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颗粒与流体之间的相对流动10Word文件下载.docx

1、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

2、(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 Fb 3)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

3、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(500ReP2 105)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

4、 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 621 m,其平均值为15 m,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,=10-3 Pas,=1000 kg/m3;P=1020 kg/m3。假定在滞流区沉降,则按斯托克斯公式:ut 正确,即 ut=2.45 10-6 m/s。例 4-2 一直径为 15 m,相对密度为 0.9的油滴,在 21,0.1 MPa的空气中沉降分离。若

5、沉降时间为 2 min,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:=1.810-5 Pa s,=1.20 kg/m3 假定沉降满足斯托克斯公式:ut 正确,即 ut=6.12 10-3 m/s。沉降高度:H=ut=6.1210-3 2 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。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,=put p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:

6、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

7、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

8、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 1.52 105 Pa条件下操作。此时气体的粘度为=3.1310-5 Pa.s,密度=0.85kg/m3,催化剂颗粒直径为 0.45 mm,密度为 1200 kg/m3。为确定其临界流化速度,现用该催化剂颗粒及 30

9、、常压下的空气进行流化实验,测得临界流化速度为 0.049 m/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:,=1.86 10-5 Pa s,密度,=1.17 kg/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 RePt 0.4,则应对 ut 校正,校正系数 ft 可由图 4-17查出。球形颗粒,且0.4RePt 500时 对于非球形颗粒的 ut,乘以一个系数 c:ut,=cut c=0.834 lg(s/0.06

10、5)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,RePt1 000,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

11、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 100 cm,床层高度为 200 cm,已知 dp=0.l mm;P=1 000 kg/m3;CPP=1

12、080 J/(kg K);=210-5 Pa s;=0.5 kg/m3;CPf=1000 J/(kg K);=0.029 W/(mK);umf=1 cm/s;mf=0.4;u=20 cm/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=0.85 Lmf/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

13、,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 H H=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

14、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,100 kg/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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