化工原理学：第五章 颗粒的沉降和流态化

1、 第五章 颗粒的沉降和流态化 5.1 概述化工生产中常涉及由固体颗粒（包括液滴、气泡）和流体组成的两相流动物系，只要两相密度不同，就有相对运动共同问题：颗粒与流体的 相对运动 5.2 颗粒的沉降运动5.2.1 流体对固体颗粒的绕流两种运动: 管流 绕流研究对象: 流体,阻力 颗粒,曳力(相对运动）一、两种曳力 浮力 形体曳力 表面曳力 流体对固体颗粒绕流时,在流动方向上对颗粒施加一个总曳力 ,其值为表面曳力和形体曳力之和粘性流体对圆球低速绕流： 定律二、曳力系数光滑圆球：量纲分析得 令 ，曳力系数 则 为颗粒相对流体的速度 与 的关系由实验测定对球形颗粒： （stocks区）： ， （Alle

2、n区）： （牛顿区）：5.2.2 静止流体中的颗粒的自由沉降一、沉降的加速阶段设颗粒初速度为0，则颗粒受 重力 浮力 颗粒产生加速度，向下作加速运动。当颗粒速度0时，出现曳力根据牛顿第二定律对球形颗粒：二、沉将的等速阶段当 时，合外力为0，颗粒以不变的速度 匀速下降。此 称颗粒的沉降速度三、沉降速度的计算对于球形颗粒，当 时 当颗粒直径较小处于stocks 区时：对于确定的流-固系统， 为定值， 与 之间存在一一对应关系讨论：1、 是颗粒相对与流体的运动速度若(1)流体静止，则颗粒绝对速度 (2)流体以速度 向上运动，则 以向上为正方向，则 若 ，则颗粒向上运动 若 ，则颗粒向下运动 (3)流

3、体以速度 作水平运动， 则2、沉降速度是物系性质的参数3、当颗粒浓度较大时，干扰沉降的沉降速度 较自由沉降时为小4、端效应的影响使颗粒的实际沉降较自由沉 降时为小5、当 时，颗粒降出现布朗运动而 不满 足以上的计算6、非球体颗粒的沉降速度比按等体积球形 颗粒计算的沉降速度为小7、水滴或气泡的运动规律与刚性固体颗粒所 不同 5.3 沉降分离设备分重力沉降和离心沉降两类5.3.1 重力沉降设备一、降尘室（分离气-固混合物）流体在降尘室停留时间直径为 的颗粒的沉降速度为 ，沉降时间为 若该颗粒正好100除去，则即 若沉降位于stocks 区： ：能100除去的最小颗粒直径上式表明：对一定的物系，降尘

4、室的生产能力与降尘室的底面积成正比，与高度无关 ：能100除去的最小颗粒直径 ：能 x除去的最小颗粒直径二、增稠器用于分离液-固混合物,作用原理和降尘室相同由于液-固系统密度差小，颗粒沉降速度小，故设备较大三、分级器将悬浮液中颗粒按其粒度大小，分为若干个范围的设备5.3.2 离心沉降设备 离心分离因数 是反映离心设备性能的重要指标一、旋风分离器1.结构特性2主要性能指标：1）分离效率： 和 不能准确反映旋风分离器性能 进口气体中直径为 的颗粒的质量分率 ：能50除去的颗粒直径 2）压降: 是评价旋风分离器性能的重要指标3影响旋风分离器性能的因素1)提高入口气速、减小分离器直径、增加分离 器长度

5、可提高分离效率 2)粗短型分离器的压降小，处理气量大3)集尘斗的密封情况差，分离效果差 5.4 固体流态化技术将大量颗粒悬浮于运动的流体中，使颗粒具有类似于流体的表现特性，称固体流态化技术5.4.1 流化床的基本概念一、固定床阶段 ：颗粒沉降速度 ：流体表现流速 ：流体在床层内的 真实流速 若 则颗粒处于静止状态称固定床阶段为保持固定床阶段：二、流化床阶段当 时， 颗粒浮起，床层膨胀， 当床层膨胀到一定程度时： 床层停止膨胀，颗粒悬浮于流体中，称流化床阶段讨论：（1）在流体床内，每一个表现速度有一个相应 的空隙率（2）流化床存在的物理基础是大量颗粒的群居三、颗粒输送阶段当 时，颗粒将随流体一起

6、运动而被带走,称颗粒输送阶段载流床：可在较高的表现速度下实现流-固间的各种过程四、狭义流态化与广义流态化5.4.2 实际的流化现象一、散式流化一般出现于液-固系统，颗粒分散均匀，床层上界面比较清晰二、聚式流化一般出现于气-固系统，没有平稳的上界面，只能称浓相区和稀相区5.4.3 流化床的主要特性一、液体样特性流化床宛如沸腾着的液体，显示某些液体样的性质，所以也称沸腾床二、固体的混合 颗粒的运动使床层内温度分布均匀三、气流的不均匀分布和-气固的不均匀接触 大量气体取道空穴而与固 体接触甚少；而乳化相中 气体流速很慢，与固体接 触的时间很长，从而导致 两种不正常现象： （1）腾涌或节涌 （2）沟流四、恒定的压降 应用动量守恒定律可得 即流化床的压降等于单位截面床内固体的表观 重量（即重量浮力），与气速无关为一定值 AB:固定床阶段 BC:流化床阶段 CD:部分颗粒被 带走 恒定压降是流化床的重要优点，它使流化床可以采用细小颗粒而无需担心过大的压降5.4.4 流化