流態化

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，起著重要作用。它已在化工、煉油、冶金、輕工和環保等部門得到廣泛應用。

流態化現象將一批固體顆粒堆放在多孔的分佈板上形成床層(圖1)，使流體自下而上通過床層。由於流體的流動及其與顆粒表面的摩擦，造成流體通過床層的壓力降。當流體通過床層的表觀流速(按床層截面計算的流速)不大時，顆粒之間仍保持靜止和互相接觸，這種床層稱為固定床。當表觀流速增大至起始流化速度時，床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，床層隨之膨脹，床層壓力降近乎不變，但床層中顆粒的運動加劇。這時的床層稱為流化床。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。（見彩圖）

散式流態化和聚式流態化 這兩種流態化現象，是根據流化床內顆粒和流體的運動狀況來區分的。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，床層表面平穩且清晰，床層隨流體表觀流速的增加而均勻膨脹。在聚式流態化時，床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。通過床層的流體，部分從乳化相的顆粒間通過，其餘以氣泡形式通過床層。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。氣泡上升至床面時破裂，使床面頻繁地波動起伏，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，床面以下的床層稱為濃相區。氣泡的運動既使床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 為起始流化速度；為粒徑；g為重力加速度。時為散式流態化，時為聚式流態化。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。

床層中出現氣泡（圖2）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，這是滲透著氣泡氣流的乳化相。泡底有尾渦區，稱為尾跡。尾跡的體積約為氣泡體積的。在氣泡上升過程中，尾跡中的顆粒不斷脫落，並不斷引入新的顆粒。氣泡上升到床面時發生破裂，尾跡中的顆粒撒於床面，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，對於流化床中發生的過程起重要作用。

溝流和騰涌 這是流態化的不正常現象，出現在設計或操作不合理的流化床層中。溝流是指床層中出現通道，大量流體經此短路流過，使床層其餘部分仍處於固定床狀態（死床），嚴重地影響到流體與固體間的均勻接觸。導致溝流的原因有：分佈板的設計不當；顆粒細而密度大，形狀不規則；顆粒有粘附性或含濕量較大。騰涌是當氣泡直徑增大到接近於床層直徑時的流態化現象。騰涌有兩種形式:①直徑接近於床徑的氣泡沿床上升，顆粒從氣泡邊緣下降（圖3a）；②氣泡呈柱塞狀（圖3b），一段段床層由氣泡推動著上升，當氣泡到達床界面時，氣泡破裂，床層塌落，顆粒成團或分散下落。騰涌嚴重影響流體與顆粒的相互接觸，並加速顆粒和設備的磨損。顆粒粗及高徑比大的床層，容易發生騰涌。

經典流態化和廣義流態化　床層中沒有顆粒連續加入和流出時，顆粒雖不斷地運動，但它在床層中的平均位置不隨時間而改變，這種流態化稱為經典流態化，習慣上所說的流化床屬於此列。在有些過程中，顆粒和流體同時連續加入和流出，此時顆粒的平均位置隨時間而改變，即顆粒有相對於器壁的運動。將經典流態化的概念延伸至顆粒和流體同時流動的系統，即成廣義流態化。郭慕孫對廣義流態化系統中顆粒和流體的運動作了分類。根據顆粒和流體的流向及流化系統中是否設有分佈板，分成八種可能的操作方式（圖4），並將散式流態化理論推廣到廣義流態化，對各種操作方式作出分析。

流化床的主要特徵 ①從整體看，床層顯示出某些類似於液體的表觀性質，例如保持床層界面的水平，對置於床內的物體產生浮力，具有與床高成正比的靜壓差，能從高處流向低處和從孔口流出等。由於床層具有流動性，可以很方便地使固體顆粒連續加入和排出，無須機械裝置就能實現連續操作。②氣固流化床宛如沸騰著的液體，固體顆粒在床內激烈運動，造成整個流化床宏觀上的均勻性，床層各處的溫度基本均一，非常適合於有強熱效應的過程。但顆粒的激烈運動也造成各顆粒在流化床中停留時間的不均一和流體的返混。③流化床的壓力降保持恆定，這使流化床可以採用小顆粒，而無須擔心過大的壓降；小顆粒的採用有利於流體與顆粒間的熱量傳遞和質量傳遞，也縮短了顆粒內部的傳遞和反應距離。④在聚式流化床中，大量氣體以氣泡形式通過床層，這部分氣體與固體接觸甚少；而少量流經乳化相的氣體，在床內有較長時間與固體接觸。這種氣固間的不均勻接觸，是流化床的主要缺點。⑤顆粒在床內劇烈運動，造成固體顆粒和床內設備的磨損，生成粉塵。為回收有價值的物料和保護環境，須設置粉塵回收設備。

流態化技術的進展 流態化技術在工業上的應用，首推1926年在德國工業化的煤氣化溫克勒爐。1942年在美國建成第一套石油餾分流化床催化裂化反應裝置，這是流態化技術應用的巨大成功。隨後流態化技術進入許多領域。中國於50年代中期，在南京永利寧廠，成功地應用流化床作為硫鐵礦的焙燒爐。目前，流化床在化工、石油、冶金、輕工和環保等部門得到了廣泛應用。隨著流態化技術的發展，人們對流態化現象的認識逐步深入。從40年代末對流化床總體性狀的研究，發展到應用兩相流體力學、流變學、統計學和計算機技術等對床層內部性狀作深入研究。近來的研究發現，當粒徑為的顆粒在比它的沉降速度大的氣速下流態化，並且在旋風分離器（見離心沉降）和床層間作大量循環時，所形成的流化床稱為高速流化床。與一般流化床相比，高速流化床中氣固接觸大為改善，受到廣泛重視。

參考書目

郭慕孫、庄一安著：《流態化──垂直系統中均勻球體和流體的運動》，科學出版社，北京，1963。