顆粒的沉降和流態(tài)化

５顆粒的沉降和流態(tài)化5.1概述流固物系的相對運(yùn)動----在由固體顆粒和流體組成的兩相物系中，流體為連續(xù)相，固體為分散相。不論流體靜止或運(yùn)動，只要固體顆粒的密度大于流體密度，在重力場中，顆粒將在重力方向上與流體作相對運(yùn)動；在離心力場中，將在離心力方向上與流體作相對運(yùn)動?；どa(chǎn)中與流固物系的相對運(yùn)動有關(guān)的操作：1.兩相物系的沉降分離。依靠重力的稱為重力沉降；依靠離心力的稱為離心沉降。2.固體顆粒的流態(tài)化。利用流化床對流體或顆粒進(jìn)行物理或化學(xué)加工；顆粒的流動輸送。流固物系的相對運(yùn)動規(guī)律與自由落體運(yùn)動規(guī)律的根本區(qū)別：前者的著眼點(diǎn)是小顆?；蛞汗涛锵?，此時流固間的阻力不可忽略；后者的著眼點(diǎn)是大顆粒，此時可忽略流固間的阻力。５.2顆粒的沉降運(yùn)動5.2.1流體對固體顆粒的作用力流體與固體顆粒之間的相對運(yùn)動可以有各種情況:（1）顆粒靜止，流體對其繞流；（2）流體靜止，顆粒作沉降運(yùn)動；（3）兩者都運(yùn)動，但保持一定的相對速度。僅從流體對顆粒的作用力講，只要兩者相對速度一樣，上述三種運(yùn)動無本質(zhì)區(qū)別。流體對顆粒的阻力----曳力流體對顆粒做繞流時，在流動方向上對顆粒施加一個阻力，也稱曳力。曳力與流體密度、粘度、流速有關(guān)，且受顆粒大小、形狀與方向影響。對光滑球形顆粒，曳力Fd為：Fd=(ξApρu2)/2

（５－１）Ap----顆粒在運(yùn)動方向的投影面積。圓球Ap=(πdF2)/4ξ ------無因次曳力系數(shù).ξ=φ(Rep)曳力系數(shù)ξ與雷諾系數(shù)Rep關(guān)系由實驗測定：層流區(qū)：Rep<2斯托克斯（stakes）定律區(qū)ξ=24/Rep過渡區(qū)：2<Rep<500阿倫（Allen）區(qū)ξ=18.5/(Rep0.6)湍流區(qū)：500<Rep<2×105牛頓（Newton）區(qū)ξ≈0.44對具有不同球形度的非球形顆粒，式中Ap應(yīng)取顆粒最大投面積；dp取體積當(dāng)量直徑。5.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降在計算和分析顆粒的沉降過程時分為兩種情況考慮，即自由沉降和干擾沉降，干擾沉降速度一般小于自由沉降速度。在靜止流體中，顆粒在重力（或離心力）作用下，將沿重力方向（或離心力方向）作沉降運(yùn)動。在重力場中，稱為重力沉降，在離心力場中，稱為離心沉降。(1)顆粒自由沉降所受力：①場力F重力場：Fg=mg=vpρpg

（５－２）

離心力場：Fc=vpρprω2

（５－３）對球粒，其體積：Vp=πd3P/6

（５－４）式中：m—顆粒質(zhì)量kgρp—顆粒密度kg/m3；r—顆粒作圓周運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)半徑；ω—顆粒的旋轉(zhuǎn)角速度②浮力Fb：顆粒在流體中所受浮力，其大小等于它所排開等體積流體所受的場力。重力場：Fb=vρg

（５－５）

離心力場：Fb=vρr

（５－６）式中：ρ--流體密度kg/m3③曳力FD重力場：（５－７）

離心力場：（５－８）式中：u—顆粒相對于流體的運(yùn)動速度。Ap—顆粒投影面積。顆粒（2）顆粒的沉降運(yùn)動①沉降的加速度由牛頓二定律（對重力場）Fg－Fb－FD＝mdu/dτ

（５－９）對球形顆粒，在重力場中

（５－１０）②沉降的等速段隨顆粒下降運(yùn)動不斷增加，上式第二項（曳力項）逐漸增至某一值時，曳力等于顆粒的凈重，。此時顆粒將以恒速繼續(xù)沉降。對小顆粒加速段很短，可忽略。③顆粒的沉降速度對球形顆粒，當(dāng)加速度為零時，此時顆粒將以不變的沉降速度ut繼續(xù)下降。

（５－１１）

（５－１２）由上式得出一重要結(jié)論：因為,對一定流--固物系，ρ,μ,ρp均為定值。所以沉降速度ut僅與粒徑dp有關(guān)。即：無論流體是否運(yùn)動、流向如何，在研究顆粒對流體間的相對運(yùn)動時，顆粒與流體的綜合特性可用uτ表示。球形顆粒在不同流動區(qū)域的沉降速度(4)影響沉降速度的因素①干擾沉降實際非均相物系是由大量顆粒組成。相鄰顆粒的運(yùn)動改變了原來單個顆粒周圍的流場，顆粒沉降時，會受其他顆粒的影響，此種情況稱為干擾沉降。a、干擾沉降速度較自由，沉降速度小，其原因為：b、顆粒下沉?xí)r，流體被置換而向上運(yùn)動，作用在顆粒上的阻力增加。顆粒體積濃度〈0.2%時，干擾沉降速度的影響不可忽略。此時沉降速度先按自由沉降計，然后按顆粒濃度進(jìn)行校正。②端效應(yīng)容器的壁面和底面可增加顆粒運(yùn)動的阻力，使實際沉降速度較自由沉降速度小。需準(zhǔn)確計算時應(yīng)考慮此影響。③分子運(yùn)動當(dāng)流體分子平均自由程時，顆?？纱┻^快速運(yùn)動的流體分子之間，同時顆粒的沉降將受流體分子熱運(yùn)動的影響，此時流體已不能作為連續(xù)介質(zhì)，前述各項計算的前提將不成立。④非球形顆粒非球形顆粒的曳力系數(shù)大于同體積的球形顆粒?？捎糜覉D查出后，按前述沉降速度計算式求。,

其中（５－１３）

（５－１４）(5)分級沉降利用沉降速度的差異，將不同直徑和密度的顆粒進(jìn)行分離。常用于液固系統(tǒng)。分級沉降的方法：⑴在某一速度的上升液流（通常是水）中，將沉降速度較小的顆粒漂起分出（此時顆粒的沉降速度ut<液流上升速度u).⑵將懸浮液送入面積很大的沉降分離室，沉降速度大的顆粒落在室的前部，沉降速度小的顆粒在室的后部沉積，從而達(dá)到分離．5.3沉降分離設(shè)備5.3.1重力沉降設(shè)備(1)降塵室利用重力沉降原理進(jìn)行氣固分離的設(shè)備。用途：①分離粗顆粒();②作為氣固系統(tǒng)的預(yù)分離設(shè)備，以減輕后續(xù)設(shè)備的磨損?；窘Y(jié)構(gòu)：偏平狀的長方體，容積較大，進(jìn)出口為錐形，使含塵氣體進(jìn)入降塵室后流動截面積增大，流速降低。底部設(shè)有若干灰斗，定期清除塵粒。工作原理：含塵氣體水平流過降塵室，顆粒具有與氣體相同的速度，同時顆粒在重力作用下，以速度垂直向下運(yùn)動，當(dāng)顆粒在降塵室中的停留時間其從頂部降至底部的時間，該顆粒將可能被全部分離。降塵室計算基本關(guān)系式：含塵氣體停留時間

（５－15）顆粒最大沉降時間：

（５－16）顆粒能被除去的必要條件：

（５－17）降塵室的處理能力：

（５－18）重要結(jié)論：以上表明，對一定物系，降塵室的處理能力只取決于降塵室的底面積A，與高度H無關(guān)，因此，實際生產(chǎn)中常采用多層降塵器。降塵室的計算：①設(shè)計型計算：已知生產(chǎn)任務(wù)，即處理量有關(guān)物性、、和要求全部被除去的最小顆粒直徑，計算所需降塵室底面積。方法：聯(lián)立求解,

（５－19）

（可先設(shè)在層流區(qū)）②操作型計算：已知降塵室，即底面積A，有關(guān)物性、、a、由要求全部被除去的最小顆粒的直徑，核算降塵室的處理能力；b、由給定的氣體處理量，計算所能全部分離出的最小顆粒的直徑。方法：聯(lián)立求解,

（５－20）（3）間歇沉降間歇沉降常用于實驗室進(jìn)行懸浮液沉降性能的測定，以提供連續(xù)沉降槽的設(shè)計數(shù)據(jù)。間歇沉降過程隨時間變化的情況如下圖。5.3.2離心沉降設(shè)備當(dāng)需分離的流固物系密度很小，顆粒粒度較細(xì)小時，可以采用，以加快離心沉降沉降過程。離心沉降速度在離心力場中，顆粒的沉降速度只需將重力沉降速度中的重力加速度g以離心加速度rω2替代即可(忽略重力)，速度方向為圓周運(yùn)動的徑向向外。（５－21）層流時：

（５－22）式中：u——流體與顆粒的切向速度，u=rω。ξ——球形顆粒自由沉降時的阻力系數(shù)，在不同流動區(qū)域內(nèi)其值與重力沉降時相同。離心分離因數(shù)α同一顆粒所受離心力與重力之比。其數(shù)值大小反映離心分離設(shè)備性能好壞。

（５－23）

在層流區(qū)：

（５－24）（1）旋風(fēng)分離器利用離心沉降原理，從氣體中分離顆粒的設(shè)備?；窘Y(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器上部為圓筒形主體，其頂端有一矩形進(jìn)氣管與之相切，下部為圓錐形，其底部接密封的排灰斗，上部中央為排氣管，供凈化后氣體排出。旋風(fēng)分離器無運(yùn)動部件，操作不受溫度、壓強(qiáng)限制，其離心分離因數(shù)約為5~2500。旋風(fēng)分離器操作原理氣體以10~25m/s的速度由矩形進(jìn)口管切向進(jìn)入圓筒，利用器壁反作用強(qiáng)制氣流發(fā)生旋轉(zhuǎn)并向下運(yùn)動（外旋流），到底部后因灰斗密封，旋轉(zhuǎn)氣流折返向上進(jìn)入排氣管（內(nèi)旋流或氣芯），固體顆粒在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中被離心力拋至器壁，并匯集于錐形底部的回斗中，定期排出。旋風(fēng)分離器的性能指標(biāo)：旋風(fēng)分離器的性能指標(biāo)主要有兩個：分離效率和氣體壓降（阻力損失）。①分離效率：有兩種表示方法，即總效率和粒級效率總效率

（５－25）式中C進(jìn)、C出——旋風(fēng)分離器進(jìn)出口氣體中顆粒質(zhì)量濃度kg/m3;粒級率

（５－26）式中、——旋風(fēng)分離器進(jìn)出氣體中粒徑為dpi的顆粒質(zhì)量濃度kg/m3；總效率與粒級效率關(guān)系

（５－27）式中——進(jìn)口氣中粒徑為dpi顆粒的質(zhì)量分率。分割直徑dpc——經(jīng)旋風(fēng)分離器后能被除去50％的顆粒直徑，高效旋風(fēng)分離器后的dpc可達(dá)3~10μm。總效率不能準(zhǔn)確反映旋風(fēng)分離器的分離性能，而粒級效率能準(zhǔn)確表示旋風(fēng)分離器的分離性能。兩者均由實驗測定（見參考）。⑵旋風(fēng)分離器的壓降含塵氣體通過旋風(fēng)分離器的阻力損失可通過其進(jìn)出口的壓降來表示，它是進(jìn)出口氣體全壓的差值。

（５－28）式中：——壓降，Pa;——?dú)怏w在進(jìn)口管中的流速，；

——?dú)怏w密度；——阻力系數(shù)，對給定旋風(fēng)分離器，是常數(shù)。旋風(fēng)分離器壓降的大小不僅影響經(jīng)常的動力消耗，也往往為工藝條件所限，因此氣體通過旋風(fēng)分離器的壓降應(yīng)可能小，一般在間。通常情況下，使分離效率增加的因素，大多使壓力降增加。③旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體流動情況對分離性能的影響（實驗結(jié)果）a、氣體在分離器內(nèi)形成兩個主旋渦，即由進(jìn)口旋轉(zhuǎn)向下的外旋渦和由錐底螺旋向上至排氣管的內(nèi)旋渦，兩旋渦旋轉(zhuǎn)方向相同。b、主旋渦中氣流速度均可分解為三個變量。對外旋渦：切向

（５－29）

，徑向方向指向軸心，軸向方向向下；對內(nèi)旋渦：切向

（５－３0），徑向方向指向器壁，軸向方向向下；式中：C1,C2為常數(shù),r為旋轉(zhuǎn)半徑。c、外旋渦造成的離心力將顆粒拋向器壁，內(nèi)旋渦由于有較大的旋轉(zhuǎn)角度，可將小顆粒拋出。結(jié)論：減小分離器直徑、采用較大進(jìn)口氣速，增加分離器高度，均可提高分離效率，但壓降增加。④旋風(fēng)分離器分類（按結(jié)構(gòu)）⑤旋風(fēng)分離器的選型設(shè)計選型時，應(yīng)先根據(jù)原料性質(zhì)（含塵量、分布、顆粒形狀）、操作條件（T、P）和生產(chǎn)要求（分離效率和允許壓降），結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素（基建和操作費(fèi)用、使用壽命、占地）等，由實際生產(chǎn)經(jīng)驗或?qū)嶒灲Y(jié)果選擇適宜型式和規(guī)格。首先必須滿足工藝要求。如：回收貴重金屬細(xì)粉時dP是首要的；風(fēng)機(jī)全壓較緊張時，Δp低是主要的；而內(nèi)置式旋分必須考慮其尺寸。2．旋液分離器和離心機(jī)處理液固物系時，可采用旋液分離器和離心機(jī)。旋液分離器（水力旋流器），其結(jié)構(gòu)及操作原理與旋風(fēng)分離器相近。區(qū)別在于：直徑較小，圓錐部分加長，（錐角減?。?，以增加離心力。進(jìn)口常用圓管，在旋流中心常有一個處于負(fù)壓的氣柱（它有利于提高效率）。分離器頂部分出稀懸浮液，底部排出稠漿，常用作懸浮液的預(yù)分離。５.4固體流態(tài)化技術(shù)5.4.1概述大量固體顆粒與流體接觸，從而使顆粒具有流體的某些表觀性質(zhì)，這種流固接觸狀態(tài)叫流態(tài)化。借助這種狀態(tài)已完成某種過程的技術(shù)，稱之為流態(tài)化技術(shù)。流態(tài)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)中以進(jìn)行流體與固體的物理，化學(xué)加工，乃至顆粒的輸送。流體通過顆粒狀固體的床層（固體分布均勻），隨著流體流速的不同，床層會出現(xiàn)三種不同的狀態(tài)：(1)固定床階段若流體通過床層的表觀速度較低，顆粒空隙中流體的實際流速小于顆粒的沉降速度，則顆粒將基本維持不動，此時顆粒層稱為固定床。此時理論上的最大表觀速度為

（５－3１）

為顆粒沉降速度；為固定床的空隙率。

固定床動態(tài)演示(2)流化床階段如果流體通過床層的表觀速度大于或等于固定床階段的最大表觀速度，固體顆粒之間將表現(xiàn)明顯的相對運(yùn)動，顆粒層將膨脹起來，又因為流體的實際流速與表觀速度的關(guān)系為故床層膨脹到一定的程度當(dāng)顆粒的實際流速等于顆粒的沉降速度時，床層將不再膨脹，顆粒將懸浮在流體中，這種床層稱為流化床。(3)顆粒輸送階段如果顆粒的表觀速度超過顆粒的沉降速度，則顆粒將獲得上升速度。此時顆粒將被帶出器外，這便是顆粒輸送階段。5.4.2實際的流化現(xiàn)象上面討論的是均勻顆粒的理想流化狀態(tài)，實際的流化現(xiàn)象總與理想狀態(tài)有所不同。實際總存在兩種截然不同的流化狀態(tài).(1)散式流化此種流化現(xiàn)象多發(fā)生于液--固系統(tǒng).當(dāng)表觀流速達(dá)到某一臨界值，顆粒開始流化，顆粒流速繼續(xù)增大，進(jìn)入流化床階段。此時顆粒均布在流體之中作隨機(jī)運(yùn)動，床內(nèi)固體顆粒充分混合。散式流化床比較接近理想流化床。（2）聚式流化此種流化現(xiàn)象一般發(fā)生于氣--固系統(tǒng)。當(dāng)表觀流速超過起始流化速度開始流化時，床內(nèi)出現(xiàn)空穴，氣體優(yōu)先穿過空穴，從床層頂部逸出，結(jié)果是空穴向上移動并在床的界面處破裂?？昭ǖ囊苿优c合并很像氣泡的運(yùn)動。其結(jié)果是床內(nèi)存在兩個相，分別稱為氣泡相和乳化相。這種流化，固體集中在乳化相，因而稱為聚式流化。5.4.3流化床的主要特性(1)液體樣特性總的來說，流化床很像沸騰的液體，具有液體的某些性質(zhì)，故又把流化床成為沸騰床。（2）固體的混和流化床內(nèi)的顆粒總是處于懸浮狀態(tài)而不停地運(yùn)動，顆?？蛇M(jìn)行劇烈地混合。從而造成固體顆粒的宏觀均勻混合。如果在流化床內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，由于顆粒的劇烈混合，很容易使顆粒獲得相同的性質(zhì)，這便是流化床的優(yōu)點(diǎn)。（3）氣流的不均勻分布和氣--固的不均勻接觸聚式流化中，大量的氣體取道空穴通過床層而與固體接觸甚少。但乳化相中氣體流速很低，與固體接觸時間很長。這種不均勻接觸對實際操作很不利，是流化床的缺點(diǎn)。流化床中可能出現(xiàn)的兩種不正?，F(xiàn)象有：①騰涌床層中的空穴會在上升中合并增大，若床層直徑較小，則空穴有可能達(dá)到與床層直徑相同的程度，而將床層分節(jié)，部分床層會像活塞一樣上下運(yùn)動，此種現(xiàn)象稱為騰涌。騰涌時顆粒的劇烈運(yùn)動會造成較大的流體動力損失，甚至將流化床內(nèi)的器件損壞。應(yīng)當(dāng)盡力避免此種現(xiàn)象。②溝流在大直徑床層中，很有可能發(fā)生顆粒堆積不勻和氣體初始分布不良的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致局部溝流。此時，大量氣體取道局部地區(qū)，致使床層其余部分未被流化。這將導(dǎo)致氣體與顆粒接觸不好，從而使操作狀況惡化。(4)恒定的壓降對流化床層作受力分析，同時運(yùn)用動量守恒定律，可得出流化床的壓降為:（５－3２）A—空床截面積m—床層顆粒的總質(zhì)量——分別為顆粒與流體的密度故流化床的壓降與單位截面床內(nèi)固體的表觀重量相等，而與氣速無關(guān)。壓降的恒定是流化床的重要優(yōu)點(diǎn)，因此流化床可以采用很小的顆粒而不會增大壓降損失。由此可以根據(jù)床層的壓降來判斷流化床操作性能的優(yōu)劣．5.4.4流化床的操作范圍（1）起始流化速度umf（臨界流化速度）若床層的顆粒均勻，則流化床起始流化表觀速度為umf=εut。然而實際的流化床多由不均勻的顆粒組成，故上式不適用。不均勻的顆粒組成的床層可用下式求取起始流化速度：設(shè)床層高為L，床層的空隙率為ε，則可得（５－33）因為小顆粒的固定床壓降為：

（５－34）令此兩式相等可得起始流化速度為

（５－35）對于工業(yè)經(jīng)常遇見的顆粒

（５－36）于是

（５－37）(2)帶出速度當(dāng)床層的表觀速度大于顆粒的沉降速度時，顆粒將被帶出器外，所以流化床的帶出速度即為單個顆粒的沉降速度。這個速度即為流化床的操作范圍的上限。流化床的實際操作速度與起始流化速度之比叫流化數(shù)。粒徑較小的流化床的流化數(shù)為91.6，對大顆粒，流化數(shù)為8.61。故小顆粒流化床可以在更寬的范圍內(nèi)操作。5.4.5流化質(zhì)量人們用流化質(zhì)量來作為度量流化床流體分布及流--固兩相接觸的狀況。在流固相流化床內(nèi)，流體在床層的分布及流固兩相的接觸總存在不均勻性，即非均勻性。這將導(dǎo)致流化質(zhì)量的降低。眾多的學(xué)者都對此作了分析并努力提高流化質(zhì)量。(1)床層的不穩(wěn)定性前面沒有提到床層的不穩(wěn)定性，實際操作的流化床具有內(nèi)在不穩(wěn)定性。如果床層某處出現(xiàn)空穴，則此處的阻力必然減小，氣體會取道此空穴而通過，從而將更多的顆粒推開，這樣空穴會更大。空穴變大會是流體阻力進(jìn)一步減小，于是氣體流量進(jìn)一步增大，這樣會形成惡性循環(huán)。這便是流化床層的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性會導(dǎo)致流化質(zhì)量不高，嚴(yán)重時會導(dǎo)致溝流和死床。(2)工業(yè)上常采用以下幾種措施來抑制這一不利因素：①增加分布板的阻力氣體通過流化床的壓降有分布板壓降和床層壓降兩部分組成。流體通過分布板的壓降與流速的平方成正比，所以較小的流速變化也會對分布板壓降產(chǎn)生較大的影響。故分布板壓降對氣流分布的均勻性是一個有利因素。如果分布板的壓降遠(yuǎn)大于床層壓降，則由空穴造成的床層壓降對氣流的影響就很小。由此可知分布板阻力越大氣體的分布也就越均勻。分布板的壓降取決于分布板的開孔率。開孔率大，壓降低但是分布板的流體穩(wěn)定性差。開孔率低，壓降較高但是流化穩(wěn)定性好，然而動力消耗大。因此開孔率必須恰當(dāng)，既能使流化穩(wěn)定性好，又很經(jīng)濟(jì)。②合理的采用內(nèi)部構(gòu)件流化床的內(nèi)部構(gòu)件有水平擋板和垂直構(gòu)件兩類。在流化床的不同高度上，設(shè)置若干塊擋板或擋網(wǎng)可打破上升的空穴，使空穴直徑變小從而使氣液接觸良好。③采用小直徑，寬分布的顆粒均勻而大的顆粒未必可獲得好的流化質(zhì)量，加入少量的細(xì)粉可使床層的流化更均勻.故寬分布細(xì)顆粒的流化床可在更大的氣速范圍內(nèi)良好流化.④采用細(xì)顆粒，高氣速的流化床當(dāng)氣速超過大多數(shù)顆粒的沉降速度時，細(xì)小顆粒的床層內(nèi)已不能形成穩(wěn)定的床層。氣體成流舌狀高速穿過床層，以稀相狀態(tài)帶著部分顆粒離開設(shè)備。為了維持穩(wěn)定操作必須加入與帶出量相等的顆粒量。細(xì)顆粒、高氣速的流化床不僅提供了氣固間較多的接觸界面，而且有利于增進(jìn)兩相接觸的均勻性。但由于大量顆粒的帶出和循環(huán)，對氣固分離設(shè)備和細(xì)粉的流動和控制提出了新的要求。５.5氣力輸送5.5.1概述氣力輸送是利用氣體在管道中的流動來輸送粉粒狀固體的方法。最常用的介質(zhì)是空氣，但在某些情況下也用惰性氣體。氣力輸送有許多優(yōu)點(diǎn)，故在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用越來越多。但是氣力輸送也有缺點(diǎn)，即耗費(fèi)的動力較大，顆粒尺寸受一定限制，顆粒在輸送過程易于破損，對器壁的損壞也大，對一些特殊的物料也不能輸送，而必須采用機(jī)械輸送。根據(jù)顆粒的密集程度不同，可將氣力輸送分為稀相輸送和密相輸送兩大類。工業(yè)上常用顆粒的松密度來衡量顆粒的密集程度，松密度的定義為單位管道容積含有的顆粒質(zhì)量，它與顆粒的真實密