第1章 绪论
1.1 气固两相流的定义与特点
1.1.1 多相流与气固两相流的定义
多相流是从传统能源转化与利用领域逐渐发展起来的新兴交叉研究领域。尽管多相流作为一门*立学科的时间不长，但广泛应用于能源动力、电力、化工、石油、航空航天、冶金、环保、医药等诸多工业部门，具有非常强的工业应用背景，对国民经济的发展有十分重要的作用，近年来发展十分迅速。
多相流中的“相”定义为物质的存在形式，如气态、液态或固态，因此多相流即为两种或两种以上“相”的物质同时流动且具有明显分界面的流体。除此之外，还存在着动力学意义上的相，如两种互不相溶的液体构成的流动（如油水混合流），液体物性的不同将不可避免地造成流动在动力学上的差异，因此不相溶的液液混合物的流动也属于两相流动。随着研究的深入，以及连续相与离散相概念的引入，各种“相”的概念逐渐合为一种，即多相流[1，2]，包含着物质形态上的相和动力学意义上的“相”。工业生产过程中的多相流可以简单地划分为气液、气固、液固、液液两相流及气液固、液液固、气液液三相流等。在某些工业过程（如石油工业）中，还有油气水沙同时流动的四相流。
气固两相流，顾名思义，就是只有气体和固体的两相流，它在自然界以及众多工业生产过程中都是广泛存在的[3-5]。比如，空气中夹带灰粒与尘土、沙漠风沙、飞雪、冰雹，在能源动力、环保、冶金、建材、粮食加工和化工工业中广泛应用的气力输送、气流干燥、煤粉燃烧、固体废弃物的焚烧、静电除尘、石油的催化裂化、矿物的流态化焙烧、气力浮选、流态化等都是典型的气固两相流动。气固两相流动可分为稀疏两相流动和稠密两相流动两大类[6]。稀疏两相流动中离散相（颗粒相）的运动受连续相（流体相）的力（阻力、升力等）的控制。连续相的质量远大于离散相的质量，两相之间的作用力在连续相中造成的加速度远小于在离散相中形成的加速度。另外，虽然在稀疏两相流动中离散相也可能发生碰撞，但在离散相发生碰撞时已经完全响应湍流脉动，并且离散相间的碰撞时间极短，大部分时间是响应湍流作用后跟随湍流运动，故许多工程实际计算时可以忽略离散相间的碰撞。稠密两相流动中离散相受相间的碰撞控制，瞬时速度和位置由碰撞得出。连续两次碰撞的间隔小于离散相本身完全跟随气流所需的时间，运动行为不能完全地响应湍流脉动，在尚未完全跟随湍流时便已经发生碰撞。因此，必须考虑颗粒间的碰撞。
1.1.2 典型的气固两相流动系统
1.气力输送系统
气力输送又称气流输送，利用气流的能量，在密闭管道内沿气流方向输送颗粒状物料，是流态化技术的一种具体应用[4，5]。气力输送装置的结构简单，操作方便，可进行水平、垂直或倾斜方向的输送，在输送过程中还可同时进行物料的加热、冷却、干燥和气流分级等物理操作或某些化学操作。
气力输送已经具有很长的应用历史，气力输送技术*初用来运送货物，后来适用于粉状、粒状、叶片状的材料输送，如面粉、水泥、谷物、煤炭、石灰、烟草、茶叶和其他物资运输领域，当时都是基于低混和悬浮输送原理设计的，为稀相气力输送方式。由于工艺水平和设备制造技术等因素的影响，气力输送技术在相当长的一段时间内没有发展。近几十年来，随着材料、控制、装备制造等领域的发展，气力输送技术再次振兴。现代气力输送的研究主要集中于密相输送，其起源于20世纪50年代后期的德国。1962年联邦德国Gattys公司的内套管式密相静压输送装置开发成功，同年瑞士的Buhler公司外旁通管式密相输送装置、1969年英国的Warren Spring研究所研制的脉冲气力式气力输送装置相继问世。上述密相静压输送装置，具有低输送风速、高料气比和低耗气量以及显著减少物料破碎和管壁磨损等特点，弥补了稀相悬浮动压输送的缺点。上述技术的发展标志着近代气力输送的发展方向，使气力输送技术进入了一个崭新的阶段，英国、澳大利亚、瑞士以及中国等国家都对密相输送技术开展了大量研究，新的成果不断涌现。
按照气体在管道中的压力状态来区分，一般将气力输送分为吸送式和压送式两大类[7，8]。图1.1所示为吸送式气力输送系统示意图。利用安装在输送系统终点的风机或真空泵抽吸系统内的空气，在输送管中形成低于大气压的负压气流，因此是用低气压力的气流进行输送，又称为真空吸送。物料同大气一起从起点吸嘴进入管道，随气流输送到终点分离器内。物料颗粒受到重力或者离心力作用从气流中分离出来，空气则经过滤净化后，通过风机排入大气中。图1.2所示为压送式气力输送系统示意图。利用安装在输送系统起点的鼓风机，将高于大气压的正压空气通入供料装置中，与固体物料混合后，物料和空气流一起经输送管送到终点，经分离器分离进入料仓内，而空气则经过过滤后排入大气中。压送式可分为低压压送式和高压压送式两类。
上述的吸送式和压送式气力输送系统实质上属于传统的稀相气力输送，固体含量低（1～10kg/m3），输送气速较高（18～40m/s），固体颗粒在管道中呈悬浮状态，输送距离基本上在300m以内。稀相气力输送在运输过程中存在一些缺点，如耗气量大、能耗高、管道的磨损严重等问题。输送过程中物料速度过快也易导致物料颗粒破损，某些对破损率有严格控制要求的原料就不适宜采用稀相气力输送方式。此外，稀相气力输送时，物料大多处于悬浮状态，对于一些大粒径或大密度颗粒输送困难，此类颗粒不适合采用稀相气力输送方式。
鉴于稀相气力输送的上述缺点，人们将目光转向低速、高浓度的密相气力输送技术。近些年来，经过科研工作者的努力，密相气力输送技术得到迅速发展。从流动形式来分，密相气力输送可分为动压气力输送和静压气力输送两种[8]。密相动压气力输送的气流速度通常在8～15m/s。物料在管道内不再均匀分布，而呈密集状态，但管道并未被物料堵塞，仍然依靠空气的动能来输送。这类流动状态的气力输送方式有高压压送、高真空吸送和流态化等。输送比的范围很大，高压压送与高真空吸送的输送比在10～50范围内，流动状态呈脉动流。对于易充气的粉料，输送比可高达200以上，呈流态化。密相静压气力输送的物料密集而易堵塞管道，依靠气流的静压来推送物料，它可以分为柱流气力输送与栓流气力输送两种：柱流气力输送的特点是密集状物料连续不断地充塞管内而形成料柱，移动速度较低，一般情况下仅为0.2～2m/s，适用于30m以内的短管输送。栓流气力输送，也称脉冲式气力输送，它的特点是人为地把料柱预先切割成较短的料栓，输送时气栓与料栓相间分开，从而提高了料栓速度，降低输送压力，减少动力损耗以及增加输送距离。图1.3为脉冲式密相气力输送系统示意图。
原理和应用实践都证明了气力输送具有一系列的优点：输送效率高、设备构造简单、维护方便、易于实现自动化、有利于环境保护等。特别是在工厂车间内部应用时，可以将输送过程和工艺流程相结合以简化工艺环节和减少设备，大大提高了劳动生产率和降低了成本。然而，与其他机械输送方式相比，其缺点是动力消耗较大。
2.气固流化床系统 流态化床，简称流化床，是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相或液固相反应的反应器[9]，如图1.4所示。气固流化床中，气体通过床层底部的进气口进入反应器，经过床层中的固体颗粒物料，*终从顶部的出气口排出。在气体流动的作用下，固体颗粒物料呈现出流态，形成了一种类似于液体的状态，这种状态被称为流化状态。在流化状态下，固体颗粒物料之间的接触面积增大，传热、传质效率也随之提高。
上述性质使得流化床内颗粒物料的加工可以像流体一样连续进出料，并且由于颗粒充分混合，床层温度、浓度均匀，使床层具有*特的优点从而得以广泛应用。在床层内的流体和颗粒两相运动中，当流速达到某一限值，床层刚刚能被流体托动时，床内颗粒就开始流化起来，这时的流体空床线速度称为临界流化速度。由于流速、流体与颗粒的密度差、颗粒粒径及床层尺寸的不同，颗粒可呈现出不同的流化状态，但主要分为散式流化态与聚式流化态两类[9，10]。散式流化床：对于液固系统，液体与颗粒的密度相差不大，故临界流化速度一般很小，当流速进一步提高时，床层膨胀均匀且波动小，颗粒在床内的分布比较均匀，床内孔隙率均匀增加，床层上界面平稳，压降稳定，故称作散式流化床，见图1.5。散式流化态是较理想的流化状态。一般液固两相密度差较小的体系呈现散式流化态特征。
聚式流化床：对气固系统而言，一般在气流速度超过临界流化速度后，将会出现气泡。气流速度越高，气泡造成的扰动越剧烈，使床层波动频繁，这种形态的流化床称作聚式流化床或气泡床。由于流体介质及其流过床层速度的不同，以及固体颗粒性质、尺度的差异，固体颗粒在流体中的悬浮状态不尽相同，因而形成各种不同类型的流动状态，如图1.6所示。
流化床作为一种重要的化工反应器，其发展历史可以追溯到20世纪初，德国科学家弗兰克普拉斯特*次提出了流化床的概念。他在研究煤气化过程中发现，当气体通过一层细小的颗粒物质时，这些颗粒物质会像液体一样流动，这就是流化床的基本原理。但当时的技术水平还无法实现流化床的工业化应用。50年代，美国化学家戴维艾伦发明了一种新型的流化床反应器，称为压缩流化床反应器，该反应器可以在高压下进行反应，使反应速率大大提高。此后，流化床反应器的应用范围逐渐扩大，成为化工领域的重要设备。60年代，美国约翰戴维森在康涅狄格大学和普林斯顿大学带领的团队开发出了适用于生产石油化工产品的新型流化床工艺，这就是后来被称为戴维森气流床的技术。该技术被广泛应用于生产聚合物、溶剂、高分子黏合剂、塑料、燃料等，将流化床的应用范围进一步扩大。70年代，在物理学家理查德费曼和罗伯特莱德曼等人的推动下，固体物质中的流体化现象重新得到了关注。70年代后期，新型的流化床反应器和干燥器等设备开始流行。80年代和90年代，流化床技术已经成为制造石油、化学品和其他工业产品的核心技术之一。
可见，经过一个多世纪的发展，流化床由于具有反应速度快、传质效率高、操作灵活、安全、环保等优点，在化工、环保、能源、电力、冶金、制药等领域得到了广泛的应用。随着技术的不断发展和进步，流化床的应用范围还将不断扩大。
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