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多相流态化 版权信息
- ISBN：9787030728531
- 条形码：9787030728531 ; 978-7-03-072853-1
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
多相流态化 内容简介
本书为系统介绍多相流态化的研究生教材。内容包括流态化现象、气固流态化、液固流态化、气液固流态化等整个流态化谱的基础理论，并单独设章阐述了气液固浆态床、气固微型流态化、液固和气液固微型流态化以及优选多相流测试技术等前沿热点内容。本书既有流态化基础知识的阐述，又有数值模拟前沿领域及工业应用示例的展示，具有重要的学术意义和实践价值。
多相流态化 目录
目录
序
前言
第0章 绪论 1
0.1 流态化概论 1
0.1.1 概述 1
0.1.2 流态化历史沿革 2
0.1.3 流态化研究的前沿方向 4
0.2 颗粒及颗粒床层的特性 4
0.2.1 颗粒的特性 4
0.2.2 颗粒床层的特性 8
0.3 颗粒自由重力沉降 12
0.3.1 球形颗粒的自由沉降 12
0.3.2 阻力系数 13
0.3.3 影响因素 14
0.3.4 沉降速度的计算方法 15
0.4 流态化现象及分类 18
0.4.1 流态化现象 18
0.4.2 流态化的分类 19
0.5 流化床的主要特点 20
0.6 流化床的流体力学特性 21
0.6.1 流化床的压降 21
0.6.2 传统流化床的不正常现象 23
0.6.3 传统流化床的操作范围 23
0.7 传统流化床的总高度 24
0.7.1 浓相区高度 24
0.7.2 分离区高度 25
0.8 提高流态化质量的措施 25
0.8.1 分布板 25
0.8.2 设备内部构件 26
0.8.3 粒度分布 27
0.9 气力输送简介 27
0.9.1 稀相气力输送 28
0.9.2 密相气力输送 30
0.10 流态化工业应用简介 30
0.10.1 煤气化炉 31
0.10.2 石油加工中的气固相催化裂化反应系统 31
0.10.3 气固循环流化床燃煤锅炉 31
0.10.4 液固、气液固循环流化床废水处理系统 33
0.10.5 高效零结垢气液固循环流化床蒸发器 34
0.10.6 流化床干燥器 34
0.10.7 其他物理化学过程 35
习题 36
参考文献 36
第1章 气固流态化基础 38
1.1 流型及其转变 38
1.1.1 散式和聚式流态化的区分 38
1.1.2 流态化流型及转变 39
1.1.3 颗粒特性 45
1.1.4 宏观流动状态和局部流动状态 46
1.1.5 流型图谱及应用 47
1.2 鼓泡流态化 51
1.2.1 主要特征 51
1.2.2 气泡参数 53
1.2.3 乳化相参数 57
1.2.4 气体返混与混合 58
1.2.5 固体返混与混合 60
1.2.6 传热特性 61
1.3 湍动流态化 65
1.3.1 主要特征 65
1.3.2 气体返混与混合 65
1.3.3 固体返混与混合 66
1.3.4 传热特性 67
1.4 循环流态化 69
1.4.1 轴向流动特性 69
1.4.2 径向流动特性 71
1.4.3 气体返混与混合 74
1.4.4 固体返混与混合 76
1.4.5 传热特性 77
1.5 气力输送 80
1.5.1 密相气力输送 80
1.5.2 稀相气力输送 83
1.5.3 输送流化床 85
符号说明 85
习题 87
参考文献 87
第2章 气固流态化进展及应用 93
2.1 气固流态化的研究进展 93
2.1.1 喷动流化床 93
2.1.2 离心流化床 95
2.1.3 气固并流下行流化床 97
2.1.4 气固逆流下行流化床 98
2.1.5 高密度循环流化床 99
2.1.6 高循环倍率循环流化床 100
2.1.7 多床循环流化床 101
2.1.8 流态化强化技术 103
2.1.9 解耦与耦合技术 105
2.1.10 细颗粒流化床 107
2.1.11 纳米颗粒流化床 108
2.1.12 流化床的大型化及微型化 110
2.2 气固流动数值模拟和反应器模型 111
2.2.1 气固两相模型 111
2.2.2 反应器模型 113
2.2.3 计算流体力学模型 119
2.3 先进的气固流态化测量技术 120
2.3.1 流化床压降 120
2.3.2 颗粒温度 120
2.3.3 气体和颗粒速度 121
2.3.4 颗粒浓度 121
2.3.5 气泡和颗粒尺寸 122
2.4 气固流态化的工业应用 122
2.4.1 物理过程 122
2.4.2 非催化反应过程 126
2.4.3 催化反应过程 129
2.4.4 先进材料制备 132
符号说明 132
习题 133
参考文献 133
第3章 液固流态化 139
3.1 正向液固流态化 139
3.1.1 传统液固流化床 141
3.1.2 液固循环流化床 144
3.1.3 流动预测模型 147
3.1.4 工业应用 148
3.1.5 *新进展 153
3.2 逆向液固流态化 155
3.2.1 逆向液固流化床 157
3.2.2 逆向液固循环流化床 159
3.2.3 流动预测模型 160
3.2.4 工业应用 162
3.2.5 *新进展 163
符号说明 163
习题 164
参考文献 165
第4章 气液固流态化 168
4.1 气液固流态化基本概念 168
4.1.1 气液固流态化分类及意义 168
4.1.2 固定床与流化床的特点比较 171
4.1.3 工业应用简介 172
4.2 气液固流化床流体力学行为 172
4.2.1 流型及其过渡 172
4.2.2 临界流化速度及其计算 173
4.2.3 床层压降 174
4.2.4 床层膨胀 175
4.2.5 气泡行为 176
4.2.6 相含率 179
4.2.7 流动机理模型 181
4.3 气液固流化床的混合、传热和传质行为 195
4.3.1 传热 195
4.3.2 传质 197
4.3.3 相混合 198
4.4 气液固流化床的数值模拟 199
4.4.1 计算流体力学模拟方法 200
4.4.2 湍流模型 205
4.4.3 群体平衡模型 207
4.4.4 三欧拉法数值模拟算例 210
4.5 气液固流化床的基本测试技术 214
4.5.1 侵入式测试技术 214
4.5.2 非侵入式测试技术 216
符号说明 223
习题 224
参考文献 224
第5章 气液固浆态床 233
5.1 气液固浆态床的基本概念 233
5.1.1 气液固浆态床现象 233
5.1.2 工业应用背景 239
5.2 浆态床流体力学及传递和反应行为 243
5.2.1 浆态床实验及数值模拟研究 243
5.2.2 浆态床反应器的设计放大基础 263
5.2.3 浆态床研究的*新进展 266
符号说明 268
习题 269
参考文献 270
第6章 气固微型流态化 275
6.1 气固微型流化床的流体力学特性 275
6.1.1 床层压降与壁面效应 275
6.1.2 *小流化速度 277
6.1.3 *小流化状态下的床层空隙率 281
6.1.4 *小鼓泡流化速度 282
6.1.5 *小节涌流态化速度 284
6.1.6 湍动流态化转变 286
6.1.7 微型流化床内部流动特征 287
6.1.8 气体停留时间分布和返混 288
6.1.9 颗粒混合 293
6.1.10 微型流化床气固流动相图 295
6.2 微型流化床反应分析仪系统及应用特征 300
6.2.1 微型流化床反应分析仪系统构成 302
6.2.2 多级原位反应分析方法 304
6.2.3 颗粒在线采样方法 305
6.2.4 水蒸气环境实时快速调控方法 306
6.2.5 试验样品进料方法 307
6.2.6 气体取样方法 307
6.2.7 数据处理方法 308
6.3 微型流化床反应分析仪功能和特征 310
6.3.1 加热速率 310
6.3.2 气体外扩散阻力的消除 311
6.3.3 本征反应动力学 313
6.3.4 适用于快速反应 314
6.3.5 原位反应能力 315
6.3.6 等温和非等温可操作性 316
6.3.7 产品气体生成反应机理和动力学的获得 316
6.3.8 反应过程中固体颗粒特性实时变化测试 318
6.3.9 水蒸气气氛调节的灵活性 319
6.3.10 多级原位气固反应过程 320
6.4 微型流化床反应分析仪的应用实例 321
6.4.1 干燥 321
6.4.2 气体吸附和CO2捕集 322
6.4.3 气固催化反应 322
6.4.4 热分解反应 322
6.4.5 热裂解反应 322
6.4.6 热解反应 323
6.4.7 气化反应 323
6.4.8 燃烧反应 323
6.4.9 还原反应 324
6.4.10 外力场辅助的反应 324
6.4.11 受反应产物气体气氛抑制的化学反应 324
6.5 微型流化床技术展望 325
6.5.1 稳定操作的微型流化床反应器 325
6.5.2 适用于极端条件的微型流化床 326
6.5.3 微型流化床反应器适应大型化生产 326
6.5.4 外力场作用下的微型流化床反应器 326
6.5.5 微型循环流化床反应器 326
6.5.6 微型循环流化床热重分析仪 327
6.5.7 反应过程的实时监测和表征 327
符号说明 327
习题 328
参考文献 330
第7章 液固及气液固微型流态化 338
7.1 液固微型流化床简介 338
7.1.1 液固微型流化床的起源 338
7.1.2 液固微型流化床的研究进展 339
7.2 气液固微型流化床简介 344
7.2.1 气液固微型流化床的历史及研究进展 344
7.2.2 气液固微型流化床的设备结构 345
7.3 气液固微型流化床的流体力学特性 348
7.3.1 气液固微型流化床的床层压降与*小流化速度 348
7.3.2 气液固微型流化床的流型 353
7.3.3 气液固微型流化床的床层膨胀和收缩行为 357
7.3.4 气液固微型流化床的相含率特性 359
7.3.5 气液固微型流化床中的气泡行为 361
7.4 气液固微型流化床的介尺度机理模型 378
7.4.1 气液固微型流化床的介尺度机理模型建立 378
7.4.2 气液固微型流化床的介尺度模型求解 383
7.5 气液固微型流化床的数值模拟 388
7.5.1 控制方程和模拟方法 388
7.5.2 模拟的实验验证 395
7.5.3 气泡周围流体和颗粒的速度分布 397
7.6 气液固微型流化床的停留时间分布 399
7.6.1 RTD测试方法 399
7.6.2 RTD测试结果 400
7.7 气液固微型流化床的传质特性 401
7.7.1 苯甲酸溶解法测定的反应传质系数 401
7.7.2 NaOH溶液吸收CO2测得
展开全部
多相流态化 节选
第0章 绪论 0.1 流态化概论 0.1.1 概述 流态化是应用流体(气体、液体或者气体和液体)对固体颗粒的悬浮或输送等作用，使原处于相对静止的固体颗粒转变为具有类似液体属性的运动状态，从而实现对固体颗粒的某种物理操作处理，或者强化颗粒和流体之间有效接触和混合、传递和反应过程，使固体颗粒参与的物理或化学过程更为高效地进行的单元过程和技术。国民经济的许多工业部门都会遇到如何有效处理颗粒、增强颗粒和流体间的相互接触等方面的工程技术问题，而流态化就是处理和实现颗粒与流体间高效接触的创新方法和技术，从而为企业带来效益。显然，流态化是化工等过程工业领域的核心工程科技，对其进行研究开发具有十分重要的理论意义和实践价值。 流态化是一个复杂系统，至少包含两个物理相，如气相和固相，或者液相和固相等，而两相及两相以上的系统一般统称为多相系统。因此，本书所提到的“流态化”和“多相流态化”的表述意义是等同的，“流态化”加上“多相”两字是为了强调“多相”。另外，与流态化对应的装置是流化床系统。 在整个流态化的研究和应用过程中，固体颗粒是流态化关注的重点，也是流态化的对象。如果没有固体颗粒，或者不关注固体颗粒，就谈不上流态化。而在固体颗粒的流态化过程中，作为流化介质的流体，可以是气体，也可以是液体，或者气体和液体组成的混合流体。因此，以流化固体颗粒的流化介质划分，整个流态化谱主要有：气固流态化、液固流态化和气液固流态化等。在整个流态化系统中，气固流态化的工业应用*广泛和重要，研究队伍*庞大，研究内容和成果*丰富，国内外已有不少优秀专著给予介绍[1-10]。限于篇幅，本书仅用两章内容对传统气固流态化的主要基础知识、研究进展和工业应用进行阐述。 相对于气固流态化，液固和气液固流态化的基础研究相对较少，许多应用也有待进一步开发[11-13]。但是，不可否认，液固流态化和气液固流态化具有广阔的工业应用前景，是流态化研究不可或缺的重要方向。因此，本书用两章内容详细介绍液固、气液固流态化的基础知识和近年来取得的研究进展。而对于与三相流化床有一定交集的气液固浆态床(浆态鼓泡塔)这类三相物理操作装置或高效反应器[12]，其特性介于气液鼓泡塔和气液固流化床之间，部分遵循流态化规律，也具有气液鼓泡塔的特征，近年来其研究和工业应用取得了较大进展，本书单独安排一章进行阐述。 气固、液固和气液固微型流态化是近年来发展的流态化研究新方向。近年来尤其是20世纪中后期，随着过程工业的迅速发展，一系列新问题包括资源和能源过度消耗、安全和环保问题等日益突出，研究开发高效、绿色和环保的过程强化新技术是解决这些问题的途径之一。过程强化研究开始的标志是1983年在英国曼彻斯特大学召开的世界首次过程强化年会，会议内容涉及离心场的应用、紧凑高效换热、强化混合和集成技术等。如今，过程强化研究已成为关注的热点。化工过程强化能够提高单位体积的反应、传热和传质的速率，实现传递速率与反应速率匹配、传热性能与产热速率匹配、停留时间与反应速率匹配、反应器形式与反应类型匹配，*大限度地发挥系统的潜能，实现化工过程更紧凑、更安全、更绿色、更环保、更经济。显然，化工过程装备系统几何尺寸的微型化是实现过程强化的有效途径之一[14]。流态化领域的研究也受到启发，微型流态化研究开始受到关注，有可能成为未来流态化研究的重要方向。因此，本书设置两章专门对气固、液固和气液固微型流态化的*新研究成果加以介绍。 流态化是一个多相复杂系统，对其进行有效的流动和传递等性能的测试十分困难。因此，流态化研究的每一步进展，除了在多相理论分析、建模及数值模拟方面取得进展外，也离不开先进而有效的多相流态化测试技术的开发和应用。多相流态化测试技术手段的突破至关重要[15-16]。因此，本书*后对多相流态化研究和应用过程中采用的各种测试技术和方法加以介绍。 本章将简要阐述流态化的历史沿革、基本现象、分类、特性和工业应用等。 在介绍流态化的基础知识之前，首先简要阐述与流态化密切相关的固体颗粒及其堆积而成的固体颗粒床层的特性，并阐述单个固体颗粒在流体中的沉降速度的计算等，作为学习后续章节内容的预备知识[17]，本科期间学过者可忽略。 0.1.2 流态化历史沿革 如前所述，流态化是一门关于采用流体使固体颗粒悬浮或输送起来，像液体一样运动，强化颗粒和流体之间的有效接触的物理单元操作或化学反应过程的学科。 流态化工程是一门既古老又年轻的学科[6]。明代宋应星所著《天工开物》[18]和Agricola所著De Re Metallia(《冶金术》)[19]中都记载了古代人们从矿物中富集金属的“淘金盘”、跳汰法以及分离谷物中杂物的风力扬析法等实例。前两者是古代的液固流态化，后者是古代的气固流态化。1879年，世界上**个流态化技术专利问世，并于1895年授权。1922年，世界上**台流态化工业装置温克勒(Winkler)流化床粉煤气化炉获德国专利[20]。之后，在当时煤的气化和燃烧以及石油的催化裂化(FCC)等工业应用的推动下，流态化工程科学与技术研究形成了热潮。 将流化床作为石油催化裂化的反应器的早期研究是与第二次世界大战交织在一起的。当时有400多家石油和化学工业公司投入了大量的工程资源和资金开展研究，用于从喷气燃料油到化肥、从塑料到合成纤维等产品的生产。早在20世纪初，当时世界上*大的石油公司——美国标准石油公司就开始采用蒸馏和热裂解工艺从原油生产小分子油品。为解决石油裂解过程中催化剂的焦化失活等问题，开发了流化床反应器。流态化催化裂化的起步始于发现废白土有催化裂化作用。1934年将润滑油精制的废白土与原料和原料油相混合，经过加热能生产更多的汽油，说明酸性催化裂化剂能催化重油裂化过程，从而奠定了流态化催化裂化的化学反应基础。为了在大型催化裂化装置上实现上述反应，*开始采用的是装填片状催化剂的多种固定床和移动床反应器。但是，系统研究后发现其既不高效也不经济，于是决定采用粉状催化剂，建成一套100 B/d(1 B=158.987 L)中型装置进行试验。1942年建立了世界上**套用于矿物油催化裂化的循环流化床装置系统。流态化催化裂化技术的突破，帮助石油公司迅速扩大了轻质油品的生产，满足了社会对汽油和柴油的需求，并在第二次世界大战中立了大功。20世纪40年代末，将流态化技术应用于砷黄铁矿的焙烧等冶金工艺过程。在此期间，人们借助流化床的理论和实验研究成果改进了流化床的设计。1950年，“流态化”术语和内容出现在化工教材中[21]，1956年出版了流态化专著[22]。 20世纪60年代，德国Lünen的Vaw-Lippewerk(利浦工业园)建成了**套工业流化床反应器，用于煤的燃烧，后又用于氢氧化铝的煅烧。之后，流态化的研究和应用取得了一系列成果，可参阅经典的流态化文献[12-13， 23-28]。 我国的流态化研究主要由20世纪40～50年代在国外获得学位后归国的著名学者引领开展。曾经在天津大学工作过的著名化学工程学家汪家鼎院士于1948年在《化学工程》期刊上发表了《流动化固体法应用于煤之干馏》，将流态化技术拓展应用于煤化工[29]。国际著名流态化专家郭慕孙院士于1958年出版了《流态化技术在冶金中之应用》，介绍了流态化技术在冶金领域中的应用[30]。 1962年8月20～25日，在郭慕孙院士的倡导下，由中国科学院技术科学部、中国化学化工学会和中国金属学会联合组织，在北京召开了**次全国流态化会议。会议宣读并讨论了78篇论文和研究工作报告。在郭慕孙院士的建议下，于1986年11月27日在北京成立了专门进行流态化及颗粒学研究的一级学会——中国颗粒学会，并于2003年创刊了英文国际会刊Particuology。目前，中国颗粒学会已发展成有9个专业委员会、2000多名个人会员、97个团体会员的团体，成为流态化研究的主要队伍。国内外有系列流态化会议，可关注中国颗粒学会网站。 国内流态化方面的发展历史与不少中国科学院和中国工程院院士的研究工作密切相关，具体可参考中国科学院和中国工程院的网站。 综合文献分析可以看出，国内外流态化的研究重点经历了从多气泡的鼓泡流态化/密相流态化到无气泡气固接触的稀相流态化/快速流态化/浅床流态化，又到处于连续相与分散相转变的过渡状态湍动流态化，再到循环流态化/介尺度结构/数值模拟和仿真等量化描述的过程。 流态化技术已有约百年的历史，如今流态化仍是一门充满活力的现代工程新技术，尤其在现代煤化工、石油化工和动力等行业领域，流化床是其核心的装置系统。随着现代科技的发展与工业需求的不断增长，流态化技术在今后相当长一段时间内必定还将得到进一步发展。 限于篇幅，这里不展开分析和综述。有兴趣者可以进一步参阅相关文献[1-10，31-35]。 0.1.3 流态化研究的前沿方向 随着工业领域新技术需求的提出，以及工程技术新理论和新方法的不断出现，多相流态化的研究和应用也不断与时俱进。今后流态化的发展趋势概括起来主要有： (1) 基于流态化工程科学未来发展趋势的基础研究。 流态化工程的理论分析研究包括：①介科学方法在流态化复杂系统量化描述和控制方面的推广和应用研究；②流态化工程的先进实验及测试技术研究，以及应用大数据和人工智能的研究；③基于超算的流态化工程数值模拟和虚拟过程工程研究；④微型流态化等过程强化新方向；⑤其他基础研究新方向。 (2) 基于新的工业应用的流态化新工艺和新技术的研究等。 未来的工业应用和产品需求，以及科技发展对流态化提出许多新的研究需求。主要包括：①各种自然资源，如煤、石油、天然气、油页岩、矿产、盐湖、天然气水合物等的高效、经济和绿色利用过程中的流态化技术研究开发；②各类能源，包括新能源和可再生能源的经济高效利用中的流态化技术研究开发等，如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能等的利用过程中的流态化技术研究开发；③其他诸多应各种产品要求而产生的应用研究新方向等，如针对石油循环流化床的催化裂化工艺过程，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院根据产品应用要求，创新催化裂化流化床技术研究，以及采用变径流化床的研究等。 开展流态化研究首先需要对流态化的基础知识有所了解，如颗粒及颗粒床层的特性、颗粒自由重力沉降、流态化现象及分类、流化床的主要特点、流化床的流体力学特性、流化床的总高度、提高流态化质量的措施、气力输送、流态化的工业应用等。以下将简要介绍这些基本知识，更深入和更专门的流态化相关内容将在各章详细介绍。 0.2 颗粒及颗粒床层的特性 0.2.1 颗粒的特性 1. 颗粒的形状 固体颗粒从形状角度可分为球形颗粒和非球形颗粒。一般固体颗粒的形状及特性描述参数如图0-1所示。常见固体颗粒的形状如表0-1所示。 图0-1 一般固体颗粒的形状及特性描述参数 表0-1 常见固体颗粒的形状 颗粒形状通常用一些定性术语描述，如表0-2所示。 表0-2 颗粒形状的定性描述 一些工业产品对颗粒性能和形状的要求见表0-3。 表0-3 一些工业产品对颗粒性能和形状的要求 2. 颗粒的描述参数 固体颗粒形状不同，描述其特性需要的参数也不同。 1) 球形颗粒 球形颗粒的尺寸由直径d确定。其他参数均可表示为直径的函数。例如： 体积 (0-1) 表面积 (0-2) 比表面积(单位颗粒体积具有的表面积) (0-3) 式中，d为球形颗粒的直径，m；S为球形颗粒的表面积，m2；V为球形颗粒的体积，m3；a为球形颗粒的比表面积，m2/m3。 2) 非球形颗粒
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