第五章顆粒的沉降和流態化主講:李梅7/19/20231目錄5.1概述5.2顆粒的沉降運動5.3沉降分離設備5.4固體流態化5.5氣力輸送7/19/20232§5.1概述一.物系的分類均相物系:凡物系內部各處物料的性質均勻而不存在相界面的物系.例:溶液,混合氣體非均相物系:凡物系內部有隔開兩相的界面存在,而界面兩側的物料性質截然不同的物系.例:7/19/20233氣—液氣態非均相氣—固液—固液態非均相液—液液—氣7/19/20234分散介質(連續相):物系中的流體分散物質(分散相):物系中處于被分散狀態的物質二.分離的目的1.回收有用的物質2.凈化分散介質3.環境保護和安全生產7/19/20235三.分離的方法1.重力沉降2.離心沉降3.過濾7/19/20236§5.2顆粒的沉降運動5.2.1流體對固體顆粒的繞流流體與固體顆粒相對運動時流體對顆粒的作用力----曳力.一、兩種曳力-----表面曳力和形體曳力7/19/20237τwdAsinα流動方向τwdApdAcosαpdA7/19/20238在顆粒表面上任取一微元面積dA,作用于其上的剪力為τwdA,壓力為pdA.設所取微元面積dA與流動方向成夾角α,則剪力在流動方向上的分力為τwdAsinα.將此分力沿整個顆粒表面積分而得該顆粒所受剪力在流動方向上的總和,稱為表面曳力.同樣,壓力在流動方向上的分力為pdAcosα,將此力沿整個顆粒表面積分可得7/19/20239稱為形體曳力,顆粒所受的浮力.流體對固體顆粒作繞流運動時,在流動方向上對顆粒施加一個總曳力,其值等于表面曳力和形體曳力之和.粘性流體對圓球的低速饒流總曳力的理論式Stoks定律:

理論推導得出7/19/202310二、曳力系數應用因次分析法可得出曳力系數的定義式:其中:實驗測定,曳力系數與雷偌數的關系如圖:點擊這里看大圖7/19/202311回上頁7/19/202312該圖分為三個區①層流區(stokes區):Re<2②過渡區(Allen區):2<Re<500③湍流區(Newton區):500<Re<2×105代入曳力系數定義式可得Stokes公式7/19/202313說明: Ⅰ.阻力是由兩部分組成①由流體粘性引起的表面摩擦力②由渦流邊界層分離引起的形體阻力Ⅱ.在層流區,阻力主要以表面摩擦力為主,隨Re增大,粘性的影響減小,在湍流區,主要以邊界層分離引起的形體阻力為主.7/19/2023145.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降一、沉降的加速階段阻力浮力重力7/19/202315

根據牛頓第二定律7/19/202316二、沉降的等速階段隨著下降速度的不斷增加,曳力項逐漸增大,加速度逐漸減小.當下降速度增加至某一數值時,曳力等于顆粒在流體中的凈重,加速度等于零,顆粒將以恒定不變的速度繼續下降.這個速度就稱為沉降速度或終端速度.7/19/202317三、顆粒的沉降速度當顆粒直徑較小,處于Stokes區時當顆粒直徑較大,處于牛頓定律區時7/19/202318四、其他因素對沉降速度的影響①干擾沉降②端效應③分子運動④非球形⑤液滴或氣泡運動7/19/202319§5.3沉降分離設備5.3.1、降塵室含塵氣體在管道中流動，因氣速較大，塵粒來不及沉降；進入突然擴大的流道——沉降室，氣速u顯著減少。那些在流體離開降塵室之前落到室底的顆粒便與流體分離了。7/19/202320降塵室是依靠重力沉降從氣流中分離出塵粒的設備。顆粒能夠被分離出來的必要條件：氣體在降塵室內的停留時間等于或大于顆粒從設備最高處降至底部所需要的時間。7/19/202321位于室內最高點的顆粒降至室底需用時間：氣體通過降塵室需用時間：

為滿足除塵要求，氣流的停留時間至少必須與顆粒的沉降時間相等，即：

7/19/2023227/19/202323由此可見，降塵室的生產能力與高度H無關，但H與u大小有關。采用多層水平隔板，使隔板間距減小H↓→時間減少τt↓，受塵面積A↑。切記：為不使已沉降的灰塵被卷揚，u要處于滯流區。且降塵室的進、出口應采用漸變流道。7/19/202324【例】采用降塵室回收常壓爐氣中所含的球形固體顆粒。降塵室底面積為10m2，寬和高均為2m。操作條件下，氣體密度為0.75kg/m3，粘度為2.6×10-5Pa·s；固體的密度為3000kg/m3；降塵室的生產能力為3m3/s。求：（1）理論上能完全撲集的最小顆粒直徑；（2）粒徑為40μm的顆粒回收百分率；（3）欲完全回收直徑為10μm的塵粒，在原降塵室內應設置多少層水平隔板。7/19/202325

解：（1）理論上能撲集的最小顆粒直徑，降塵室能夠完全分離出來的最小顆粒的沉降速度為設為滯流沉降在滯流區能被分離出來的最小粒徑為69.07μm檢驗：7/19/202326（2）粒徑為40μm的顆粒回收百分率：假設在降塵室入口處的爐氣中是均勻分布的，則顆粒在降塵室內的沉降高度與降塵室高度之比約等于該尺寸顆粒被分離下來的百分率。因此，直徑為40μm的顆粒被回收的百分率約為7/19/202327（3）應設置的水平隔板數。從以上計算知，直徑為10μm的顆粒的沉降在滯流區內，故7/19/2023285.3.2離心沉降設備對兩項密度差較小、顆粒粒度較細的非均相系，可利用顆粒做圓周運動時的離心力以加快沉降過程。同一顆粒所受離心力與重力之比為其中，α為離心分離因數。7/19/202329評價旋風分離器性能的主要指標有：分離效率；氣體經過旋風分離器的壓降。（1）旋風分離器的分離效率：（2）旋風分離器的壓降7/19/202330①在分離器內氣流形成兩個主旋渦，即氣體切線進入分離器后以螺旋形旋轉向下的外旋渦和由錐底螺旋形上升至排氣管的內旋渦，兩旋渦的旋轉方向相同。②外旋渦造成的離心力將顆粒拋向器壁，內旋渦由于有較大的旋轉角速度，也可將細小顆粒向外拋出，故同樣是分離的積極部分。7/19/202331§5.4固體流態化技術本節內容：流態化的基本概念

流化床流動阻力

流化床的主要特點和操作優缺點7/19/202332簡單來說，固體流態化就是固體物質流體化。流體以一定的流速通過固體顆粒組成的床層時，可將大量固體顆粒懸浮于流動的流體中，顆粒在流體作用下上下翻滾，猶如液體。這種狀態即為流態化。

流態化是目前化學工業以及其他許多行業（譬如能源、冶金等）廣泛使用的一門工業技術。在化學工業中主要用以強化傳熱、傳質，亦可實現氣固反應、物理加工乃至顆粒的輸送等過程。

7/19/2023335.4.1流態化的基本概念當一種流體自下而上流過顆粒組成的床層時，因流速不同會出現不同的情況：

1、固定床階段

當流體通過床層的空截面流速較低時，床層空隙中流體的實際流速u小于顆粒的沉降速度ut，則顆粒靜止不動，為固定床，如圖（a）。圖a7/19/202334

2、流化床階段

（1）臨界流化床

當u增大到一定程度時，顆粒開始松動，床層開始膨脹，u繼續升高，床層開始繼續膨脹，直到剛好全部顆粒都懸浮在向上流動的流體中。此時，顆粒所受浮重力與流體和顆粒之間的摩擦力相平衡，稱初始或臨界流化床，如圖（b）。

圖b7/19/202335（2）流化床

當流速繼續增加，床層L亦不斷升高，此即為流化床。液固系統床層平穩漸增，如圖（c）；氣固系統則出現鼓泡和氣體溝流現象如圖（d），攪動劇烈，固體顆粒運動活躍，象沸騰的液體，因此亦稱沸騰床。

7/19/2023363、顆粒輸送階段

當流體在床層中的實際流速超過顆粒的沉降速度ut時，流化床上界面消失，顆粒將隨流體被帶出容器外，此為輸送床，如圖（e）。

7/19/202337流態化操作類型1、以流化介質分：

1）氣—固流化床

以氣體為流化介質。目前應用最為廣泛，如各種氣—固相反應、流化床燃燒、物料干燥等。

2）液—固流化床

以液體為流化介質。這類床問世較早，但不如前者應用廣泛。多見于流態化浸取和洗滌、濕法冶金等。

3）三相流化床

以氣、液體兩種流體為流化介質。這種床型自七十年代有報道以來發展很快，在化工和生物化工領域中有較好的應用前景。

7/19/2023382、以流態化狀態分

1）散式流態化

固體顆粒均勻地分散在流化介質中，亦稱均勻流化或理想流化。此流化狀態有以下特點：a：在流化過程中有一個明顯的臨界流態化點和臨界流化速度；b：流化床層的壓降為一常數；c：床層有一個平穩的上界面；d：流態化床層的空隙率在任何流速下都有一個代表性的均勻值。不因床層內的位置而變化。

通常，兩相密度差小的系統趨向形成散式流化，故大多數的液—固流化為散式流化。7/19/2023392）聚式流態化

不具備散式流化特點的系統為聚式流化。一般密度差較大的系統（如氣—固系統）趨向于形成聚式流化。

聚式流化的特點是：當流速大于臨界流化速度后，流體不是均勻地流過顆粒床層，一部分流體不與固體混合就短路流過床層。如氣—固系統，氣體以氣泡形式流過床層，氣泡在床層中上升和聚并，引起床層的波動。因氣泡的存在，流化床被分成兩相，一相為空隙率小而固體密度大的氣—固均勻混合物構成的連續相，稱為乳化相；另一相則是夾帶少量固體顆粒而以氣泡形式通過床層的不連續相，稱為氣泡相。7/19/202340流化床流動阻力

一、理想流化床的壓降

理想情況下，克服流化床層的流動阻力而產生的壓強降與空截面流速的關系如圖。7/19/2023411、固定床階段

在氣體速度較低時，顆粒床層靜止不動，氣體從顆粒空隙中穿流而過。隨著氣速的增加，氣體通過床層的摩擦阻力也相應增加（如OB段）。2、流化床階段

在流化床階段，整個床層壓強降保持不變，其值等于單位面積床層的凈重力。如圖中的BC段。

3、氣體輸送階段

氣體輸送階段時，流速進一步加大，氣流中顆粒濃度降低，由密相變為稀相，相成兩相同向流動狀態，壓強降降低并因密相和稀相而情況復雜。此不細述。7/19/202342二、實際流化床的壓強降實際流化床的情況較為復雜，其△p與u的關系如圖所示，它與理想流化床的曲線有顯著區別。

１、在固定床和流化區域有一個“駝峰”，這是因為固定床顆粒之間相互靠緊，而互相之間有一定摩擦力，因而需要較大的推動力才能使床層松動。直到顆粒松動到剛能懸浮時，△p才降到水平階段。此時壓強降基本不隨氣速而變。當降低流化床氣速時，壓強降沿DC'A'變化。7/19/202343

2、流化區域D點附近曲線略向上傾斜。這表明氣體通過床層時的壓降除絕大部分用于平衡床層顆粒的重力外，還有少部分能量消耗于顆粒之間的碰撞及顆粒與容器壁面之間的摩擦。

3、A'C'和C'D分別表示流化床階段和固定床階段。兩線的交點C'為臨界點，對應有、臨界流化速度umf，臨界空隙率εmf，它比原始固定床的空隙率ε稍大。7/19/2023444、C'D'線的上下各有一條虛線，表示氣體流化床的壓強降波動范圍，C'D為兩條虛線的平均值。之所以波動是由于氣泡在向上運動的過程中不斷長大，到床面破裂。在氣泡運動、長大、破裂的過程中產生壓強降的波動。7/19/202345三、流化床的操作范圍要使固體顆粒床層在流化狀態下操作，必須使氣速高于臨界流速umf，而最大氣速以不得超過顆粒的沉降速度，否則顆粒會被氣流帶走。

7/19/2023465.4.3流化床的主要特性一、液體樣的特性二、固體混合（優點）三、氣流的不均勻分布和氣固的不均勻接觸四、恒定的壓降7/19/2023475.4.4流化床的操作范圍一、起始流化速度如果床層由均勻顆粒組成，則起始流化時床層的表觀速度為7/19/202348如果床層是由非均勻顆粒組成，則起始流化速度的計算為：其中：L為床層的高度；ε為床層的空隙率。根據歐根方程，在小顆粒（雷諾數小于20）時，壓降為：BC段AB段7/19/202349起始流化點為AB與BC的交點。聯立上述兩式可得：其中：所以：7/19/202350二、帶出速度當床層的表觀速度達到顆粒的沉降速度時，大量顆粒將流體帶出器外，故流化床的帶出速度為單個顆粒的沉降速度。7/19/2023515.4.5流化質量流化質量反映