第三章流体-固体颗粒间的运动和流态化

第三章流体-固体颗粒间的运动和流态化

在化工生产中经常碰到固体颗粒和流体组成的混合体系,一般流体为连续相,固体为分散相。在此物系中,只要固体颗粒的密度大于流体的密度,固体颗粒就要相对于流体而运动；同样在离心力的作用下,颗粒在离心力方向作相对运动。颗粒一旦沉淀,那么颗粒与流体之间发生相对运动,情况有以下几种:颗粒静止,流体绕过流动(如固定床反应器)流体静止,颗粒作沉降运动(悬浊液的静置)两者都有一定的速度运动（固体颗粒的流体输送）

实际床层简化模型

3.1流体通过填充床层的流动3.1.1流体通过毛细管的流动

3.1.2流体通过颗粒床层的流动

一、颗粒的大小:当量直径体积相等的当量直径:用与非圆球形颗粒体积相等的圆球形颗粒的直径来表示。

(V:

非球形颗粒体积)

m：颗粒的质量二、颗粒的形状:球形度球形度:体积相同的球的表面积与非球的表面之比。

(由几何知识可知,体积相等时,球的表面积最小。)

非球形颗粒而言，φ<1。球形颗粒，φ=1。

ε的大小反映了床层颗粒的紧密程度,ε对流体流动的阻力有极大的影响。三、床层空隙率(ε)

固定床层中颗粒堆积的疏密程度可用空隙率来表示，其定义如下：影响ε的因素与Φ有关,Φ越大,ε越小。与颗粒大小分布有关,di分布越均匀,ε越大。装填方式:湿法充填,ε大。振动充填,ε小。干法充填,ε大。

四、压降的计算

Re’为床层的雷诺准数

称康采尼方程

Re’

＜

2时欧根也进行了大量研究:当1/6＜Re’＜420时

a用直径来表示:称欧根方程可简化Re’＜2(细颗粒),第二项可略。

Re’＞100(粗颗粒),第一项可略。103.2颗粒在流体中的运动

几点假设自由沉降(容器中只有一个颗粒,且容器直径很大,颗粒在沉降过程中不与壁面相碰)是球形颗粒分子运动影响可忽略(如固体颗粒很小时,运动就可能受到流体分子运动的影响,一般d＞1μm便可忽略)11一、沉降的加速段

将一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体中，若颗粒在重力的作用下沿重力方向作沉降运动，此时颗粒受到哪些力的作用呢？

称为曳力系数12根据牛顿第二定律得：

整理得：

开始瞬间，，最大，颗粒作加速运动。

13

二、沉降的等速阶段

随u↑,Fd↑,到某一数值ut时，上式右边等于零，此时，颗粒将以恒定不变的速度ut维持下降。此ut称为颗粒的沉降速度或造端速度。

a=0

简析：

与d大小有关；与(ρs-ρ)/ρ有关；

与ζ即Ret有关,14，层流区（Sokes区）ζ=24/Ret

，过渡区（Allen区）ζ=18.5/Ret0.6

，湍流区（Newton区）ζ=0.44

可查图,也可用公式计算(φ=1)16

3.2.2重力沉降的应用

根据作用于颗粒上的外力的不一同,沉降设备分为:重力沉降设备和离心沉降设备。利用重力沉降分离气--固非均相混合物时，称为降尘室；分离液-固非均相混合物时，称为沉降槽。基本特征：体积大。一、降尘室

操作：在气体从降尘室入口流向出口的过程中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降。如颗粒在到达降尘室出口前已沉到室底的集尘斗内，则颗粒从气体中分离出来，否则将被气体带出。含尘气体净化气体颗粒降尘室操作示意图uut

降尘室特点：结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，一般作预除尘用,适用于除去粒度>50μm的粗颗粒。注意：

气体速度的选择：降尘室中的气体流速不能过高，应保证气体流动的雷诺数处于层流区，防止将已沉降下来的颗粒重新卷起。一般降尘室内气体速度应不大于3m/s，具体数值应根据要求除去的颗粒大小而定，对于易扬起的粉尘（如淀粉、炭黑等），气体速度应低于1m/s。

二、沉降槽（增稠器）分离悬浮液，在中心距液面下0.3～1m处连续加料，清液往上走，稠液往下走，锥形底部有一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠浆从底部出口出去。（内部沉降分为上部自由沉降和下部干扰沉降）。

大的增稠器直径可达10～100m，深2.5～4m。它一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理，常见的污水处理就是一例。

三、分级器利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器。将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b两种颗粒要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速度，使两者不能完全分离。3.2.3离心沉降

一、离心分离因数

对于两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系，可利用颗粒作圆周运动时的离心力以加快沉降过程。定义同一颗粒所受的离心力与重力之比为离心分离因数

式中为流体和颗粒的切线速度，m/s；R为旋转半径m；为旋转角速度，。

f数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。若f

=1000，则说明同一颗粒在离心力场中受到的离心力是在重力场中受到的重力的1000倍，当然大大加快沉降分离过程。24二、离心沉降速度只要把前面公式中的g用Rω2代替就行了。

Rω2称为离心加速度。如在斯托克斯区：

三、旋风分离器旋风分离器在工业上应用已有近百年的历史，具有结构简单、造价低廉、操作方便、分离效率高等特点，目前仍是工业上常用的分离和除尘设备。26(1)基本结构主要由进气管、上圆筒、下部的圆锥筒、中央升气管等组成。27(2)操作原理

旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。上部为圆筒形、下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入，藉此来获得器内的旋转运动。气体在器内按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后折而向上，成为内层的上旋的气流，称为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中，由于密度较大，受离心力的作用逐渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。28(3)旋风分离器性能指标评价旋风分离器性能好坏的指标主要有三项。i.临界直径

旋风分离器能够完全分离出来的最小颗粒直径称为临界直径。临界直径是评价旋风分离器分离效率高低的重要依据。μ:气体的粘度；ρs:固体颗粒的密度；B:进口管道的宽度；

Ne:一般0.5-3.0,对于标准旋风分离器为5；ui:气体进口速度。29

ii.分离效率(包括总效率和粒级效率）

总效率：即进入旋风分离器的全部粉尘能被分离出来的

粉尘质量分率。C进、C出分别为旋风分离器入口和出口中的总含尘量g/m3。

总效率是工程上最常用的，也是最容易测定的分离效率。此表示法的最大缺点是不能表明旋风分离器对各种尺寸颗粒的不同分离效果。

30iii.旋风分离器的压强降

压强降是评价旋风分离器性能好坏的重要指标。当气体流经旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力、气体流动时的局部阻力及气体旋转运动所产生的动能损失等，造成大量的能量消耗。这种能量的损失可用下式表示：

式中ui为进口气速，ζ为阻力系数。ζ与旋风分离器的结构和尺寸有关，对于同一结构形式及比例相同的旋风分离器，ζ为常数。标准型旋风分离器阻力系数ζ=8.0

。通常旋风分离器的阻力大约为500～2000Pa。31

旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离心力是由切线进入的气流产生旋转运动造成的），操作不受温度、压强的限制。一般其分离因数5-2500，可分离气体中5-7µm直径的粒子。d≥50µm用降尘室分离（经济），0.1µm＜d＜5µm

可用袋式除尘器，d＜5µm用电除尘器。

32

3.3流态化

流态化:固体颗粒在流体的带动下能象流体那样流动，并在某些方面具有流体的性质，这种现象称为流态化。流态化技术在化学工业中大规模应用的时间并不长，第一台流化床催化裂化反应器及第一台硫铁矿焙烧炉在五十年代才在工业上运转，但由于它有某些突出的优点而很快得到推广。主要优点:床内固体颗粒迅速混合，促进床层温度均匀，

特别适用于热效应大而对温度敏感的过程。因而在氧化、裂解、焙烧、干燥等方面广泛应用。固体粒子易于往返输送。如石油的催化裂化中用于催化剂输送。气固充分接触。用于气固相催化反应，提高催化剂的有效系数，加快反应速度，利于传质、传热过程。如干燥等可有较大的生产强度。33

主要缺点:存在强烈的返混。对气固系统还存在明显的不均匀性,如气泡、节涌、沟流等,这些都引起气固接触时间的不均性,从而降低反应的转化率、产率,甚至产品的质量。颗粒有相当的磨损而粉化,气体夹带也引起固体损失,需安装旋风分离设备。3.3.1

流态化现象

流固反应器可分为:固定床、流化床。如流体流向从下向上,则会发生什么现象呢？一、理想的流态化现象

设颗粒是均匀的。34固定床流速小,流体只通过静止颗粒间的空隙。膨胀床流速较大,床层高度稍有膨胀,固体颗粒相互离开,有少量颗粒在一定区域内振动和游动。临界(起始)流化床流速更大,固体颗粒刚好悬浮在向上流动的流体中,床层认为开始流化,临界流化速度为umf。密相流化流速再大,悬浮的固体颗粒床层继续膨胀,可观察到一些固体颗粒被气体夹带而出,但床层还有一个清晰起伏的界面。稀相流化流速很大,流体流速与固体颗粒的重力沉降速度相等时,床层的界面消失,固体颗粒随流体夹带而出,称稀相流化,用于颗粒输送,流体的速度称为带出速度,即为ut。3536二、实际的流化现象

上面讨论的是均匀颗粒,是理想的流化现象。实际的流化现象与上述有一定的差异。由于流体与颗粒的性质、颗粒的尺寸及床层结构、流速等条件的不同，流化床中可以出现两种流化类型：散式流化和聚式流化。（1）散式流化

特点：固体颗粒均匀地分散在流动的流体中。当流速增大时，床层逐渐膨胀而没有气泡产生，颗粒彼此分开，床层中各处的空隙率均匀增大，床层高度上升，并有一稳定的上界面。

通常两相密度差小的系统趋向散式流化，故大多数液-固流化属于"散式流化"。

37（2）聚式流化

特点：床层中存在两个不同的相。

一般来说，超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过流化床层，气泡在床层上界面处破裂，造成上界面的波动，因此床层也不像散式流化那样平稳，流体通过床层的阻力的波动也较大。随着气体流量的增大，通过乳化相的流体流速几乎不变，增加的气量都以气泡的形式通过床层，所以气泡的尺寸和生成频率增加，床层上界面和阻力的波动增大。

一般气-固流态化系统多为聚式流化。

38三、聚式流化中的不正常现象

（1）腾涌现象

主要发生在气-固流化床中，如果床层高度与直径的比值过大，或气速过高时，就会发生小气泡合并成为大气泡的现象。当气泡直径长到与床径相等时，则将床层分成几段，形成相互分开的气泡和颗粒层。颗粒层象活塞那样被气泡向上推动，在达到床层上界面后气泡崩裂，颗粒分散下落，这种现象称为腾涌现象。

危害:a.床层气温度不均匀

b.转化率下降

c.加速了固体与器壁的磨损3940（2）沟流现象

沟流是指气体通过床层时形成短路，大量气体没有能与固体颗粒很好地接触即穿过沟道上升。发生沟流现象时，床层内密度分布不均匀，而且气、固接触不良，不利于气、固间的传质、传热及化学反应；同时部分床层变成死床，颗粒不悬浮在气流中，故气体通过床层的压降较正常值低。

危害:a.造成死床，转化率下降,反应温度不均匀。

b.局部反应剧烈,破坏催化剂。4142（3）减少腾涌、沟流的措施采用适宜的气体分布附加档板等内部构件颗粒尽量大小均匀干燥433.3.2流化床的主要特性

（1）类似于液体的特性利用流化床的这种似液性，可以设计出不同的流-固接触方式，易于实现过程的连续化与自动化。44（2）混合均匀:温度均匀；浓度均匀。（3）压降不变45流化床压降的计算

A:空床横截面积ρ:流体密度m:床层中颗粒总质量ρs:固体颗粒密度

463.3.3起始流化速度(umf)

设流化床高L,空隙率为ε则

(1)

即为上图中的bc线47一、Rep＜10

(前面讲的是小于2,现放宽至10),根据前面的欧根公式，则以粘性力为主,即取第一项，第二项略：

(2)

即为上图中的ab线起始流化点即为ab线和bc线的交点,则(1)、(2)中L=Lmf,u=umf,

ε=εmf，且(1)=(2)48

εmf是很难知道的,但实验发现

则

(3)

49二、Rep＞100

根据前面的欧根公式，以惯性力为主,即第一项略，取第二项

（4）

且(4)=(1)u=umf,ε=εmf对许多不同系统的测定结