颗粒流体力学

1、第二章 颗粒流体力学,本章提要 固体物料的气力输送、离心分离等都涉及到颗粒流体力学。本章主要介绍了固体颗粒在流体中阻力系数、重力沉降和离心沉降，讨论了Stokes公式、非球形颗粒沉降和干扰沉降修正系数，介绍了流体通过颗粒层的层流状态、湍流状态及流化床。,在流体力学中，只研究单一相的均质流体的流动问题。但是，在自然界的许多工程中，常遇到处理许多不同态物质的混合物的流动问题。通常把状态不同的多相物质共存于同一流动体系中的流动称为多相流功，简称多相流。最普通的一种多相流动为两相流动。它是由四种态物质（即固态、液体、气体和等离子体）中的任意两种态结合组成。有关这些两相流动问题的结论和分析，亦可以推广应

2、用到多相流动的情况。本章主要介绍颗粒流体两相的流动力学，这些情形中，固体颗粒均匀或不均匀地分布在流体中，形成两相流动体系。,颗粒两相流动特点, 系统中除了固体颗粒外，至少另有一种流体（气体或液体）同时存在，颗粒是分散相，粒径大小不一，运动规律各异。 系统中至少存在着一种力场（重力场、惯性力场、磁或电力场等）由于固体颗粒与液体介质的运动惯性不同，因而颗粒与液体介质存在着运动速度的差异相对速度。 颗粒之间及颗粒与器壁之间的相互碰撞和摩擦对运动有较大影响，并且这种碰撞和摩擦会产生静电效应。 在湍流工况下，气流的脉动对颗粒的运动规律以及颗粒的存在对气流的脉动速度均有相互影响。 由于流场中压力和速度梯度

3、的存在、颗粒形状不规则、颗粒之间及颗粒与器壁间的相互碰撞等原因，会导致颗粒的旋转，从而产生升力效应。 系统中除了颗粒与流体的运动外，往往还存在着其他传递过程（相内或相界面的能量与质量的传递）以及同时进行着的化学反应过程； 系统中颗粒的粒径范围为10-510cm。,颗粒流体的两相流动三种典型情况,（1）固定床：流体穿过固定的颗粒层的流动，例如立窑中粒料的煅烧，移动式炉篦上熟料的冷却、料浆的过滤脱水以及过滤层收尘等过程； （2）流化床：当流体速度增加到一定程度，固定颗粒层呈现较疏松的活动（假液化）状态（即流化床）的流动，例如流态化烘干预热、粉状物料的空气搅拌以及空气输送斜槽的气力输送等过程； （3

4、）连续流态化：流体与固体颗粒相对运动速度更高，颗粒在流体中呈更稀的悬浮态运动（即连续流态化）的流动，例如悬浮预热分解、沉降、收尘、分级分选、气力输送等过程。,第一节 两相流的基本性质,1 两相流的浓度 设在流动体系中.颗粒的体积、质量和密度分别为Vp、Mp和p,流体的体积、质量和密度分别为Vf、Mf和f，两相流的总体积、总质量和密度分别Vm、Mm和m 显然， Mm=Mp+Mf; Vm=Vp+Vf; 则颗粒的浓度可作如下定义: 体积浓度 固体颗粒的体积占两相流总体积的分数，以Cv表示。,(2-1),若以单位体积流体所拥有的固体颗粒体积表示，则有, 质量浓度 单位质量的两相流中所含固体颗粒的质量，

5、以Cw表示,若以单位质量流体所拥有的固体颗粒质量表示，则有,(2-4),(2-3),(2-2),若已知两相流密度m,则上述各式可直接用密度表示,(2-5),(2-6),(2-7),(2-8),一般地，mp，故CvCw；对于气固两相流，因为气固密度比大致为10-3数量级,其体积浓度远小于质量浓度。因此、在某些场合，为了简化颗粒与气体流体的运动方程，可忽略颗粒所占的体积而不会引起太大误差。但须注意，当质量浓度很大(譬如浓相气力输送)时、或质量浓度虽不大但气固密度比较大时，则不可忽略颗粒体积，否则会导致较大误差。 在颗粒浓度很高的两相流中，常用到空隙率的概念，其定义为流体体积与两相流总体积之比、数学

6、表达式为,空隙率也可用颗粒的质量浓度来表示,(2-9),(2-10),2 两相流的密度 在两相流中，既有固体颗粒，又有流体介质,单位体积的两相流中所含固体颗粒和流体介质的质量分别称为颗粒相和介质相的密度， 分别以pj和fj表示之。,两相流的密度定义为:,m、p、f具有如下关系,(2-11),(2-12),第二节 颗粒在流体中的沉降现象,1 颗粒在静止流体内的沉降 设有一表面光滑的球形颗粒，在无限广阔的静止流体空间内，颗粒不会受到其他颗粒及容器壁的影响而做自由沉降，实际上，在有限的流体空间内，当颗粒群的体积浓度较低，各颗粒之间既不直接也不通过流体间接地影响彼此的沉降时，也可以当作是自由沉降。 颗

7、粒在静止流体内自由沉降时，不仅受到重力而且还受到浮力和阻力的作用，在诸力共同作用下，颗粒的运动方程式为：,（2-13）,式中,G0剩余重力（又称有效重力），为颗粒重力减去浮力（N）； Fd流体阻力（N）； m颗粒的质量（kg）; u颗粒在时间t时的运动速度（m/s）。 对于球形颗粒,合力（N）；,N,N,kg,式中 dp颗粒直径（m）； p颗粒密度(kg/m3) -阻力系数 -流体密度,（2-15）,（2-16）,（2-13）,（2-14）,将G0、Fd、m等值代入式（2-13）可得：,（2-17）,从运动方程式可看出，颗粒在静止流体中沉降的加速度，决定于剩余重力和流体阻力，对于一定尺寸的颗粒

8、在一定流体中沉降时，G0为常数，而流体阻力则随着运动速度之提高而增大。如果重力大于浮力，开始沉降瞬间，颗粒将受到其本身重力作用而加速降落。沉降时由于流体与颗粒表面的摩擦而产生与运动方向相反的阻力，同时阻力随降落速度的增加而增大。经过片刻，当流体阻力增大到等于颗粒剩余重力时，颗粒受力处于平衡，加速度为零，以后颗粒即以此时瞬时速度匀速向下降落。可见。颗粒的沉降过程分为两个阶段，起初为加速阶段，而后为等速阶段。等速阶段的颗粒相对于流体的运动速度u0称为沉降速度。,2 阻力系数,无论颗粒在静止的流体中流动，或是流动的流体从静止的颗粒流过，只要有相对运动就有阻力存在。颗粒在流体中作相对运动时，所遇到的阻

9、力Fd的大小，与下述因素有关：垂直于运动方向的颗粒横截面积，对于球形颗粒则为颗粒的直径dp；颗粒在流体中的相对运动速度u；流体的粘度和密度等。因此，阻力的变化，可用函数式表示：,（2-18）,使用因次分析法将上述关系整理为无因次数群之间的关系：,习惯上，往往将式（2-19）改写成,式中 A颗粒在垂直于运动方向的平面上的投影面积，对于球形颗粒，,m2；,u颗粒在流体中的相对运动速度(m/s）； dp球形颗粒直径（m）； 流体密度（kg/m3）； 流体粘度。,，,。,阻力系数，无因次，,为颗粒雷诺数,的函数； 度,（2-19）,（2-20）,（2-21）,阻力系数与Rep的关系,2-1层流区 Re

10、1时，属层流区，流体能一层层地平缓绕过颗粒，在后面合扰，流线不致受到破坏，层次分明，呈层流状态，如图2-1（a）。这时颗粒在流体中运动的阻力，主要是各层流体以及流体与颗粒之间相互滑动时的粘性阻力，阻力大小与雷诺数Rep有关。,而阻力,N （2-22）,式（2-11）称为斯托克斯（Stokes）公式。,2-2 过渡流区,1Rep1000时，属过渡流区。当Rep值较大时，由于惯性关系，紧靠颗粒尾部边界发生分离，流体脱离了颗粒的尾部，在后面造成负压区，吸入流体而产生漩涡，引起了动能损失，层过渡流状态，如图2-1（b）。这时，颗粒在流体中运动的阻力就包括颗粒侧边各层流体相互滑动时的粘性摩擦力和颗粒尾部

11、动能损失所引起的惯性阻力，他们的大小按不同的规律变化着。这一区域推荐的Rep公式比较多，适用范围也很不一致，计算误差也比较大，有的可达1025%。其中较为准确的公式为,（2-23a）,或,（2-23b),亦可用下列简便公式来计算,或,（2-23d),（2-23c),2-3 湍流区,1000Rep2105时，属湍流区。此时颗粒尾部产生的涡流迅速破裂，并形成新的涡流，以致达到完全湍动，处于湍流状态,如图2-1（c），此时粘性阻力已变得不大重要，阻力大小主要决定于惯性阻力，因而阻力系数与Rep的变化无关，而趋于一固定值。这时边界层本身也变为湍流。 =0.44 （2-24） 阻力系数为一常数，此关系式

12、又称为牛顿定律。,Rep2105时，属高度湍流区。流速很大，颗粒尾部产生的涡流迅速被卷走，在紧靠颗粒尾部表面残留有一层微小的小湍流，总阻力随之减小， =0.1这一状态在工业中一般很少遇到。根据实验研究，与Rep的关系如图2-1（d）所示。,2-4 高度湍流区,图2-1 颗粒在充体中产生相对流动状态时的流动状态,以上划分的几个区域以及相应的-Rep关系式，是按不同的流动状态人为的划分的。实际上。-Rep关系是连续的一条曲线，如图2-2，各计算公式只适用于一定的雷诺数范围内，但又应当互相连接。,图2-2 -Re关系图,3 沉降速度计算,严格来讲，颗粒从变速运动阶段过渡到等速运动阶段所需时间是无穷大

13、的，对于比重大的大颗粒，当其沉降到容器底时，尚未达到等速阶段，整个过程是变速沉降，这就应当考虑变速阶段。但是，对于细小颗粒，通常在开始沉降瞬间，即能以非常接近于末速的速度在流体中沉降。例如，直径为50m的水泥生料颗粒，在空气中沉降达到0.99m/s末速时，所需时间小于0.1s，沉降距离不到1cm。所以，对于细小的颗粒，一般可以不考虑变速阶段，整个降落过程基本上可以看作是匀速u0进行的。 根据前述，当Fd=G0时,颗粒作匀速运动，u=u0。于是从式（2-5）可求出：,(2-25),当Rep1时，将式（2-10）的,值代入式（2-25），则得,m/s (2-27),式(2-26)适用于层流时球形颗

14、粒的自由沉降，称为斯托克斯（Stokes）公式。 当1ReP1000时，将式（2-23c）的 值代入式（2-25），则得,式(2-27)适用于过度流时球形颗粒的自由降沉，称为阿纶（Allen）公式。 当1000ReP2105 时，将式=0.44代入式（2-25），则得,m/s (2-28),式(2-28)适用于湍流时球形颗粒的自由沉降，称为牛顿（Newton）公式。,(2-26),Rep,要使用上述各式计算沉降速度，首先要知道Rep的数值，可是,中又包括有待求的沉降速度之值。所以在计算时需要用试差法求解。往往先根据颗粒尺寸的大小估计出颗粒沉降属层流范围或湍流范围，用比较简单的式（2-26）或式

15、（2-28）算出沉降速度u0，然后再用Rep值复验结果是否正确。,理论公式计算遇到的问题是决定选用哪一区域的公式进行计算较为麻烦，同时在接近临界雷诺数附近的理论公式本身误差也较大。较简单的方法是先设颗粒沉降速度处于层流区（对于一般颗粒多数情况如此），应用式（2-26）计算初步沉降速度u0，根据u0算出初步雷诺数，查图2-3求得修正系数之值，最后算出沉降速度u0=k u0。,图2-3 沉降速度修正系数,阿基米德数判断法.为了简化计算，可以用一个不包含沉降速度的准数来代替雷诺准数作为流态的判据 将式(2-25),代入上式并整理得,式中,为不包含沉降速度的无因次量，称A r为阿基米德数,是Rep的函

16、数, 因此，可根据A r的数值来判断流态.,两边平方,因,（2-29）,（2-30）,故当Ar330000为湍流，在18330000间为过渡流 借助于阿基米德数A*沉降速度的计算就比较简单。计算步骤如下c 将有关数据代入 Ar式计算；,，,:,1)当层流态,临界Rep=1时,故Ar的临界值,2)在Newton区 Rep=1000,=0.44,根据A r值判断沉降所属区域，然后用相应的沉降速度计算式直接计算沉降速度。,（2-31）,（2-32）,4 非球形颗粒沉降速度,颗粒在流体中运动的阻力与颗粒形状有关。2-1.3节中各式是根据光滑的球形颗粒导出。而工程实际上的颗粒多数为表面粗糙的非球形颗粒。

17、沉降时的流体阻力比光滑球形颗粒大，故其沉降速度较上述各式的计算值低。 非球形颗粒的形状与球形颗粒的差异程度，用球形度来表征（见1.2-2-1节）。对于球形颗粒=1；对于非球形颗粒01。 由于非球形颗粒在静止流体中的自由沉降情况要比球形颗粒复杂得多。若要作较为准确的计算，往往需要通过大量实验得出经验系数，对沉降速度加以修正。几种值下的阻力系数与Rep的关系见图2-2。由图2-2可见，不规则形状的颗粒（1）比球形颗粒具有较大的阻力系数。而且愈小，阻力系数愈大，因而沉降速度愈小。但是，值对阻力系数的影响，在层流区内并不显著，随着Rep的增大，这种影响逐渐变大。,5 干扰沉降,在工业生产过程中，常遇到

18、颗粒群在有限流体空间内的沉降。沉降时，各个颗粒不但会受到其它颗粒直接摩擦，碰撞的影响，而且还受到其它颗粒通过流体而产生的间接影响，这种沉降称为干扰沉降。 在干扰沉降情况下，颗粒是在有效密度与有效粘度都比纯流体为大的悬浮体系中沉降，所受浮力与阻力都比较大；另一方面颗粒群向下沉降时，流体被置换向上，产生垂直向上涡流，使得颗粒不是在真正静止的流体中沉降。因而干扰沉降增加了颗粒的沉降阻力，使沉降末速降低。显然，这种影响随着系统中颗粒浓度的增大而增大。 实验证明，当悬浮体的体积浓度不太大时（23%），可按自由沉降公式（2-25）进行计算，误差不大；当颗粒体积浓度超过23%时，干扰沉降的末速u0t的大小随

19、流体中颗粒的体积浓度之不同而异。可用式(2-29) 计算。,（2-33）,空隙率； n指数，其值在7.6之间，平均值。,颗粒在有限容器内沉降时，还需考虑容器器壁对颗粒沉降的阻滞作用，考虑到壁效应，沉降速度可乘以壁效应因子fw加以修正。壁效应因子是实际沉降速度与自由沉降速度之比，fw的经验关系如下：,（2-34）,式中dp颗粒直径。 容器直径。 n指数，层流时，n=2-25；湍流时，n=1.5. 显然，当颗粒粒径小于容器直径的1/5，则误差不大于10%，往往可以不加修正。,6 等降颗粒,从沉降公式可以看出，沉降速度与颗粒大小及密度有关。应用这一关系，可将同一种物料按尺寸大小不同进行分级（如工业生

20、产中应用的沉降池、降尘室、分级机）；或将同一粒径的不同物料按密度不同进行分选，以使固体颗粒中的有用物质同有害物质或惰性物质分离。但是也会有这样的情况发生；对于一批粒径范围较广的不同物料，尺寸大但密度小的颗粒会和尺寸小而密度大的颗粒有着同样的沉降速度，这样就会影响分级或分选作业的精确度。只有当密度相同的颗粒混合物进行离析时，才能将其准确地按粒径大小分成各个级别；或只有当尺寸相同的颗粒混合物进行离析时，才能将其准确地按密度大小进行筛选。因此，对于流体动力分级设备，则应创造这样条件，使密度的影响极小；而对于流体动力分选设备，则应进行筛分控制，使粒径的影响极小。 在流体内以同一沉降速度沉降的不同密度的

21、颗粒称为等降颗粒。等降颗粒中密度小(pa)的颗粒直径与dpa与密度大的（pb)的颗粒的直径dpb之比称为等降系数（K）。等降系数值恒大于1。,，,因为,故等降系数,（2-35）,当颗粒在湍流范围内沉降时,则,（2-36）,，,，,当颗粒在层流范围内沉降时,则,（2-37）,在一般情况下,（2-38）,式中 n为指数,所以等降系数并不是常数,（2-39）,从式（2-37）可以看出，当流体密度与较轻的颗粒的密度相等时，等降系数为无穷大。此时。无论尺寸多大，密度较轻的颗粒均不能与较重颗粒有着同一沉降速度，这样就能使任何粒度范围内的颗粒都能按密度的不同进行分选。因此，分选操作应该在重悬浮介质中进行离析

22、，而分级操作则减少密度的影响，宜用密度较轻的悬浮介质进行离析。,7 颗粒在旋转流体中的运动,颗粒在旋转流体中运动时，受到离心力场和重力场的共同作用。在重力作用下，使颗粒沿垂直方向降落；而在平面上与旋转流体一起作圆周运动；因而产生惯性离心力，使颗粒沿径向向外甩出。颗粒是在这三个方向上的共同作用下运动。 设在半径R处流体的圆周速度为uf，则处在该半径上的球形颗粒所受到的剩余惯性离心力为,（2-40）,由于剩余惯性离心力作用，颗粒与流体有相对运动，就产生了反向的流体阻力Fd。因而，颗粒在径向的运动方程式为：,式中,式中 m颗粒的质量；,Fd径向上的流体阻力。 将Fd及Fc0值代入式(2-41)，得,

23、（2-41）,=0。于是颗粒在半径方向上的沉降速度,在离心力场的作用下，颗粒运动的加速度,随着颗粒所在位置的半径R而异。,不过，在工业用的设备中，式(2-27)的,项比起其余两项要小得多，故可以认为,m/s,U0r就是在惯性离心力作用下颗粒沿径向的沉降速度。应该注意的是这个速度并不是颗粒运动的绝对速度，而是它的径向分量。当流体带着颗粒旋转时，颗粒在惯性离心力作用下沿着切线方向通过运动中的流体甩出，逐渐离开旋转中心。因此，颗粒在旋转流体中的运动，实际上是沿着半径逐渐增大的螺旋形轨道前进的。,（2-42）,（2-42）,比较式（2-25）与式（2-42）可知，在式（2-28）中以离心加速度ur2/

24、R代替了式（2-16）中重力加速度g，颗粒所受的重力是一定值，然而工业上可以通过各种方法使颗粒的离心加速度远远超过重力加速度，使得颗粒的沉降速度比在重力场作用下的沉降速度大很多。因此，可以利用惯性离心力来加快颗粒的沉降及分离比较小的颗粒，而且设备的体积也可以缩小。可得离心沉降速度与重力沉降速度之比为：,比值K称为离析因素，它等于惯性离心力与重力之比。K值大小与旋转半径成反比，与切线速度的二次方成正比。减少旋转半径，增加切线速度，都可使K值增大。,（2-43）,第四节 透过流动现象,1 层流状态 流体通过固定床的压降与流体及床层的参数有关：（）流体方面：流体的密度；流体的粘度；流体的流速； (2

25、)床层方面：床层直径；颗粒直径dp；床层的有效空隙率；颗粒形状系数；床层高度；颗粒表面粗糙度e。,流体在松散堆积的固定颗粒床层中流动时，流体是在床层颗粒之间的空隙中流动，床层颗粒间空隙所形成孔道是不规则的、弯曲的而且互相交错联通的。孔道的特性与颗粒的粒径、形状系数、表面粗糙度、床层颗粒的排列装置及空隙率等因素有关。床层颗粒的粒度愈小，则构成床层的孔道数目愈多，孔道截面积也愈小；颗粒粒度分布愈不均匀，表面愈粗糙，则构成的孔道形状愈不规则，各个孔道间的差异也愈大。流体通过颗粒床层所产生的压强降，可以仿照流体在管道内流动的情况，写成：,；,；,。,、,式中,孔道的摩擦系数,流体流过的孔道长度；,de

26、床层孔道的当量直径,流体在床层孔道中的流速；,De和,流体密度,上式使用不便，将,等参数进行换算。,流体流过床层孔道的长度要比床层厚度L0为大，而且成正比关系，则,式中C为比例常数。,（2-44）,（2-45）,床层孔道的当量直径de以床层孔道的体积与床层颗粒的全部表面积之比表示，即,单个颗粒的体积比表面积为,（2-46）,对于颗粒床层的比表面积则为,m2/m3 (2-47),（2-48）,式中 Z床层中颗粒的数目；,空隙率,颗粒的形状系数,颗粒群的平均直径（m）。,因此,床层任一截面积上的平均自由截面为总截面积的 倍，则流体流经截面积为A的床层时，有如下关系,（2-49）,（2-50）,式中

27、uf为流体流经床层的净空速度。 将式（2-45）（2-50）代入式（2-44），得,或,。,称为修正摩擦系数。它是流体在床层孔道中流动的雷诺准数,的函数，即,称为修正雷诺准数。,（2-51）,式中,（2-52）,（2-53）,流体通过颗粒床层的流速和孔道的尺寸通常都很小，故雷诺准数较低，流动情况属于层流状态，床层流速与压强降之间成直线关系。根据流体在圆管中层流时的平均速度计算公式，流体通过床层孔道，层流时的速度可写为：,式中 de床层孔道的当量直径；,-无因次常数，与床层的结构有关。,（2-54）,其余符号意义同前。 将式（2-45）（2-50）代入（2-54）则得,（2-55）,上式称为卡门

28、-康采尼关系式。式中。式中,（Kozeny）常数，它是空隙率、颗粒形状、颗粒排列形式及粒度分布的函数。 经推导可整理得到，层流状态摩擦系数与修正雷诺准数Re的关系如下：,称为康采尼,（2-56）,2 湍流状态,与修正雷诺准数,的关系如图2-4所示。图中曲线亦可,（2-57）,（2-58）,在低流速（层流）时，式（2-43）右端第一项占主要；在高流速（湍流）及在薄的床层中流动时，式（2-43）右端第二项占主要。当流速很高时，粘性阻力可以忽略不计。,实际上，流体通过颗粒层时所遇到的阻力主要包括两部分：一是由于流体与颗粒表面间摩擦而产生的粘性阻力；另一个是在流动过程中，因孔道截面积的突然扩大和收缩，

29、以及流体对颗粒的撞击和流体的再分布而产生的惯性阻力。福希海麦（Forchheimer）提出：,流体通过任意填充的固体颗粒床层的固体颗粒床层的修正摩擦系数,以下式表示,将图2-4与圆形管道中流动的情况比较：因为颗粒层中阻力较大，其摩擦系数数值比在管道中的为大；层流与湍流无明显的转折点，曲线变化非常缓慢，也即层流转为湍流之间有一个较大的过渡区，而且当ReP值较大时，曲线不像在管道中流动那样平直趋近于常数。这是由于颗粒层中有无数截面大小不同的孔道，在ReP值很大时，也不可能全部变为湍流，某些很小孔道，即使在很高流速下，仍为层流。在各种大小不同的孔道中，层流和湍流产生平均效应之故。,在大量试验基础上，

30、还归纳出不少计算固定的颗粒层压强降的经验公式。对于均匀粒度颗粒的固定床层，较常用欧根（Ergun）实验公式来计算：,Pa/m （2-59）,第四节 流化床,固体流态化是指固体颗粒通过与流体接触而转变成类似流体状态的操作。利用流态化技术，可使某些工艺流程过程简化和强化。 1流态化过程 固体流态化过程可以通过实验观察到（如图2-5）。中空透明的流化管1，下部设有多孔板（或称多孔流体分布板）2，用来支撑固体颗粒，并使流体沿截面分布均匀。将松散的固体颗粒3置于其上，使流体从多孔板的下面入口4通入容器中，穿过松散的颗粒层向上流出。因流体以容器净空截面计的净空流速uF大小的不同，颗粒层将出现不同的状态，发

31、生不同的流体动力过程。当流速较低时，颗粒层静止不动。颗粒彼此相互接触，流体从颗粒之间的孔道流过，这种状态的颗粒层称为固定床。这时流体在孔道中实际流速uf和流动的阻力损失p均随着流体净空速度uf的增加而增加。固定床的空隙率等于颗粒自然堆积时的空隙率隙0。在图2-6中，用线段AF、AF、BF分别表示这时的uf、p及的变化情况。,当流速提高到umf之后，流体穿过颗粒层产生的压强降与床层颗粒的剩余重力相等。床层开始膨胀和变松，空隙率比固定床增大许多，固体颗粒被流体吹起而浮动于流体之中，在一定的空间作无规则的飞翔运动，具有流动性。整个床层具有类似液体的性质，固体进入了流态化状态。这种状态的颗粒层称为流态

32、化床（简称流化床）。在流化床状态，固体颗粒上下翻动，犹如液体的沸腾现象，故又称沸腾床。流态化床内的固体颗粒运动得十分激烈，有助于流体与固体之间的传质，传热过程的进行。为强化生产创造有利条件。所以近年来工业生产中已广泛使用流化床干燥物料和煅烧水泥熟料。,固定床与流态化床的分界点F称为流态化临界点。相应的流速umf称为流态化临界速度（或称最小流化速度）。流态化床的床层高度和空隙率随流速uf的升高而增大（如图FT线段）。但流体穿过床层的实际流速uf的却维持不变（图中FT线段）。这是因为随着净空流速uf的提高，流态化床在涨大，使得颗粒之间的流通截面也跟着增大的缘故。因此，如果忽略由于器壁效应产生的阻力

33、损失时，在流态化床内的流体阻力损失并不因流速uf的提高而变化（如图中FT线段）。因而在这一较大的范围内增加流体的速度，并不增加流体流动需要的功率。,1-流化管；2-多孔板；3-固体颗粒4-流体入口；5-压强计 图2-5 流化管示意图,图2-6 理想流态床的压降、空隙率与流速的关系,流态化床内流体的实际流速uf远较床层上方的流体流速uf为大，所以几乎全部的颗粒都会从床上方的空间跌回床层中。不过当流速增大到某一uf值，超过悬浮速度时，流化床上界面小时，颗粒将被流体陆续带出容器之外。固体便开始进入连续流态化状态。此时系统中固体浓度降低得很快，使流体和颗粒间的摩擦损失大为减少，床层压强显著下降，系统有

34、类似液体性质的密相流态化进入更类似于气体性质的稀相流态化。工业上利用这种性质，把固体颗粒象流体一样用管道输送，所以该阶段称为气流输送阶段。无论是气体作为介质的流态化或液体作为介质的流态化，只要流化床有一清晰的上界面，都可认为是密相流态化。若当流速超过流态化的极限速度时固体颗粒被流体带走，上界面消失，这种情况称为呈现气力输送现象的分散相或稀相流态化。 开始进入连续流态化状态的T点，称为连续流态化临界点。T点所具有的流体速度ut称为流化极限速度（带出速度或最大流化速度）。显然，流化床的形成需要在流化临界速度umf和带出速度ut之间。在连续流态化临界点，床层的高度为无穷大，空隙率达到1。,流态化类型

35、,理想流态化具有以下特征： （）有一个明显的临界流态化点和临界流态化速度umf，当流速达到umf时，整个颗粒床层开始流态化； （）流态化床层的压降为一常数； （）具有一个稳定的流态化界面； （）流态化床层的空隙率，在任何流速下，都具有一个代表性的均匀值，并不因床层位置而变化。,实际的流态化与理想状态有些差异。液体流态化床较接近于理想流态化。床内颗粒均匀地分散，床层均匀而平稳地流化，而且有一个平稳的界面，这样的流态化称为散式流态化（均一流态化或平稳流态化），简称液体流态化。图2-7是液体流态化的典型例子。曲线AB为未流化前的固定床，其中压强降与流速的关系如前所述。在将近流态化速度的B点时，固定床

36、先开始膨胀而不流态化。膨胀的床的空隙率也随着增加，因此压强降的增加率较前减少。在B点以后，颗粒可以在小范围内重新排列，使液流有最大流动截面，这时床层高度和空隙率略有增大。在D点以后，则全部床层流态化，流化床的压强降即床层阻力，基本上不随流体流速而变化。,图2-7 散式流态化,图2-8 聚式流态化,若将已流态化的床层的流速逐渐降低，床层的高度也逐渐下降，在达到D点以后流态化就停止。若再将流速降低，床层的压强降和流速沿DF曲线下降，这是因为从流态化减速而得到的固定床，具有固定床当中最高空隙率的颗粒排列。若将床层加以震动，仍可回复到原有的AB曲线，甚至达到AB曲线的左边。,气体作为介质的流态化过程如

37、图2-8所示。从A经B到D的曲线基本上与液固系统的流态化相同，曲线DF也相差无几。但大于D点后的情况就大不相同，出现很大的不稳定性。床层没有一个固定的上界面，界面以每秒好几次的频率上下波动，因而压强也在一定范围内波动，介乎图中DE1及DE2两曲线之间，平均值用DE表示，基本上与液固系统流态化相同，仍可近似地认为其床层压强降（或阻力）不随流速而变化。但是床层中气固两相的流动状态和液固系统相差很多，床内颗粒成团地湍动，气体主要以气泡形式通过床层而上升，在这些气泡内，可能夹带有固体颗粒，因而床层内分为两种聚集状态，一种是近似固定床的低空隙率区域，称为密相区；另一种是稀散固体颗粒的高空隙率区域，称为稀

38、相区。高于临界流化速度的气体大部分由稀相区短路而流过。因有大量气泡存在，气泡生成后沿床层上升，在上升过程互相合并并逐渐长大，气泡越来越大，到床层是即破裂，因此床层上的界面很不稳定，上下波动，因此通过床层的压强降也波动很大。床层内部不象散式流态化那样均匀稳定，床层内部颗粒聚集成团地运动。这种流态化称为聚式流态化（非均一流动化或鼓泡流态化），简称气体流态化。,尽管普遍认为液固相形成的流态化为散式流态化，气固相形成的流态化为聚式流态化，他们的差异在于流体密度差别甚大的缘故。但是当在高压气体做介质所形成的流态化系统中，这种差别就不明显，这时可用下式作为判别流化形态的依据。当,综合许多经验数据，曾建议以弗鲁特（Froude）,准数判别这两种流态化状态，FF1时为聚式流态化。,则为散式流态化。当,则为聚式流态化。,则为散式流态化。,（2-61a）,（2-60）,（2-61b）,，,；,；,式中,临界状态下弗鲁特准数,临界状态下流体净空速度(m/s)；,dp固体颗粒直径(m)； g重力加速度（m/s2）； （Rep）mf临界状态下的雷诺数，； 流体的密度（kg/m3）；,流体粘度（Pas）； p固体颗粒密度（kg/m3）； Lmf临界状态下床层高度（m）； D流化床直径（m）；,2-2-3流态化中的不正常现象 气固系统流态化比较复杂，经常出现一些不正常现象，使操作不稳定