颗粒与流体之间的相对流动10.docx
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颗粒与流体之间的相对流动颗粒与流体之间的相对流动10第4章颗粒与流体之间的相对流动1流体绕过颗粒及颗粒床层的流动1.1颗粒床层的特性1.1.1单个颗粒的特性球形颗粒是最简单的一种颗粒,它的各有关特性均可用单一参数直径d全面表示。
体积;表面积;比表面积(单位体积固体颗粒所具有的表面积称为颗粒的比表面积)对非球形颗粒,以当量直径de来表征其与球形颗粒在某些特性方面的等效。
(1)体积等效直径dev使当量球形颗粒的体积等于真实颗粒的体积VP。
或
(2)表面积等效直径des使当量球形颗粒的表面积等于真实颗粒的表面积SP。
或(3)比表面积等效直径dea使当量球形颗粒的比表面积等于真实颗粒的比表面积a。
或球形度S:
体积相同时球形颗粒的表面积与实际颗粒的表面积之比。
0s1。
1.1.2颗粒群的特性由大量单个颗粒组成的集合颗粒群。
(1)粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量称为粒度分布。
一般用粒度表征颗粒的大小,球形颗粒的粒度就是其直径。
颗粒粒度的测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法等。
筛分法通常采用一套标准筛进行测量。
常用的泰勒标准筛以筛号(目数)表示筛孔的大小。
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;。
1.1.3床层特性
(1)床层的空隙率:
床层中空隙的体积与床层总体积之比。
=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。
1.2流体绕球形颗粒的流动流体对颗粒的作用力(阻力)FD可用下式表示:
式中:
AP-颗粒在流体流动方向上的投影面积,m2;为流体密度,kg/m3;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,是雷诺数的函数,即:
=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),、为流体的物性。
ReP间的关系,经实验测定如图4-6所示,图中s1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(ReP1)=24/ReP
(2)过渡区(1ReP500)=18.5/ReP0.6(3)湍流区(500ReP)的流体中发生自由沉降,受力情况:
(1)场力Fg
(2)浮力Fb3)阻力FD由牛顿第二定律,有:
或
(1)颗粒沉降的两阶段:
加速阶段:
从=0t,a=amax0,u=0umax(ut);等(匀)速阶段:
当t,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)将前面的表达式代入,得:
(1)滞流区(ReP1)此式称为斯托克斯公式。
(2)过渡区(1ReP500)此式称为阿仑公式。
(3)湍流区(500ReP2105)此式称为牛顿公式。
ut的计算方法:
(1)试差法假定流型,用相应的公式计算ut;计算,检验Ret是否符合假定流型。
符合,ut正确,否则,重复步骤,。
对于以m计的小颗粒,常在滞流区沉降。
(2)摩擦数群法将与Ret组合,以消去未知量。
若已知dP,求ut,作如下组合:
若已知ut,求dP,作如下组合:
与Ret之间的关系曲线见图4-8。
应用图4-8的方法:
求ut时,由借助图中曲线定出Ret值,然后求ut:
。
求dP时,由借助图中曲线定出Ret值,然后求dP:
。
例4-1玉米淀粉水悬浮液在20时,颗粒的直径为621m,其平均值为15m,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,=10-3Pas,=1000kg/m3;P=1020kg/m3。
假定在滞流区沉降,则按斯托克斯公式:
ut正确,即ut=2.4510-6m/s。
例4-2一直径为15m,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。
解:
查附录,得在题设条件下空气的物性为:
=1.810-5Pas,=1.20kg/m3假定沉降满足斯托克斯公式:
ut正确,即ut=6.1210-3m/s。
沉降高度:
H=ut=6.1210-3260=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。
212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,=putp为校正系数,可参阅式(4-51)(4-54)。
3固体流态化与气力输送流态化:
在流化床中,床层所具有的类似流体性质的现象。
31固体流态化3.1.1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。
312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,浮力,推力。
三力平衡:
式中:
L,A分别为床层的高度和截面积;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)P与空塔速度u的关系如下图所示:
AB段为固定床阶段,p与u在对数坐标上成直线关系;BC段为流化床阶段,p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:
当ReP20时当ReP1000时0ReP,有:
式中:
dP为颗粒的平均粒径,m;,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1.52105Pa条件下操作。
此时气体的粘度为=3.1310-5Pa.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。
解:
查得30、常压下的空气的粘度和密度分别为:
,=1.8610-5Pas,密度,=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:
球形颗粒,且RePt0.4,则应对ut校正,校正系数ft可由图4-17查出。
球形颗粒,且0.4RePt500时对于非球形颗粒的ut,乘以一个系数c:
ut,=cutc=0.834lg(s/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,RePt1000,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1090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:
床层中设挡板、挡网;改进粉尘回收系统(使用旋风分离器)。
3.1.3流化床中的传热传热的特点:
流化床内部温度分布均匀一致。
(1)床层与床壁或物体表面间的传热对流传热式为:
Q=S(Tb-Tw)式中:
Tb为床层内平均温度,K;Tw为器壁表面温度,K。
为床层与床壁间的对流传热系数,W/m2.K。
有如下几个计算式:
a)列文斯波-沃尔顿关联式使用范围:
D/dP=24687。
b)温-李伐关联式式中效率的数值可按图4-20进行估算。
(2)流化床中固体颗粒与流体间的传热对流换热式:
Q=S(TP-Tf)对流传热膜系数的关联式如下:
a)瓦尔通等人提出的关联式式中:
D为流化床的直径,m。
使用范围:
D/dP=144285,ReP=1032。
b)柯赛利等人提出的关联式例4-4某流化床,床径为100cm,床层高度为200cm,已知dp=0.lmm;P=1000kg/m3;CPP=1080J/(kgK);=210-5Pas;=0.5kg/m3;CPf=1000J/(kgK);=0.029W/(mK);umf=1cm/s;mf=0.4;u=20cm/s;=0.7。
试计算床层与器壁间的对流换热系数。
解:
(1)ReP数
(2)Pr数流化数:
u/umf=20/1=20由图4-20查取=0.85Lmf/L=0.85(1-0.7)/(1-0.4)=0.425(3)求由温-李式3.1.4流化床中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。
(1)流化床的壳体及主体尺寸壳体为圆柱形容器,主体尺寸包括直径和有效高度(图4-23)。
a)流化床直径D式中Q为气体流量,m3/s。
b)流化床有效高度HH=L+TDH式中:
L为料层高度,m;TDH为夹带分离高度,m。
(2)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。
分布板的形式见图4-24。
(3)固体颗粒的回收系统一般采用旋风分离器作为回收装置。
(4)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。
32气力输送3.2.1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:
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。
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。
输送过程中,可同时进行混合、粉碎、分级、干燥、加热、冷却等。
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:
动力消耗大(不仅输送物料,还必须输送大量空气);易磨损物料;易使含油物料分离;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,与颗粒的真密度P的关系为,=P(1-)式中为空隙率。
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式中:
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,100kg/m3,混合比R=25至数百。
3.2.2气力输送的原理气力输送主要是利用空气的动力作用,物料在空气动力作用下被悬浮然后被输送。
3.2.3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:
吸引式低真空吸引气源真空度1
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- 颗粒 流体 之间 相对 流动 10