乳化相(英文名称emulsion phase)这是一专用名词,用于建立化工过程的流化床反应器数学模型时,需要划分不同的相。例如
两相模型把
反应器中的物料划分为两相,即把不参加反应的气泡叫做泡相,把余下的固体颗粒包括
催化剂及其他物料,以及除泡相以外的气体,看为是一个拟均相,称为乳化相。
化学反应在乳化相中进行,所生成的产品,一部分传递到泡相被带出反应器。
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。因此可将固体的流态床分为以下几种形式:
流态化(fluidization)一般指固体的流态化,又称假液化,简称流化,它是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。
流态化技术是一种强化
流体(
气体或
液体)与
固体颗粒间相互作用的
操作,如在直立的
容器内间歇地或连续地加入颗粒状固体物料,控制流体以一定速度由底部通入,使其压力降等于或略大于单位截面上固体颗粒的重量,固体颗粒即呈
悬浮状运动而不致被流体带走。这种床层称为流化床。
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,广泛应用于化学、石油、冶金、原子能等
工业的
焙烧、
干燥、
吸附、
气化、
催化反应和
催化裂化等许多过程中。
根据流化床内颗粒和流体的运动状况,流化床可分为散式流化床和聚式流化床。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。气泡的运动即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:
床层中出现气泡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。
气体进入床层后,部分通过乳化相流动,其余则以气泡形式通过床层。乳化相中的气体与颗粒接触良好,而气泡中的气体与颗粒接触较差。其原因是起泡中几乎不含颗粒,气体与颗粒接触的主要区域集中在气泡的气泡晕和尾涡处。
(2)气泡与乳化相间的传质:由于流化床反应器中的反应实际上是在乳化相中进行,所以气泡与乳化相间的气体交换作用非常重要。相间传质速率与表面反应速率的快慢,对于选择合理的床型和操作参数都相关(如图2)。