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1、5. 颗粒沉降与流态化5.1 概述本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动。在流固两相物系中，不管作为连续相的流体处于静止还是作莫种运动，只要固体颗粒的密度rP大于流体的密度r ，那么在重力场中，固体颗粒将在重力方向上与流体做相对运动，在离心力场中，则与流体作离心力方向上的相对运动。很多化工过程与此种相对运动相联系，例如：（1） 两相物系的沉降分别，其中依靠重力的称为重力沉降，依靠离心力的称为离心沉降。（2） 流固两相之间进展某种物理与化学过程，如固体物料的枯燥气流枯燥、喷雾枯燥、沸腾枯燥。（3） 固体颗粒的流淌输送。流固两相物系内的相对运动规律是上述各过程设计计算的根底。固体颗粒对流
2、体的相对运动规律与物理学中的自由落体运动规律的根本区分是后者不考虑流体对固 体运动的阻力。当固体尺寸较大时，阻力远小于重力，因而可以略去举苹果重力沉降例子。但当颗粒 尺寸较小时，或流体为液体时，阻力不容无视举细粉笔头或绿豆重力沉降离子。由此可见，对流固 两相物系中的相对运动的考察应从流体对颗粒运动的阻力着手。5.2 颗粒的沉降运动5.2.1 流体对固体颗粒的绕流前几章争论静止的固体壁面对流体流淌的阻力及由此产生的流体的机械能损失习惯称为阻力损失。本节将着重争论流体与固体颗粒相对运动时流体对颗粒的作用力曳力。流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种状况： 颗粒静止，流体对其做绕流； 流体静止，
3、颗粒作沉降运动； 颗粒与流体都运动，但保持肯定的相对运动。上述三种状况，只要颗粒与流体之间的相对运动速度一样，流体对颗粒的作用力曳力即阻力在本质上无区分，都是由于两者间相对运动造成的阻力。因此，可以第1种状况(绕流)为例来分析颗粒相对于流体作运动时所受的阻力。（1） 两种曳力外表曳力和形体曳力回忆第 1 章流体沿固体壁面流过的阻力气氛两类：表皮阻力即外表摩擦阻力和形体阻力边界层分别产生旋涡，绕流时颗粒受到流体的总曳力 FD=外表曳力+形体曳力。F与流体r 、 m 、相对流速u 有关，而且受颗粒的外形与定向的影响，问题较为D简单。至今，只有几何外形简洁的少数状况才可以得到 FD的理论计算式。例如
4、，粘性流体对球体的低速绕流也称爬流时FD的理论式即斯托克律Stokes定律为：F= 3pmd uDp当流速较高时，Sokes 定律不成立。因此，对一般流淌条件下的球形颗粒及其其他外形的颗粒，F 的D数值尚需通过试验解决。（2） 曳力阻力系数z对球形颗粒， FD= F (dp, u, r, m) 用因次分析并整理后可得1F= zADPru 22z = f(Re )PRe=d urpPmz与Re关系的试验测定结果见图。P图中球形颗粒(y= 1) 的曲线在不同的雷诺数范围内可用公式表示如下：Re 2 ，层流区，Sokes 定律区 z =245-6PRe2 ReP 500 ，过渡区，Allen 定律区
5、 z =18.55-7PRe0.6P500 ReP 2 105 ，湍流区，Newton 定律区 z 0.445-8留意ReP定义与第 1 章不同，特别流型Re 值亦不同！把z =24PRe代入式5-5得24124p1F=Aru 2 =d2ru 2= 3pmd uDReP 2Pd ur 4P2PPm说明在层流区试验结果与理论推导全都。其他区域的解同学们可结合有关内容自学把握。我这里着重说明的是Allen 定律z=18.5误差极大平均误差高达 15.5%，应当加以否认。陈文靖用多项式拟合Re 0.6p计算1 ReP 1000 区间内的z 值，平均误差仅 0.486%，该式形式如下：z= 26.51
6、 Re r ，颗粒在重力的作用下F= mg =gpd 3 r g6PPF =db613r gPp1F= zAru 2 = zd2ru 2依据牛顿其次定律得DP 24P2ppp1pdu F = F- F- F= ma =d 3 r g -d 3 r g - zd2ru 2 =d 3 rgbDdur- r6PP6P3z4P26PP dt或者 dt= (Pr P)g -4drPPru 2开头瞬间u = 0， dudt最大，颗粒作加速运动。提示：解习题 3 时要先查 20水r 、m ，用式5-19求ut代入上式积分得到t 的计算式。，算出ReP假设小于 2，z =24=Rep24d urPm式 5-1
7、6S = t udt求 S0 在气流枯燥器、喷雾枯燥器的设计中有着广泛的应用。教师将式5-16 中的 z 0.5 ReP 3000 用陈文靖的表达式计算，进而导出气流枯燥器和喷雾枯燥器的设计方程及算法。（2） 沉降的等速阶段随u ， Fd ,到某一数值ut时，式5-16右边等于零，此时 du = 0 ，颗粒将dt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。对小颗粒，沉降的加速段很短，加速度所经受的距离也很小。因此，对小颗粒沉降的加速度可以无视，而近似认为颗粒始终以ut（3） 颗粒的沉降速度u下降。t对球形颗粒，当 du = 0 时，由式5-16可得dt式中z = f(Re
8、Pu=4d(rPP- r)g3zrt) = f( d P ur )m与ReP得有关，也与ut有关，将不同区域的z 与ReP的关系式5-6式5-8分别带入上式，整理Re 2 ，层流区Sokes 区 u2 (rd=PP- r)gPt18mPP d 1.6 (r- r)g 0.7142 ReP 500 ，过渡区Allen 区 ut= 0.781d(r- r)gPPrr 0.4 m 0.6500 ReP 2 105 ，湍流区Newton 区 ut= 1.74因z 与ReP有关，故ut需用试差法求解试差步骤简介，有没有什么方法可以避开试差，请查阅其他教材，将查阅结果整理成书面材料用自己的语言表达于星期五
9、之前按时间次序取前3 名交给教师，期末成绩加 2 分。z 与Re的关系式用陈文靖拟合式表达更准确，但求uPt需编程计算，假设感兴趣的同学编译通过的程序于星期五之前按时间挨次取前3 名交给教师，期末成绩加 5 分。（4） 其他因素对沉降速度的影响干扰沉降端效应分子运动非球形颗粒5.3 沉降分别设备依据作用于颗粒上的外力不同，沉降分别设备可分为重力沉降和离心沉降两大类。5.3.1 重力沉降设备（1） 降尘式停留时间tr= AH qV沉降时间t= Httut trt，至少t= trt所以 AH = HquVt(降尘室设计原则)q= AuVt5-243qq含尘气体体积流量， mV/ s 。气速u =V
10、 ，一般u 应 50m m 的粗颗粒。u 颗粒的沉降速度，m / s 。u 应依据要分别的最小颗粒直径d打算。假设沉降处于 Stokes 定律区ttP,m in层流区，则du=P,min2 (rP- r)g5-25t18m对肯定物系， ut肯定，降尘室的处理力量只取决于降尘室的底面积，而与高度 H 无关，故降尘室应设计成扁平外形，或在室内设置多层水平隔板。设计型计算qV、 m 、 r 、 rP、dP,m in，计算。操作型计算、 m 、 r 、 r、d，核算q；或、q、 m 、 r 、 r，求d。PP,m inVVPP,min（2） 增稠器分别悬浮液，在中心距液面下 0.31 m 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渐渐移至下部中心，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 10100 m，深 2.54m为什么？。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。（3） 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别的设备称为分级器。将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流淌的水流中，假设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局部颗粒便被漂走分出。
