固体流态化的流动特性实验（示范实验）
1、实验目的
在环境工程专业，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。
① 通过本实验，认识与了解流化床反应器运行。掌握解流化床反应器启动中物料的连续流化方法及其测定的主要内容，掌握流化床与固定床的区别，掌握鼓泡流化床与循环流化床在本质上的差异。
② 测定流化床床层压降与气速的关系曲线
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。
2、实验装置与实验原理介绍
流化床反应器是一种易于大型化生产的重要化学反应器。通常是指反应物料悬浮于从下而上的气流或者液流之中，气体或者液体中的成分在与反应物料的接触中发生反应。流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉（见煤气化炉）。目前，流化床反应器已在电力、化工、石油、冶金、核工业等行业得到广泛应用。
与固定床反应器相比，流化床反应器的优点是：① 可以实现固体物料的连续输入和输出；② 流体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，而且易于控制，特别适用于强放热反应；③ 便于进行催化剂的连续再生和循环操作，适于催化剂失活速率高的过程的进行，石油流化床催化裂化的迅速发展就是这一方面的典型例子。
然而，由于流态化技术的固有特性以及流化过程影响因素的多样性，对于反应器来说，流化床又存在明显的局限性：① 由于固体颗粒和气泡在连续流动过程中的剧烈循环和搅动，无论气相或固相都存在着相当广的停留时间分布，导致不适当的产品分布，阵低了目的产物的收率；② 反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率；③ 由于固体反应物料在流动过程中的剧烈撞击和摩擦，使物料加速粉化，加上床层顶部气泡的爆裂和高速运动、大量细粒反应物料的带出，造成明显的反应物料流失；④床层内的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱离经验放大、经验操作。
本可视冷态流化床反应器装置有冷态流化床反应器和一台旋风式气固分离器组成。装置包括框架、流化床主体，流化床主体固定在框架上，在流化床主体的上下分别与一Ｕ形压差计相连接，流化床主体上固定有加料仓、旋风分离器，中部设有取样器和气流均布器，下部连接空气分布管的出口端，空气分布管的进口端和转子流量计的出口端连接，转子流量计的入口端通过软管和压缩空气泵连接，转子流量计上、下端分别连接另一个Ｕ形压差计，转子流量计和压缩空气泵固定在地面基础上，压缩空气泵通过线路和配电箱连接。实验示意流程见下图所示。
图 流化床特性测试流程图
通过该实验装置可完成冷态流化床气动力特性实验、布风板布风均匀性实验、流化床料层阻力特性实验、流化床物料流化特性实验、流化床反应器内气体——颗粒两相流动特性研究。通过上述研究，为布风板结构设计及其性能改进、流化床反应器的点火启动与运行提供正确的依据。
3、实验步骤与方法
(1) 启动空压机后，启动空气压缩机(空气流量已设定好，压力定位0.8Mpa)，待稳定后，开启阀门，使压缩空气进入流化床，调节流量计至所需流量，测定空管时压力降与流速关系，记录床层高度及床中给点压力变化，以作比较。
(2) 关闭气源，小心打开反应器，装入己筛分的一定粒度，石英砂，检漏。
(3) 通入气体，在不同气速下观察有机玻璃反应器中流化现象，测定不同气速下床层高度与压降值。
(4) 改变石英砂粒度，重复实验。
(5) 在某一实验点，去掉气体分布板,观察流化状态有何变化。
(6) 实验结束，关闭空压机。待所有实验工作后，清理打扫实验室。
实验过程中应特别注意下列事项：
(1)、起动气泵前必须完全打开放空阀。
(2)、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。
(3)、当流量调节值接近临界点时，阀门调节更须精心细微，注意床层的变化。
4. 流化床特性测试流化实验
实验用的固体物料是不同粒度的石英砂，气体用空气。由空气压缩机来的空气经稳压阀稳压后，由转子流量计调节计量，随后可通入装有石英砂固体颗粒的流化床反应器，气体经分布板吹入床层，从反应器上部引出后放空。床层压力降可通过U型压差计测得在实验中，可以通过测量不同空气流量下的床层压降，得到流化床床层压降与气速的关系曲线当气速较小时，操作过程处于固定床阶段，压降与流速成正比，斜率约为1（在双对数坐标系中）。气速逐渐增大，进入流化阶段，床层压降基本保持不变，等于单位面积的床层净重。当气速继续增大到带出速度后，进入气流输送阶段。
4.1、冷态流化床气动力特性实验
通过实验，可了解自行设计的冷态流化床布风系统——风室、风帽、布风板等的阻力损失，并了解其阻力损失随风量的变化，为布风板结构设计及其性能改进、流化床反应器的点火启动与运行提供正确的依据。
4.2、布风板布风均匀性试验
流化床锅炉要求布风装置配风均匀，以消除死区和粗颗粒沉淀，使底部流化质量良好。布风板布风是否均匀是循环流化床锅炉能否正常运行的关键。炉床风量分配是否均匀，风帽是否有不畅的现象、漏风的现象，将直接影响流化质量的好坏和料层的阻力特性。一般说来，只要布风板设计、安装合理，床料配制均匀，床面会比较平整；如若不平整则表明布风有问题，要解决问题后方能启动，不然运行中将出事故。根据经验表明采用小直径风帽，合理布置风帽数量和风帽排列方式，设计良好的等压风室，在允许的范围内增大风帽的开孔率，将会使布风情况更理想。
4.3、料层阻力特性实验
料层阻力是指流体通过布风板上的料层时将产生阻力，即流体压力损失。通过料层阻力特性实验可测定料层压降与留话速度之间的关系，以确定在运行中需要多高的料层厚度，增加或减少料层高度、以满足正常安全运行的需要，并确定临界流化速度。
4.4、物料流化特性实验
流化床反应器具有高效的传热、传质特性，对处理物料的适应性很强，污染排放特性容易控制，负荷调节灵活、范围大。因此，目前来看，采用流化床反应器处理农林生物质废弃物、城市生活垃圾、污泥等有机固体废弃物有着巨大的生命力。但由于上述原料与流化床反应器内床料密度相比较小，因此，研究上述原料在流化床反应器中的临界流化速度非常重要。通过物料流化特性实验研究，可掌握各种原料在流化床中流化特性及其流化速度，为其工业应用提供依据。
4.5、流化床反应器内气体——颗粒两相流动特性
通过此项研究，可了解各种原料在流化床内悬浮空间气固两相流动特性，解析物料磨损、扬析机理，得到反应器几何参数、工况运行参数对气固运动规律的影响，从而为物料在流化床反应器中的运行提供更加合理的依据。
5、实验结果整理
5.1、记录实验设备和操作的基本参数
(1)设备参数
气－固系统
柱体内径：d=Φ100mm
静床层高度：Ho=100mm
分布器形式：风帽形式
(2)固体颗粒基本参数
(3)流体物性数据
流体种类：空气
温度：Tg= ℃
密度：ρg= kg·m3
粘度：μg= Pa·s
5.2、将测得的实验数据和观察到的现象，参考下表做详细记录：
5.3、在双对数坐标纸上标绘Δp－uo关系曲线，并求出临界流化速度umf。将实验测定值与计算进行比较，算出相对误差。
5.4、在双对数坐标纸上标绘固定床阶段的Rem－λm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。
6、思考题
1、气体通过颗粒床层时，可观察到那些现象？为什么？
2、流体床的特征是什么？在工程上有何应用？
3、实验中升速和降速操作的两组数据，有时两者相近，有时两者不同，为什么？
4、为什么在散式流化中压降波动小，而在聚式流化中压降波动大？
5、如何判断流化床的操作是否正常？
2 旋风除尘器性能测定（示范实验）
1. 实验目的
旋风除尘器是利用旋转气流产生的离心力使尘粒从气流中分离的装置。它具有结构简单、应用广泛、种类繁多等特点。通过本实验，掌握旋风除尘器性能及其测定的主要内容，并且对影响旋风除尘器性能的主要因素有较全面的了解。
2. 
基本原理
（2.1）旋风除尘器的除尘原理
含尘空气由除尘器的进口切线方向进入除尘器的内外筒之间，由上向下作旋转运动（形成外涡旋），逐渐到锥体底部。气流中的灰尘在离心力的作用下被甩向外壁，由于重力作用以及向下气流的带动而落入底部集尘斗。向下的气流到达锥体的底部后，沿除尘器的轴心部位转而向上，形成旋
转上升的内涡旋，并由除尘器的出口排出。
（2.2）旋风除尘器压力损失和阻力系数的测定
本实验采用静压法测定旋风除尘器的压力损失。由于本实验装置中除尘器进、出口接管的断面积相等，气流动压相等，所以除尘器压力损失等于进、出口接管断面静压之差，即
式中：Psi — 除尘器进口静压（Pa）
Pso — 除尘器出口静压（Pa）
测出旋风除尘器的压力损失后，便可计算出旋风除尘器的阻力系数
式中： v1 — 旋风除尘器进口风速，m/s。
ρ — 含尘气体的密度，kg/m3
（2.3）旋风除尘器效率的测定
采用质量法测定，测出同一时段进入除尘器的粉尘质量Gf（g）和除尘捕集的粉尘质量Gs（g），则除尘效率：
3. 仪器设备
1、旋风除尘装置；2、U型压差计；3、干湿球温度计；4、托盘天平
4. 实验步骤
1、测定室内空气温度和相对湿度、大气压力，计算空气密度。
2、启动通风机，采用测速管测定除尘器进口风速。通过调节阀门，进口风速调至15~25 m/ s。
3、测定除尘器的压力损失，用U型压差计测定除尘器进出口的静压差，计算旋风除尘器的阻力系数。
4、除尘效率的测定。用天平称一定量的尘样，逐步加入喂灰斗中，启动通风机，待尘样全部送完，称量集尘斗集尘量，计算除尘效率。
5. 实验记录和数据处理
1、压力损失；
2、除尘效率
除尘器效率的测定结果记录格式如表1所示。
表1 除尘器效率测定结果记录表
以除尘器进口气速为横坐标，除尘器全效率为纵坐标；以除尘器进口气速为横坐标，除尘器在标准状态下的阻力为纵坐标，将上述实验结果标绘成曲线。
思考题：
影响旋风除尘效率的主要因素有哪些？
第二篇：实验四 固体流态化实验
4 固体流态化实验
4.1 实验目的
(1) 掌握测定颗粒静态床层时的静床堆积密度ρb和空隙率ε的方法；
(2) 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;
4.2实验原理
4.2.1固定床
1) 基本概念
当流体以较低的空速u通过颗粒床层时床层仍处于静止状态，称这种固体颗粒床层为固定床。床层的静态特性是研究床层动态特性和规律的基础，其主要的特征有静床堆积密度ρb和空隙率ε两个，它们的定义分别如下：
1. 静床堆积密度：ρb=M/V, 它由静止床层中的固体颗粒的质量M除以静止床层的体积V计算而得。ρb数值的大小与床层中颗粒的堆积松紧程度有关，因此ρb在流体通过颗粒床层时不是一个定值，如颗粒床层在最紧与最松两种极限状态时，ρb就有两种数值，它们的大小在床层最紧与最松时分别测量出相应的床层高度就可以计算得到。
2. 静床空隙率ε : ε=1–(ρb/ρs), 它是由颗粒的静床堆积密度ρb和固体颗粒密度ρs计算而得。
2) 固定床阶段压降Δpm与空速u的关系
当流体通过固定床的空速较小时，床层的高度基本不变；当流体空速趋于某一临界速度时，颗粒开始松动，床层才略有膨胀。因此，在此临界速度以前，单位高度的床层的压降(Δpm/L)与空速u的关系可由欧根公式来表示，并把欧根公式改写成如下形式：
(1)
式(1)中，以实验数据的空速u为横坐标，以（Δpm/uL）为纵坐标画图得一直线，从直线的斜率中求出欧根系数K2，从直线的截距中计算出欧根系数K1。
4.2.2流化床
1) 基本概念
当流体空速趋近某一临界速度umf时，颗粒开始松动，床层略有膨胀，床层高度有所增加；当空速继续加大，此时固体颗粒悬浮在流体中作上下、自转、摇摆等随机运动，好象沸腾的液体在翻腾，此时的颗粒床层称为流化床或沸腾床，临界速度umf称为起始流化速度。
流化床现象在一定的流体空速内出现，在此流速范围内，随着流速的加大，流化床高度不断增加，床层空隙率相应增大。流化床根据流体有性质不同，可分为以下两种类型。
1. 散式流化——若流化床中固体颗粒均匀地分散于流体中，床层中各处空隙率大致相等，床层有稳定的上界面，这种流化型式称为散式流化。当流体与固体的密度相差较小时会发生散式流化，如液-固体系。
2. 聚式流化——对气固体系，因流化床中气体与固体的密度相差较大，气体对固体的浮力很小，气体对颗粒的支撑主要靠曳力，此时气体通过床层主要以大气泡的形式出现，气泡上升到一定高度处会自动破裂，造成床层上界面有较大的波动，这种气固体系的流态化称为聚式流化。
2) 流化床阶段压降Δpm与空速u的关系
1. 流化床层的压降Δpm
对散式流化，流化阶段床层修正压强降Δpm等于单位截面积床层固体颗粒的净重，即
Δpm= m( ρs–ρ)g/(Aρs)=L(1–ε)( ρs–ρ)g (2)
(2)表明，散式流化过程床层压降不随流体空速的变化而变化。对于聚式流化，由于气泡的形成与破裂，流化床层的压降会有波动，流化床层的压降曲线形状与散式流化压降曲线形状有一定的差异。
2. 起始流化速度umf
起始流化速度umf可由固定床与流化床两阶段的“压降~空速”曲线的交点求出。另外，若起始流化时的雷诺数Rmf<1.0, 则可用白井–李伐公式计算起始流化速度：
(3)
若Rmf>10, 则由式(3)计算得到的umf还须乘以校正系数。
4.3实验装置流程
固体流态化装置流程图
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。
4.4 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。
培训重点：固定床与流化床的概念，根据实验数据确定起始流化速度。