流体化床之压降与热传导.docx
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流体化床之压降与热传导
實驗名稱:
流體化床之壓降與熱傳導
目錄
頁數
1、實驗目的………………………………………(02)
2、實驗原理………………………………………(02)
3、實驗裝置………………………………………(08)
4、實驗步驟………………………………………(08)
5、實驗結果………………………………………(11)
6、參考文獻………………………………………(14)
7、附錄………………………………………(14)
1.計算例………………………………………(14)
2.校正曲線………………………………………()
3.符號說明………………………………………()
4.原始數據………………………………………(15)
一、實驗目的
1.探討粉粒體流體化時熱傳與壓降之影響。
2.模擬粉粒體觸媒層流體化之熱傳性質。
二、原理
工業中屢有流體通過多孔床或粒子床之操作,藉流體與粉體間密切接觸完成反應,如:
催化反應器與氣體吸收塔,目的在增加反應面積或吸收面積。
而流體化床效率遠比多孔床大,惟流體化床造成的壓力落差,易使粒子破損,為其缺點。
固體流體化之另一用途為利用流體輸送粒子。
有別於固定床,流體化床乃利用流體的拖曳力,代替支撐粉體的鐵柵格板,當粉體配合流體上揚時,粉粒子間的接觸相對減少,增加了異種粒子的接觸而使混合更趨完美。
流體化過程會產生似液體沸騰時之氣泡,氣泡上升至破裂,造成一股強力的擾動混合力,造成床面呈波紋狀。
一完全之流體化床,由於氣體與粉粒體間已完全混合且具有一大的接觸面積,故溫度變化很小。
氣體離開時的溫度幾乎接近流體化床溫度。
將一不同於流體化床溫度的物體,浸入於床內後,和僅有物體、氣體時的熱傳速率相比較,前者通常大於後者。
此乃界面層妨礙熱傳,當界面層被連續的熱(或冷)粒子滲透時,粒子會與物體做物理接觸,提高熱傳。
流體流經一管柱狀粒子床時,即承受一拉力且發展為一壓降,此壓降隨表面速度(superficialvelocity)增加而增加。
表面速度乃流體流經空管之速度,慣用於流體床實驗;要使流體床不受約束,並使流體能由下往上通過床體,需增加流體速度。
最先,拉力造成流體床之膨脹,當流速繼續增至某定值,則上升力足夠支撐床內粒子重量,此時床體稱為流體化床。
流體化床中流體與粒子系統表現出似流體之特性。
橫越流體床之壓降(∆P),當流速增至最大時,呈現一固定常數,相當於單位面積床體重量的效應。
(1)
(2)
其中Fb、Fg:
作用於固體粒子之浮力、重力(N)
M:
固體粒子的質量(kg)
ρ、ρp:
流體、固體粒子的密度(kg/m3)
Sb:
流體床的截面積(m2)
∆P:
壓降(N/m2)
操作壓力約等於大氣壓,忽略空氣流體密度項ρ。
式
(2)寫為:
(3)
當氣體流速(u)增至超越流體化所須之條件時,亦即越過最小流體化速度(minimumfluidizationVelocity,Vmf),流體床開始產生氣泡,即為整體流體化(aggregativefluidization),其產生之空洞(cavities)有如沸騰中之氣泡。
速度大量增加,氣泡將增大或充滿整個管柱的截面積,而粒子群則有如栓塞騰湧於大空洞之上,此時稱之為騰湧流體床(sluggingbed)。
爾根(Ergun)導出,當一壓降經一填充床之空隙時應該對應於最小流體化空隙度(εmf)和式
(2)所得之單位面積重量之關係。
爾根關係式如下:
(4)
其中hm:
填充床高度(m)
εmf:
填充床的空隙度
μ:
流體黏度(kg/m.s)
:
表面速度,用空圓管截面積做為基準的流體速度(m/s)
Dp:
粒子直徑(m)
φ:
粒子形狀因子
空隙度(εf)定義為:
(5)
由式
(2)推出,於最小流體化時:
(6)
Vb:
流體床之體積(m3)
hmf:
最小流體化床之高度(m)
將式(6)代入(4)爾根方程式中:
(7)
則
(8)
其中Ar:
為阿基米德數
:
最小流體化時之雷諾數
式(8)右邊第一項為層流(Rep<20)時的能量損失,第二項為亂流發展完全(Rep>1000)時之能量損失。
於轉移區下操作時,兩者皆須考慮。
當層流時,由式(8)可得
(9)
亂流時:
(10)
為實驗值,可查自化工手冊或以下式估算之:
(11)
(12)
將上式代入式(7)則最小流體化速度(
)可表為:
(13)
(14)
流體床熱傳特性:
氣體流體化床由於氣泡不斷的產生,固體粒子持續循環,因此具有良好且均勻之混合性。
所以在高溫放熱反應中,流體床均能有一致的溫度。
同時,由於粒子群之最大表面積皆曝露於流體化之氣體中,故氣體與粒子間皆具有相同的溫度。
氣體流體化床在熱特性質上之另一優點為可以獲得介於流體床與浸漬其中之熱傳表面間最高的熱傳速率。
(一)除了細小且具黏性之材質外,當固體粒子床,其粒子直徑小於500μm,密度小於4000kg/m3時,可由流體床之整體與其直接貼近熱傳表面之範圍所造成的粒子循環而得熱傳固傳粒子對流機構,其具高熱容量,固體粒子有能傳送大量熱之能力。
在介於流體床之整體和傳送表面之間,於整個溫度差範圍內,當其最先抵達接近於熱傳表面時,將產生一大的局部溫度梯度,此時熱傳之瞬間速率提高。
但較大粒子愈接近於傳送表面,其溫度愈趨於表面溫度,猶如熱流過他們和表面之間,瞬間熱傳速率將降低。
因此,平均一週期的時間,在低於粒子殘留之最短時間下操作,使其接近熱傳表面,可預期獲得更高的熱傳速率。
在極短的殘留時間下,最大可計量之係數,趨近於氣體熱傳導性和最短傳送路徑長,此路徑為熱以傳導之方式經過粒子和表面之長。
因為熱傳表面較大者,具有較短的傳送路徑,預期熱傳係數在此機構中,將隨著粒徑之減小而增加。
(以上述材質所構成之流體床,在氣流為層流狀態時,熱以對流型態傳送至氣體的因素應可忽略)
因為流體床行為之複雜性,粒子經一熱傳表面之循環與由床至表面的熱傳係數等之定理與經驗式發展極其有限。
式(15)乃由一小的量熱球,投入一熱的流體床之簡單實驗中所導出之一經驗式:
(15)
其中
:
最大粒子對流熱傳係數(Wm-2K-1)
k:
氣體熱傳係數,0.027Wm-1K-1
此係數乃得自介於浸漬冷卻管和流體床之間,故可預期將較實際為小。
其在浸漬冷卻管上之最大值,由式(15)約僅預測出其70﹪。
此乃因粒子循環擾動及浸漬表面和其所承受的冷卻溫度之影響。
(二)粒徑較大且密度較高之固體粒子所造成之流體床,氣體流動之型式應為亂流或至少在轉移區內。
在這種環境下,熱以對流的形態傳送至氣體成為一重要的模式;此即"界面氣體對流",為熱傳之一構成要素。
熱傳係數因低密度氣體之流動與粒徑之大小成正比,故因平均粒徑之增加而增加,因此熱傳為界面氣體對流之形態。
於平均粒徑1mm,約在床至表面最大區間,砂粒與空氣構成的流體床其熱傳係數將趨於最小。
圖4-1流體床高及壓降對表面速度關係圖
(粒徑177μm,於20℃空氣中)
圖4-2表面傳導係數與表面速度關係圖
圖4-3表面速度與流體床壓降關係圖
圖4-4最小流體化速度與平均粒徑之關係
(20℃,1atm下空氣造成之流體化床)
三、設備裝置
圖4-5流體化床裝置圖
四、實驗步驟
4.1降壓之影響
1.將加熱器安裝於分佈室高度L=20mm。
2.T2熱電偶溫度探針固定在加熱器上方5mm。
3.調整流體化床,使其表面呈水平狀態。
4.加熱器表面溫度T1設定為80℃,調整可變電阻,控制電流與電壓轉盤使達T1達到80℃。
5.流量計較正,調整流量計讀數1.5L/s時,紀錄小孔計差壓x
(mmH2O),空氣流量正比於
,當流量計讀數為1.5L/s時,
,
則校正空氣流率
。
6.將空氣流量計讀數由0L/s往上增加0.05~0.1L/s,當T1達穩定,觀察流體床中粒子運動狀態,並記錄各項數值,流體化床溫度T2,進入空氣溫度T3,流體床高度H1,流體床壓降∆P,小孔計差壓x。
7.重覆步驟(6)至流量控制閥1.5L/s為止。
8.空氣流量計讀數由1.5L/s逐步降低0.1L/s至T1達穩定,記錄數值。
9.重覆步驟(8)至流量控制閥全關止。
4.2流體化床之熱傳
1.將加熱器安裝於分佈室高度L=20mm。
2.T2熱電偶溫度探針固定在加熱器上方5mm。
3.將空氣讀數調到1.5L/s,流體化床呈完全混合狀態。
4.加熱器表面溫度T1設定為80℃,調整可變電阻,控制電流與電壓轉盤使達T1達到80℃。
5.當溫度達穩定,記錄數值:
加熱器表面溫度T1,流體化床的溫度T2,進入空氣溫度T3,小孔計差壓x,加熱器電壓E,加熱器電流量I。
6.降低空氣流量計讀數0.2L/s,微調可變電阻,使T1為80℃,記錄數據。
7.重覆步驟(6)至流量控制閥全關。
8.改變加熱器於分佈室上高度L為40mm、60mm,重覆步驟(3)~(7)。
五、注意事項
1.T2熱電偶溫度探針固定在加熱器上方5mm。
2.流體床高度H1為粒子呈氣泡沸騰可達之最高點。
3.當空氣流速為0,確認空壓機是否接上。
六、實驗結果
6.1數據紀錄
6.1.1壓降之影響
空氣流量:
增加→減少
=
空氣流量計讀數(L/s)
0
小孔計差壓x(mmH2O)
校正空氣流率Vm(L/s)
流體床溫度T2(K)
入口空氣溫度T3(K)
流體床高度H1(cm)
流體床壓降∆P(mmH2O)
流體化床中
粒子運動狀態
(#表格請視需要複印#)
6.1.2流體化床之熱傳
材料名稱:
熔凝氧化鋁砂粒
平均粒徑(Dp):
177μm
固體粒子密度(ρ):
3770kgm-3
截面積(Sb):
8.6×10-3m2
固體粒子質量(m):
1.3kg
加熱器之表面積(A):
1.6×10-3m2
◎分佈室上加熱器高度L:
mm
空氣流量計讀數(L/s)
1.5
1.3
1.1
0.9
0.7
0.5
0.3
小孔計差壓x(mmH2O)
校正空氣流率Vm(L/s)
加熱器表面溫度T1(K)
流體床溫度T2(K)
入口空氣溫度T3(K)
加熱器電壓E(volt)
加熱器電流I(amps)
6.2結果整理
6.2.1壓降之影響
1.計算各項數值,並整理成表格:
(a)空氣流經床之流量
(L/s)
(b)表面速度Vs=10-3(Vb/Sb)(m/s)
(c)最小流體化速度Vmf(m3/s)(實驗值,理論值)
(d)最小流體化時雷諾數Remf(實驗值,理論值)
2.以流體化床壓降對表面速度作圖,標繪最小流體化速度Vmf。
(參考圖4-1)
3.以流體化床高度對表面速度作圖。
(參考圖4-1)
6.2.2流體化床之熱傳
1.計算各項數值,並整理成表格:
(a)空氣流經床之流量Vb(L/s)
(b)表面速度Vs=10-3(Vb/Sb)(m/s)
(c)熱功率Q=ExI(W)
(d)表面熱傳係數h=Q/[A(T1-T2)](W/m2K)
(e)最大粒子對流傳導係數hpcmax(W/m2K)
2.不同加熱器高度L下,表面熱傳係數對表面速度作圖。
(參考圖4-2)
七、討論
1.說明表面熱傳係數與表面速度之關係。
2.討論不同加熱器高度L下,表面熱傳係數與表面速度之關係。
3.比較hpcmax實驗及理論值之差異。
4.試說明流體化床之壓降與表面速度之關係,討論與理論圖形異同點。
5.試說明流體化床之床高與表面速度之關係。
6.比較最小流體化速度之實驗及理論值之差異。
7.討論流體床之溫度與壓降之關係。
8.討論最小流體化速度與平均粒徑之關係。
9.說明流體化床技術上之應用。
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