流态化(卷名：化工)
fluidization
简称流化，利用流动流体的作用，将固体颗粒群悬浮起来，从而使固体颗粒具有某些流体表观特征，利用这种流体与固体间的接触方式实现生产过程的操作，称为流态化技术，属于粉体工程的研究范畴。流态化技术在强化某些单元操作和反应过程以及开发新工艺方面，起着重要作用。它已在化工、炼油、冶金、轻工和环保等部门得到广泛应用。
流态化现象 将一批固体颗粒堆放在多孔的分布板上形成床层(图1)，
使流体自下而上通过床层。由于流体的流动及其与颗粒表面的摩擦，造成流体通过床层的压力降。当流体通过床层的表观流速(按床层截面计算的流速)不大时，颗粒之间仍保持静止和互相接触，这种床层称为固定床。当表观流速增大至起始流化速度时，床层压力降等于单位分布板面积上的颗粒浮重（颗粒的重力减去同体积流体的重力），这时颗粒不再相互支撑，并开始悬浮在流体之中。进一步提高表观流速，床层随之膨胀，床层压力降近乎不变，但床层中颗粒的运动加剧。这时的床层称为流化床。当表观流速增加到等于颗粒的自由沉降速度时，所有颗粒都被流体带走，而流态化过程进入输送阶段。（见彩图）
散式流态化和聚式流态化 这两种流态化现象，是根据流化床内颗粒和流体的运动状况来区分的。在散式流态化时，颗粒均匀分布在流体中，并在各方向上作随机运动，床层表面平稳且清晰，床层随流体表观流速的增加而均匀膨胀。在聚式流态化时，床层内出现组成不同的两个相，即含颗粒甚少的不连续气泡相，以及含颗粒较多的连续乳化相。乳化相的气固运动状况和空隙率，与起始流化状态相近。通过床层的流体，部分从乳化相的颗粒间通过，其余以气泡形式通过床层。增加流体流量时，通过乳化相的气量基本不变，而气泡量相应增加。气泡在分布板上生成，在上升过程中长大；小气泡会合并成大气泡；大气泡也会破裂成小气泡。气泡上升至床面时破裂，使床面频繁地波动起伏，同时将一部分固体颗粒抛撒到界面以上，形成一个含固体颗粒较少的稀相区；与此相对应，床面以下的床层称为浓相区。气泡的运动既使床层中的颗粒剧烈运动，也影响到气固间的均匀接触。美国学者R.H.威海姆和中国学者郭慕孙提出用下式计算的弗劳德数作为流态化类型的判据：
式中 umf为起始流化速度；dP为粒径；g为重力加速度。Fr＜1时为散式流态化，Fr＞1时为聚式流态化。一般情况下，液固系统为散式流态化，气固系统为聚式流态化。床层中出现气泡（图2）
是聚式流态化的基本特征。较小的气泡呈球形，较大的气泡呈帽形。气泡的中心是基本上不含颗粒的空穴；气泡的外层称为晕，这是渗透着气泡气流的乳化相。泡底有尾涡区，称为尾迹。尾迹的体积约为气泡体积的20％～30％。在气泡上升过程中，尾迹中的颗粒不断脱落，并不断引入新的颗粒。气泡上升到床面时发生破裂，尾迹中的颗粒撒于床面，返回乳化相中。晕和尾迹是气泡相和乳化相间发生物质交换的媒介，对于流化床中发生的过程起重要作用。沟流和腾涌 这是流态化的不正常现象，出现在设计或操作不合理的流化床层中。沟流是指床层中出现通道，大量流体经此短路流过，使床层其余部分仍处于固定床状态（死床），严重地影响到流体与固体间的均匀接触。导致沟流的原因有：分布板的设计不当；颗粒细而密度大，形状不规则;颗粒有粘附性或含湿量较大。腾涌是当气泡直径增大到接近于床层直径时的流态化现象。腾涌有两种形式:①直径接近于床径的气泡沿床上升，颗粒从气泡边缘下降（图3a）；②气泡呈柱塞状（图3b），一段段床层由气泡推动着上升，当气泡到达床界面时，气泡破裂，床层塌落，颗粒成团或分散下落。腾涌严重影响流体与颗粒的相互接触，并加速颗粒和设备的磨损。颗粒粗及高径比大的床层，容易发生腾涌。
经典流态化和广义流态化 床层中没有颗粒连续加入和流出时，颗粒虽不断地运动，但它在床层中的平均位置不随时间而改变，这种流态化称为经典流态化，习惯上所说的流化床属于此列。在有些过程中，颗粒和流体同时连续加入和流出，此时颗粒的平均位置随时间而改变，即颗粒有相对于器壁的运动。将经典流态化的概念延伸至颗粒和流体同时流动的系统，即成广义流态化。郭慕孙对广义流态化系统中颗粒和流体的运动作了分类。根据颗粒和流体的流向及流化系统中是否设有分布板，分成八种可能的操作方式（图4），并将散式流态化理论推广到广义流态化，对各种操作方式作出分析。
流化床的主要特征 ①从整体看，床层显示出某些类似于液体的表观性质，例如保持床层界面的水平，对置于床内的物体产生浮力，具有与床高成正比的静压差，能从高处流向低处和从孔口流出等。由于床层具有流动性，可以很方便地使固体颗粒连续加入和排出，无须机械装置就能实现连续操作。②气固流化床宛如沸腾着的液体，固体颗粒在床内激烈运动，造成整个流化床宏观上的均匀性，床层各处的温度基本均一，非常适合于有强热效应的过程。但颗粒的激烈运动也造成各颗粒在流化床中停留时间的不均一和流体的返混。③流化床的压力降保持恒定，这使流化床可以采用小颗粒，而无须担心过大的压降；小颗粒的采用有利于流体与颗粒间的热量传递和质量传递，也缩短了颗粒内部的传递和反应距离。④在聚式流化床中，大量气体以气泡形式通过床层，这部分气体与固体接触甚少；而少量流经乳化相的气体，在床内有较长时间与固体接触。这种气固间的不均匀接触，是流化床的主要缺点。⑤颗粒在床内剧烈运动，造成固体颗粒和床内设备的磨损，生成粉尘。为回收有价值的物料和保护环境，须设置粉尘回收设备。
流态化技术的进展 流态化技术在工业上的应用，首推1926年在德国工业化的煤气化温克勒炉。1942年在美国建成第一套石油馏分流化床催化裂化反应装置，这是流态化技术应用的巨大成功。随后流态化技术进入许多领域。中国于50年代中期，在南京永利宁厂，成功地应用流化床作为硫铁矿的焙烧炉。目前，流化床在化工、石油、冶金、轻工和环保等部门得到了广泛应用。随着流态化技术的发展，人们对流态化现象的认识逐步深入。从40年代末对流化床总体性状的研究，发展到应用两相流体力学、流变学、统计学和计算机技术等对床层内部性状作深入研究。近来的研究发现，当粒径为20～100μm的颗粒在比它的沉降速度大5～10倍的气速下流态化，并且在旋风分离器（见离心沉降）和床层间作大量循环时，所形成的流化床称为高速流化床。与一般流化床相比，高速流化床中气固接触大为改善，受到广泛重视。
参考书目
郭慕孙、庄一安著：《流态化──垂直系统中均匀球体和流体的运动》，科学出版社，北京，1963。