化工原理學(xué)：第五章 顆粒的沉降和流態(tài)化

1、 第五章 顆粒的沉降和流態(tài)化 5.1 概述化工生產(chǎn)中常涉及由固體顆粒（包括液滴、氣泡）和流體組成的兩相流動(dòng)物系，只要兩相密度不同，就有相對(duì)運(yùn)動(dòng)共同問(wèn)題：顆粒與流體的 相對(duì)運(yùn)動(dòng) 5.2 顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)5.2.1 流體對(duì)固體顆粒的繞流兩種運(yùn)動(dòng): 管流 繞流研究對(duì)象: 流體,阻力 顆粒,曳力(相對(duì)運(yùn)動(dòng)）一、兩種曳力 浮力 形體曳力 表面曳力 流體對(duì)固體顆粒繞流時(shí),在流動(dòng)方向上對(duì)顆粒施加一個(gè)總曳力 ,其值為表面曳力和形體曳力之和粘性流體對(duì)圓球低速繞流： 定律二、曳力系數(shù)光滑圓球：量綱分析得 令 ，曳力系數(shù) 則 為顆粒相對(duì)流體的速度 與 的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)定對(duì)球形顆粒： （stocks區(qū)）： ， （Alle

2、n區(qū)）： （牛頓區(qū)）：5.2.2 靜止流體中的顆粒的自由沉降一、沉降的加速階段設(shè)顆粒初速度為0，則顆粒受 重力 浮力 顆粒產(chǎn)生加速度，向下作加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)顆粒速度0時(shí)，出現(xiàn)曳力根據(jù)牛頓第二定律對(duì)球形顆粒：二、沉將的等速階段當(dāng) 時(shí)，合外力為0，顆粒以不變的速度 勻速下降。此 稱(chēng)顆粒的沉降速度三、沉降速度的計(jì)算對(duì)于球形顆粒，當(dāng) 時(shí) 當(dāng)顆粒直徑較小處于stocks 區(qū)時(shí)：對(duì)于確定的流-固系統(tǒng)， 為定值， 與 之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系討論：1、 是顆粒相對(duì)與流體的運(yùn)動(dòng)速度若(1)流體靜止，則顆粒絕對(duì)速度 (2)流體以速度 向上運(yùn)動(dòng)，則 以向上為正方向，則 若 ，則顆粒向上運(yùn)動(dòng) 若 ，則顆粒向下運(yùn)動(dòng) (3)流

3、體以速度 作水平運(yùn)動(dòng)， 則2、沉降速度是物系性質(zhì)的參數(shù)3、當(dāng)顆粒濃度較大時(shí)，干擾沉降的沉降速度 較自由沉降時(shí)為小4、端效應(yīng)的影響使顆粒的實(shí)際沉降較自由沉 降時(shí)為小5、當(dāng) 時(shí)，顆粒降出現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)而 不滿(mǎn) 足以上的計(jì)算6、非球體顆粒的沉降速度比按等體積球形 顆粒計(jì)算的沉降速度為小7、水滴或氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與剛性固體顆粒所 不同 5.3 沉降分離設(shè)備分重力沉降和離心沉降兩類(lèi)5.3.1 重力沉降設(shè)備一、降塵室（分離氣-固混合物）流體在降塵室停留時(shí)間直徑為 的顆粒的沉降速度為 ，沉降時(shí)間為 若該顆粒正好100除去，則即 若沉降位于stocks 區(qū)： ：能100除去的最小顆粒直徑上式表明：對(duì)一定的物系，降塵

4、室的生產(chǎn)能力與降塵室的底面積成正比，與高度無(wú)關(guān) ：能100除去的最小顆粒直徑 ：能 x除去的最小顆粒直徑二、增稠器用于分離液-固混合物,作用原理和降塵室相同由于液-固系統(tǒng)密度差小，顆粒沉降速度小，故設(shè)備較大三、分級(jí)器將懸浮液中顆粒按其粒度大小，分為若干個(gè)范圍的設(shè)備5.3.2 離心沉降設(shè)備 離心分離因數(shù) 是反映離心設(shè)備性能的重要指標(biāo)一、旋風(fēng)分離器1.結(jié)構(gòu)特性2主要性能指標(biāo)：1）分離效率： 和 不能準(zhǔn)確反映旋風(fēng)分離器性能 進(jìn)口氣體中直徑為 的顆粒的質(zhì)量分率 ：能50除去的顆粒直徑 2）壓降: 是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的重要指標(biāo)3影響旋風(fēng)分離器性能的因素1)提高入口氣速、減小分離器直徑、增加分離 器長(zhǎng)度

5、可提高分離效率 2)粗短型分離器的壓降小，處理氣量大3)集塵斗的密封情況差，分離效果差 5.4 固體流態(tài)化技術(shù)將大量顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體中，使顆粒具有類(lèi)似于流體的表現(xiàn)特性，稱(chēng)固體流態(tài)化技術(shù)5.4.1 流化床的基本概念一、固定床階段 ：顆粒沉降速度 ：流體表現(xiàn)流速 ：流體在床層內(nèi)的 真實(shí)流速 若 則顆粒處于靜止?fàn)顟B(tài)稱(chēng)固定床階段為保持固定床階段：二、流化床階段當(dāng) 時(shí)， 顆粒浮起，床層膨脹， 當(dāng)床層膨脹到一定程度時(shí)： 床層停止膨脹，顆粒懸浮于流體中，稱(chēng)流化床階段討論：（1）在流體床內(nèi)，每一個(gè)表現(xiàn)速度有一個(gè)相應(yīng) 的空隙率（2）流化床存在的物理基礎(chǔ)是大量顆粒的群居三、顆粒輸送階段當(dāng) 時(shí)，顆粒將隨流體一起

6、運(yùn)動(dòng)而被帶走,稱(chēng)顆粒輸送階段載流床：可在較高的表現(xiàn)速度下實(shí)現(xiàn)流-固間的各種過(guò)程四、狹義流態(tài)化與廣義流態(tài)化5.4.2 實(shí)際的流化現(xiàn)象一、散式流化一般出現(xiàn)于液-固系統(tǒng)，顆粒分散均勻，床層上界面比較清晰二、聚式流化一般出現(xiàn)于氣-固系統(tǒng)，沒(méi)有平穩(wěn)的上界面，只能稱(chēng)濃相區(qū)和稀相區(qū)5.4.3 流化床的主要特性一、液體樣特性流化床宛如沸騰著的液體，顯示某些液體樣的性質(zhì)，所以也稱(chēng)沸騰床二、固體的混合 顆粒的運(yùn)動(dòng)使床層內(nèi)溫度分布均勻三、氣流的不均勻分布和-氣固的不均勻接觸 大量氣體取道空穴而與固 體接觸甚少；而乳化相中 氣體流速很慢，與固體接 觸的時(shí)間很長(zhǎng)，從而導(dǎo)致 兩種不正常現(xiàn)象： （1）騰涌或節(jié)涌 （2）溝流四、恒定的壓降 應(yīng)用動(dòng)量守恒定律可得 即流化床的壓降等于單位截面床內(nèi)固體的表觀 重量（即重量浮力），與氣速無(wú)關(guān)為一定值 AB:固定床階段 BC:流化床階段 CD:部分顆粒被 帶走 恒定壓降是流化床的重要優(yōu)點(diǎn)，它使流化床可以采用細(xì)小顆粒而無(wú)需擔(dān)心過(guò)大的壓降5.4.4 流化