第三章流體-固體顆粒間的運(yùn)動和流態(tài)化

第三章流體-固體顆粒間的運(yùn)動和流態(tài)化

在化工生產(chǎn)中經(jīng)常碰到固體顆粒和流體組成的混合體系,一般流體為連續(xù)相,固體為分散相。在此物系中,只要固體顆粒的密度大于流體的密度,固體顆粒就要相對于流體而運(yùn)動；同樣在離心力的作用下,顆粒在離心力方向作相對運(yùn)動。顆粒一旦沉淀,那么顆粒與流體之間發(fā)生相對運(yùn)動,情況有以下幾種:顆粒靜止,流體繞過流動(如固定床反應(yīng)器)流體靜止,顆粒作沉降運(yùn)動(懸濁液的靜置)兩者都有一定的速度運(yùn)動（固體顆粒的流體輸送）

實際床層簡化模型

3.1流體通過填充床層的流動3.1.1流體通過毛細(xì)管的流動

3.1.2流體通過顆粒床層的流動

一、顆粒的大小:當(dāng)量直徑體積相等的當(dāng)量直徑:用與非圓球形顆粒體積相等的圓球形顆粒的直徑來表示。

(V:

非球形顆粒體積)

m：顆粒的質(zhì)量二、顆粒的形狀:球形度球形度:體積相同的球的表面積與非球的表面之比。

(由幾何知識可知,體積相等時,球的表面積最小。)

非球形顆粒而言，φ<1。球形顆粒，φ=1。

ε的大小反映了床層顆粒的緊密程度,ε對流體流動的阻力有極大的影響。三、床層空隙率(ε)

固定床層中顆粒堆積的疏密程度可用空隙率來表示，其定義如下：影響ε的因素與Φ有關(guān),Φ越大,ε越小。與顆粒大小分布有關(guān),di分布越均勻,ε越大。裝填方式:濕法充填,ε大。振動充填,ε小。干法充填,ε大。

四、壓降的計算

Re’為床層的雷諾準(zhǔn)數(shù)

稱康采尼方程

Re’

＜

2時歐根也進(jìn)行了大量研究:當(dāng)1/6＜Re’＜420時

a用直徑來表示:稱歐根方程可簡化Re’＜2(細(xì)顆粒),第二項可略。

Re’＞100(粗顆粒),第一項可略。103.2顆粒在流體中的運(yùn)動

幾點假設(shè)自由沉降(容器中只有一個顆粒,且容器直徑很大,顆粒在沉降過程中不與壁面相碰)是球形顆粒分子運(yùn)動影響可忽略(如固體顆粒很小時,運(yùn)動就可能受到流體分子運(yùn)動的影響,一般d＞1μm便可忽略)11一、沉降的加速段

將一個表面光滑的球形顆粒置于靜止的流體中，若顆粒在重力的作用下沿重力方向作沉降運(yùn)動，此時顆粒受到哪些力的作用呢？

稱為曳力系數(shù)12根據(jù)牛頓第二定律得：

整理得：

開始瞬間，，最大，顆粒作加速運(yùn)動。

13

二、沉降的等速階段

隨u↑,Fd↑,到某一數(shù)值ut時，上式右邊等于零，此時，顆粒將以恒定不變的速度ut維持下降。此ut稱為顆粒的沉降速度或造端速度。

a=0

簡析：

與d大小有關(guān)；與(ρs-ρ)/ρ有關(guān)；

與ζ即Ret有關(guān),14，層流區(qū)（Sokes區(qū)）ζ=24/Ret

，過渡區(qū)（Allen區(qū)）ζ=18.5/Ret0.6

，湍流區(qū)（Newton區(qū)）ζ=0.44

可查圖,也可用公式計算(φ=1)16

3.2.2重力沉降的應(yīng)用

根據(jù)作用于顆粒上的外力的不一同,沉降設(shè)備分為:重力沉降設(shè)備和離心沉降設(shè)備。利用重力沉降分離氣--固非均相混合物時，稱為降塵室；分離液-固非均相混合物時，稱為沉降槽。基本特征：體積大。一、降塵室

操作：在氣體從降塵室入口流向出口的過程中，氣體中的顆粒隨氣體向出口流動，同時向下沉降。如顆粒在到達(dá)降塵室出口前已沉到室底的集塵斗內(nèi)，則顆粒從氣體中分離出來，否則將被氣體帶出。含塵氣體凈化氣體顆粒降塵室操作示意圖uut

降塵室特點：結(jié)構(gòu)簡單，流動阻力小，但體積龐大，分離效率低，一般作預(yù)除塵用,適用于除去粒度>50μm的粗顆粒。注意：

氣體速度的選擇：降塵室中的氣體流速不能過高，應(yīng)保證氣體流動的雷諾數(shù)處于層流區(qū)，防止將已沉降下來的顆粒重新卷起。一般降塵室內(nèi)氣體速度應(yīng)不大于3m/s，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)要求除去的顆粒大小而定，對于易揚(yáng)起的粉塵（如淀粉、炭黑等），氣體速度應(yīng)低于1m/s。

二、沉降槽（增稠器）分離懸浮液，在中心距液面下0.3～1m處連續(xù)加料，清液往上走，稠液往下走，錐形底部有一緩慢旋轉(zhuǎn)的齒耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠漿從底部出口出去。（內(nèi)部沉降分為上部自由沉降和下部干擾沉降）。

大的增稠器直徑可達(dá)10～100m，深2.5～4m。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理，常見的污水處理就是一例。

三、分級器利用不同粒徑或不同密度的顆粒在流體中的沉降速度不同這一原理來實現(xiàn)它們分離的設(shè)備稱為分級器。將沉降速度不同的兩種顆粒傾倒到向上流動的水流中，若水的速度調(diào)整到在兩者的沉降速度之間，則沉降速度較小的那部分顆粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b兩種顆粒要分離，且兩種顆粒的直徑范圍都很大，則由于密度大而直徑小的顆粒與密度小而直徑大的顆?？赡芫哂邢嗤某两邓俣?，使兩者不能完全分離。3.2.3離心沉降

一、離心分離因數(shù)

對于兩相密度差較小，顆粒粒度較細(xì)的非均相物系，可利用顆粒作圓周運(yùn)動時的離心力以加快沉降過程。定義同一顆粒所受的離心力與重力之比為離心分離因數(shù)

式中為流體和顆粒的切線速度，m/s；R為旋轉(zhuǎn)半徑m；為旋轉(zhuǎn)角速度，。

f數(shù)值的大小是反映離心分離設(shè)備性能的重要指標(biāo)。若f

=1000，則說明同一顆粒在離心力場中受到的離心力是在重力場中受到的重力的1000倍，當(dāng)然大大加快沉降分離過程。24二、離心沉降速度只要把前面公式中的g用Rω2代替就行了。

Rω2稱為離心加速度。如在斯托克斯區(qū)：

三、旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器在工業(yè)上應(yīng)用已有近百年的歷史，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、操作方便、分離效率高等特點，目前仍是工業(yè)上常用的分離和除塵設(shè)備。26(1)基本結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)氣管、上圓筒、下部的圓錐筒、中央升氣管等組成。27(2)操作原理

旋風(fēng)分離器是利用離心沉降原理從氣流中分離出顆粒的設(shè)備。上部為圓筒形、下部為圓錐形；含塵氣體從圓筒上側(cè)的矩形進(jìn)氣管以切線方向進(jìn)入，藉此來獲得器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。氣體在器內(nèi)按螺旋形路線向器底旋轉(zhuǎn)，到達(dá)底部后折而向上，成為內(nèi)層的上旋的氣流，稱為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣體中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過程中，由于密度較大，受離心力的作用逐漸沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。28(3)旋風(fēng)分離器性能指標(biāo)評價旋風(fēng)分離器性能好壞的指標(biāo)主要有三項。i.臨界直徑

旋風(fēng)分離器能夠完全分離出來的最小顆粒直徑稱為臨界直徑。臨界直徑是評價旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)。μ:氣體的粘度；ρs:固體顆粒的密度；B:進(jìn)口管道的寬度；

Ne:一般0.5-3.0,對于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器為5；ui:氣體進(jìn)口速度。29

ii.分離效率(包括總效率和粒級效率）

總效率：即進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部粉塵能被分離出來的

粉塵質(zhì)量分率。C進(jìn)、C出分別為旋風(fēng)分離器入口和出口中的總含塵量g/m3。

總效率是工程上最常用的，也是最容易測定的分離效率。此表示法的最大缺點是不能表明旋風(fēng)分離器對各種尺寸顆粒的不同分離效果。

30iii.旋風(fēng)分離器的壓強(qiáng)降

壓強(qiáng)降是評價旋風(fēng)分離器性能好壞的重要指標(biāo)。當(dāng)氣體流經(jīng)旋風(fēng)分離器時，由于進(jìn)氣管、排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力、氣體流動時的局部阻力及氣體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動所產(chǎn)生的動能損失等，造成大量的能量消耗。這種能量的損失可用下式表示：

式中ui為進(jìn)口氣速，ζ為阻力系數(shù)。ζ與旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)，對于同一結(jié)構(gòu)形式及比例相同的旋風(fēng)分離器，ζ為常數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器阻力系數(shù)ζ=8.0

。通常旋風(fēng)分離器的阻力大約為500～2000Pa。31

旋風(fēng)分離器的構(gòu)造簡單，沒有運(yùn)動部件（設(shè)備不動，離心力是由切線進(jìn)入的氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動造成的），操作不受溫度、壓強(qiáng)的限制。一般其分離因數(shù)5-2500，可分離氣體中5-7μm直徑的粒子。d≥50μm用降塵室分離（經(jīng)濟(jì)），0.1μm＜d＜5μm

可用袋式除塵器，d＜5μm用電除塵器。

32

3.3流態(tài)化

流態(tài)化:固體顆粒在流體的帶動下能象流體那樣流動，并在某些方面具有流體的性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為流態(tài)化。流態(tài)化技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用的時間并不長，第一臺流化床催化裂化反應(yīng)器及第一臺硫鐵礦焙燒爐在五十年代才在工業(yè)上運(yùn)轉(zhuǎn)，但由于它有某些突出的優(yōu)點而很快得到推廣。主要優(yōu)點:床內(nèi)固體顆粒迅速混合，促進(jìn)床層溫度均勻，

特別適用于熱效應(yīng)大而對溫度敏感的過程。因而在氧化、裂解、焙燒、干燥等方面廣泛應(yīng)用。固體粒子易于往返輸送。如石油的催化裂化中用于催化劑輸送。氣固充分接觸。用于氣固相催化反應(yīng)，提高催化劑的有效系數(shù)，加快反應(yīng)速度，利于傳質(zhì)、傳熱過程。如干燥等可有較大的生產(chǎn)強(qiáng)度。33

主要缺點:存在強(qiáng)烈的返混。對氣固系統(tǒng)還存在明顯的不均勻性,如氣泡、節(jié)涌、溝流等,這些都引起氣固接觸時間的不均性,從而降低反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率,甚至產(chǎn)品的質(zhì)量。顆粒有相當(dāng)?shù)哪p而粉化,氣體夾帶也引起固體損失,需安裝旋風(fēng)分離設(shè)備。3.3.1

流態(tài)化現(xiàn)象

流固反應(yīng)器可分為:固定床、流化床。如流體流向從下向上,則會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？一、理想的流態(tài)化現(xiàn)象

設(shè)顆粒是均勻的。34固定床流速小,流體只通過靜止顆粒間的空隙。膨脹床流速較大,床層高度稍有膨脹,固體顆粒相互離開,有少量顆粒在一定區(qū)域內(nèi)振動和游動。臨界(起始)流化床流速更大,固體顆粒剛好懸浮在向上流動的流體中,床層認(rèn)為開始流化,臨界流化速度為umf。密相流化流速再大,懸浮的固體顆粒床層繼續(xù)膨脹,可觀察到一些固體顆粒被氣體夾帶而出,但床層還有一個清晰起伏的界面。稀相流化流速很大,流體流速與固體顆粒的重力沉降速度相等時,床層的界面消失,固體顆粒隨流體夾帶而出,稱稀相流化,用于顆粒輸送,流體的速度稱為帶出速度,即為ut。3536二、實際的流化現(xiàn)象

上面討論的是均勻顆粒,是理想的流化現(xiàn)象。實際的流化現(xiàn)象與上述有一定的差異。由于流體與顆粒的性質(zhì)、顆粒的尺寸及床層結(jié)構(gòu)、流速等條件的不同，流化床中可以出現(xiàn)兩種流化類型：散式流化和聚式流化。（1）散式流化

特點：固體顆粒均勻地分散在流動的流體中。當(dāng)流速增大時，床層逐漸膨脹而沒有氣泡產(chǎn)生，顆粒彼此分開，床層中各處的空隙率均勻增大，床層高度上升，并有一穩(wěn)定的上界面。

通常兩相密度差小的系統(tǒng)趨向散式流化，故大多數(shù)液-固流化屬于"散式流化"。

37（2）聚式流化

特點：床層中存在兩個不同的相。

一般來說，超過流化所需最小氣量的那部分氣體以氣泡形式通過流化床層，氣泡在床層上界面處破裂，造成上界面的波動，因此床層也不像散式流化那樣平穩(wěn)，流體通過床層的阻力的波動也較大。隨著氣體流量的增大，通過乳化相的流體流速幾乎不變，增加的氣量都以氣泡的形式通過床層，所以氣泡的尺寸和生成頻率增加，床層上界面和阻力的波動增大。

一般氣-固流態(tài)化系統(tǒng)多為聚式流化。

38三、聚式流化中的不正?，F(xiàn)象

（1）騰涌現(xiàn)象

主要發(fā)生在氣-固流化床中，如果床層高度與直徑的比值過大，或氣速過高時，就會發(fā)生小氣泡合并成為大氣泡的現(xiàn)象。當(dāng)氣泡直徑長到與床徑相等時，則將床層分成幾段，形成相互分開的氣泡和顆粒層。顆粒層象活塞那樣被氣泡向上推動，在達(dá)到床層上界面后氣泡崩裂，顆粒分散下落，這種現(xiàn)象稱為騰涌現(xiàn)象。

危害:a.床層氣溫度不均勻

b.轉(zhuǎn)化率下降

c.加速了固體與器壁的磨損3940（2）溝流現(xiàn)象

溝流是指氣體通過床層時形成短路，大量氣體沒有能與固體顆粒很好地接觸即穿過溝道上升。發(fā)生溝流現(xiàn)象時，床層內(nèi)密度分布不均勻，而且氣、固接觸不良，不利于氣、固間的傳質(zhì)、傳熱及化學(xué)反應(yīng)；同時部分床層變成死床，顆粒不懸浮在氣流中，故氣體通過床層的壓降較正常值低。

危害:a.造成死床，轉(zhuǎn)化率下降,反應(yīng)溫度不均勻。

b.局部反應(yīng)劇烈,破壞催化劑。4142（3）減少騰涌、溝流的措施采用適宜的氣體分布附加檔板等內(nèi)部構(gòu)件顆粒盡量大小均勻干燥433.3.2流化床的主要特性

（1）類似于液體的特性利用流化床的這種似液性，可以設(shè)計出不同的流-固接觸方式，易于實現(xiàn)過程的連續(xù)化與自動化。44（2）混合均勻:溫度均勻；濃度均勻。（3）壓降不變45流化床壓降的計算

A:空床橫截面積ρ:流體密度m:床層中顆粒總質(zhì)量ρs:固體顆粒密度

463.3.3起始流化速度(umf)

設(shè)流化床高L,空隙率為ε則

(1)

即為上圖中的bc線47一、Rep＜10

(前面講的是小于2,現(xiàn)放寬至10),根據(jù)前面的歐根公式，則以粘性力為主,即取第一項，第二項略：

(2)

即為上圖中的ab線起始流化點即為ab線和bc線的交點,則(1)、(2)中L=Lmf,u=umf,

ε=εmf，且(1)=(2)48

εmf是很難知道的,但實驗發(fā)現(xiàn)

則

(3)

49二、Rep＞100

根據(jù)前面的歐根公式，以慣性力為主,即第一項略，取第二項

（4）

且(4)=(1)u=umf,ε=εmf對許多不同系統(tǒng)的測定結(jié)