颗粒与流体之间的相对流动10Word文件下载.docx

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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：

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。

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：

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：

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：

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。

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。

（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