颗粒与流体之间的相对流动Word文档格式.docx

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目数：

每英寸长度上的孔数。

（2）颗粒群的平均直径：

以比表面积相等为原则的球形颗粒群的平均直径：

式中：

xi—第i筛号上的筛余量质量分数；

。

床层特性

（1）床层的空隙率ε:

床层中空隙的体积与床层总体积之比。

ε=床层空隙体积/床层总体积

=（床层体积-颗粒所占体积）/床层总体积

（2）床层的各向同性

各向同性的一个重要特点：

床层横截面上可供流体通过的空隙面积（即自由截面）与床层截面之比在数值上等于空隙率ε。

4.1.2流体绕球形颗粒的流动阻力（曳力）

流体对颗粒的作用力（阻力）FD可用下式表示：

AP-颗粒在流体流动方向上的投影面积，m2；

ρ为流体密度，kg/m3；

ξ为曳力系数（或阻力系数）；

u为颗粒与流体的相对运动速度，m/s。

实验证明，ξ是雷诺数的函数，即：

ξ=f（ReP）

式中dP为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径），μ、ρ为流体的物性。

ξ－ReP间的关系，经实验测定如图4-1所示，图中φs≠1的曲线为非球形颗粒的情况。

在不同雷诺数范围内可用公式表示如下：

（1）滞流区（ReP≤1）

ξ=24/ReP

（2）过渡区（1<

ReP≤500）

ξ=18.5/ReP0.6

（3）湍流区（500<

ReP<

2×

105）

ξ=0.44

4.1.3流体通过颗粒床层的压降

流体通过固定床的压降由下式给出：

球形颗粒：

非球形颗粒用φSdP代替dP即可。

式中u为流体的空床流速，m/s。

当ReP＜20时，等式右方第二项可略去，即此时粘滞力起主导作用；

当ReP＞1000时，右方第一项可略去，即此时惯性力起主导

作用。

4.2颗粒在流体中的运动

颗粒在流体中沉降时，受到的作用力有三个：

①场力；

②浮力；

③阻力。

重力沉降：

在重力场中发生的沉降过程。

密度为ρp，表面光滑的球形颗粒在密度为ρ（设ρp>

ρ）的流体中发生自由沉降，受力情况：

（1）场力Fg↓

（2）浮力Fb↑

3）阻力FD↑

由牛顿第二定律，有：

（1）

颗粒沉降的两阶段：

①加速阶段：

从τ=0→τt，a=amax→0，u=0→umax（ut）；

②等（匀）速阶段：

当τ≥τt，a=0，u=ut。

沉降速度ut：

在等速阶段里颗粒相对于流体的运动速度；

或在加速阶段终了时颗粒相对于流体的运动速度，也称终端速度。

当a=0时，由

（1）可解得：

（2）

将前面ξ的表达式代入，得：

此式称为斯托克斯公式。

此式称为阿仑公式。

此式称为牛顿公式。

ut的计算方法：

试差法。

①假定流型，用相应的公式计算ut；

②计算，检验Ret是否符合假定流型。

符合，ut正确，否则，重复步骤①，②。

对于以μm计的小颗粒，常在滞流区沉降。

［例4-1］玉米淀粉水悬浮液在20℃时，颗粒的直径为6～21μm，其平均值为15μm，求沉降速度。

假定吸水后淀粉颗粒的相对密度为1.02。

解：

水在20℃时，μ=10-3Pa·

s,ρ=1000kg/m3;

ρP=1020kg/m3。

假定在滞流区沉降，则按斯托克斯公式：

∴ut正确，即ut=2.45×

10-6m/s。

［例4-2］一直径为15μm，相对密度为0.9的油滴，在21℃，0.1MPa的空气中沉降分离。

若沉降时间为2min，试求该油滴沉降分离的高度。

查附录，得在题设条件下空气的物性为：

μ=1.8×

10-5Pa·

s，ρ=1.20kg/m3

假定沉降满足斯托克斯公式：

∴ut正确，即ut=6.12×

10-3m/s。

沉降高度：

H=utτ=6.12×

10-3×

60=0.734m

说明：

对于微米级颗粒的沉降，一般在极短的时间内（以毫秒计）就可达到沉降速度，因此可认为，颗粒从一开始就以沉降速度沉降。

实际沉降速度ut，

实际的颗粒沉降一般不是自由沉降，且形状也不一定为球形，这时需对ut进行校正。

ut，=λput

λp为校正系数，可参阅式（4-34）～（4-37）。

4.3固体流态化与气力输送简介

流态化：

在流化床中，床层所具有的类似流体性质的现象。

4.3.1固体流态化

固体流态化的基本概念

流体经过固体颗粒床层流动时的3种状态：

固定床阶段流化床阶段气（液）力输送阶段

（1）固定床阶段

流体以低流速向上流过颗粒床层时，流体只是通过静止固体颗粒间的空隙流动，这时的床层称为固定床。

（2）流化床阶段

流体的流速逐步增大，乃至流体通过床层的压力降大致等于床层的净重力时，固体颗粒刚好悬浮在向上流动的流体中，床层开始流化，这时的床层称为临界流化床，流化以后的床层就称为流化床。

临界流化速度umf：

使床层开始流化时的流体速度。

（3）气力输送阶段

流体流速增大到颗粒的沉降速度时，将有固体颗粒随流体夹带流出。

这时的流体流速称为带出速度。

流化床的流体力学

（1）流化床的压力降

忽略床层与器壁的摩擦阻力，在垂直方向上，作用在床层上有三个力：

1重力↓，②浮力↑，③推力↑。

三力平衡：

L，A分别为床层的高度和截面积；

ε为床层空隙率。

床层压降为：

若流化介质为气体，则≈0，即对气体流化床有：

式中：

m-床中固体颗粒的总质量，kg。

显然，在流化床阶段，流体通过床层的压降为定值。

流体通过床层的压降（压力降）ΔP与空塔速度u的关系如下图所示：

AB段为固定床阶段，Δp与u在对数坐标上成直线关系；

BC段为流化床阶段，Δp基本不变；

CD段为气力输送阶段，气体流速到达带出速度时，颗粒被带走，床层的空隙率快速增大，因而气体流动的压降随之骤然下降。

如果床内出现不良现象（节涌、沟流），通过床的压降将会波动。

（2）临界流化速度（最小流化速度）umf临界流化速度与空床雷诺数等有关。

下面介绍几个umf的计算式：

①当ReP≤20时

②当ReP≥1000时

③0<

∞，有：

dP为颗粒的平均粒径，m；

ρ，μ为流体的物性。

注意，求umf最可靠的方法是实验的方法，见下例题。

［例4-3］某气、固流化床反应器在350℃、压强1.52×

105Pa条件下操作。

此时气体的粘度为μ=3.13×

10-5Pa.s，密度=0.85kg/m3，催化剂颗粒直径为0.45mm，密度为1200kg/m3。

为确定其临界流化速度，现用该催化剂颗粒及30℃、常压下的空气进行流化实验，测得临界流化速度为0.049m/s，求操作状态下的临界流化速度。

查得30℃、常压下的空气的粘度和密度分别为：

μ，=1.86×

s，密度ρ，=1.17kg/m3

实验条件下的雷诺数由得：

（3）最大流化速度和流化操作速度

最大流化速度=颗粒的沉降速度ut

一般食品的悬浮速度（颗粒的沉降速度）见表4-1。

下面介绍几个ut的计算式：

①球形颗粒，且RePt<

0.4时

当RePt>

0.4，则应对ut校正，校正系数ft可由图4-10查出。

②球形颗粒，且0.4<

RePt<

500时

③对于非球形颗粒的ut，，乘以一个系数c：

ut，=cut

c=0.834×

lg（φs/0.065）

注意：

在计算umf时，颗粒直径取床层中实际颗粒粒度分布的平均直径，而计算ut时须用具有相当数量的最小颗粒的粒度。

操作弹性：

ut/umf比值的大小。

对于细颗粒，RePt<

0.4，有

ut/umf=91.6

对于大颗粒，RePt>

1000，有

ut/umf=8.61

可见，小颗粒比大颗粒的操作弹性大。

一般ut/umf值在10～90之间。

流化数K：

操作速度u与临界流化速度umf之比。

K=u/umf

为提高操作速度，可采取的措施：

①床层中设挡板、挡网；

②改进粉尘回收系统（使用旋风分离器）。

流化床的结构形式

流化床的结构主要包括壳体、床内分布板、粉状固体回收系统、挡板及挡网、内换热器等，又有单、多层流化床之分。

气体分布板作用：

支承物料、均匀分布气体、创造良好的流化条件。

挡板和挡网作用：

挡板或挡网能够破坏气泡的生成和长大，改善气体在床内停留时间的分布和两相的接触，减轻气体的返混现象，提高流化效果。

4.3.2气力输送

概述

当流体速度增大至等于或大于固体颗粒的带出速度时，则颗粒在流体中形成悬浮状态的稀相，并随流体一起带出，称为气（液）力输送。

气力输送的优点：

①可进行长距离、任意方向的连续输送，劳动生产率高，结构简单、紧凑，占地小，使用、维修方便。

②输送对象物料范围广，粉状、颗粒状、块状、片状等均可，且温度可高达500℃。

③输送过程中，可同时进行混合、粉碎、分级、干燥、加热、冷却等。

④输送中，可防止物料受潮、污染或混入杂质，保持质量和卫生，且没有粉尘飞扬，保持操作环境良好。

气力输送的缺点：

①动力消耗大（不仅输送物料，还必须输送大量空气）；

②易磨损物料；

③易使含油物料分离；

④潮湿易结块和粘结性物料不适用。

输送时，颗粒的输送松密度ρ，与颗粒的真密度ρP的关系为

ρ，=ρP（1-ε）

式中ε为空隙率。

混合比R：

气力输送中，单位时间被输送物料的质量与输送空气的质量之比。

R=Gs/Ga

Gs为被输送物料的质量流量，kg/s；

Ga为输送空气的质量流量，kg/s。

通常，稀相输送松密度ρ，<

100kg/m3，

混合比R=0.1～25kg固/kg气（一般

R=0.1～5）;

密相输送松密度ρ，>

100kg/m3，混合比R=25至数百。

气力输送系统

气力输送系统一般由供料装置、输料管路、卸料装置、闭风器、除尘装置和气力输送机械等组成。

输送流程主要有吸引式（真空式）和压送式两种：

①吸引式

低真空吸引气源真空度<

13kPa

高真空吸引气源真空度<

60kPa

②压送式

低压压送式气源表压0.05～0.2MPa

高压压送式气源表压0.2～0.7MPa

吸引式多用于短距离的输送，压送式多用于长距离的输送。

吸引式输送系统如下图所示：

压送式输送系统如下图所示：

4．4非均相混合物的分离均相混合物（物系）：

物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的物系。

非均相混合物：

物系内部有隔开两相的界面