴重。