第四章颗粒与流体之间的相对运动

第四章颗粒与流体之间的相对运动本章学习目的与要求掌握颗粒与流体相对运动的基本理论，为食品流化加工、沉降分离加工等工艺设计、设备选型提供原理知识。要求学生掌握流体绕过颗粒以及颗粒在流体中沉浮的速度和阻力计算方法。分析并处理流化加工、气力输送、沉降和过虑中的工程实际问题。固定床阶段流化床阶段气力输送阶段4.1流体绕过颗粒及颗粒床层的流动受颗粒特性、流体特性的影响4.1.1颗粒床层的特性单颗粒特性球形和非球形（dev,des,dea,φs）非球形颗粒四个几何参数之间的关系？床层特性空隙率ε各向同性比表面积颗粒群的特性频率函数分布函数颗粒群的特性ipdidi-1d0ifpd粒径密度函数f0分布函数Fpd粒径ipdmaxd1.0iFA单颗粒的特性球形颗粒－直径dp非球形颗粒－当量直径（体积等效直径、表面积等效直径、比表面积等效直径）1体积等效直径：使当量球形颗粒的体积等于真实颗粒体积V则体积当量直径2表面积等效直径：使当量球形颗粒的表面积等于真实颗粒表面积S3比表面积等效直径：使当量球形颗粒的比表面积等于真实颗粒的比面积a6evd36Vdevesdsdesead6SVadea66表征非球形颗粒与球形颗粒的差异程度非球形颗粒的表面积的球的表面积与非球形颗粒体积相等＝球形度S体积相同时，球形颗粒的表面积最小，1S小于球形度eseedadSdV66323若已知体积当量直径devB颗粒群的特性任何颗粒群具有某种粒度分布对于大于70μm的颗粒，采用筛分分析。筛余量筛过量（筛过物）颗粒群的平均直径颗粒群具有的颗粒度分布，可用某个平均值或当量值来代替。通常以比表面积相等作为准则，实际颗粒的平均直径dmpiimdxd1Xi为第i筛号上的筛余量质量分数dpi为第i-1筛号与第i筛号筛分直径的算术平均值。C床层特性（1）床层的空隙率ε众多颗粒按某种方式堆积成固定床时，床层中颗粒堆积的疏密程度用ε表示。0.47～0.7床层总体积占体积）（床层总体积－颗粒所＝床层总体积床层空隙体积＝（2）各向同性工业上的小颗粒床层通常是乱堆的，若颗粒是非球形，各颗粒的定向应是随机的，从而可以认为床层是各向同性的床层截面上可供流体通过的空隙面积与床层截面之比在数值上＝ε壁效应：壁面附近的空隙率总是大于床层内部，因阻力较小，流体在近壁处的流速必大于床层内部。对于直径D较大可忽略，D/dp较小时，必须考虑(3)床层的比表面单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面如忽略因相互接触的减少)1(aaBBa颗粒的粒度愈小，则通道数目愈多，通道截面积也愈小粒度分布愈不均匀和表面愈粗糙的颗粒所形成的通道愈不规则4.1流体绕过颗粒及颗粒床层的流动4.1.2流体绕球形颗粒的流动阻力（曳力）ABC850u0ABC1400u0理想流体实际流体仿照管内流动22uAFpDFD——总曳力,NAp——颗粒在流体流动方向上的投影面积,m2ρ——流体密度,kg/m3U——流体的流速,m/sξ——曳力系数,无因次实验证明ξ是Re的函数ξ＝f(Rep)颗粒雷诺数的定义为Reppdudp——颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径）球形颗粒（φS＝1）在不同雷诺数范围内滞流区过渡区湍流区边界层内为湍流区5102Re500500Re11Reppp1.0102Re5p44.0Re5.18Re246.0pp修正雷诺数ζ－Rep关系4.1.3流体通过颗粒床层的压降固定床：当流体通过众多固体颗粒堆积而成的颗粒床层时，如果颗粒静止不动力，该床层就称为固定床。流体通过具有复杂几何边界的床层压降等同于流体通过一组当量直径为de长度为le的均匀圆管（即毛细管）的压降22eeeudlp流体的空塔流速u：塔内没有填充物时的流速，通过床层孔道的实际流速ue为uue2323)1()1(8uLauLape整理后得，定义床层雷诺数Reb)1(Reaub固定床层流动的摩擦系数欧根研究了与Reb的关系29.0Re17.4b欧根方程2323223322)1(75.1)1(150)1(29.0)1(17.4uLdLudpuLaLuappp对于非球形颗粒，以代替式中的dpesd欧根方程的误差为±25％，不适用于细长物体及环状填料4.2颗粒在流体中的流动4.2.1颗粒沉降受力及形态重力Fg；浮力Fb；曳力FDRep500Rep1（1）场力F重力场离心力场r为颗粒作圆周运动的旋转半径，ω,uT和m分别为颗粒的旋转角速度、切向速度和质量，对球形颗粒（2）浮力在数值上等于同体积流体在力场中所受到的场力。流体的密度为ρ重力场离心力（3）曳力FD（即固体颗粒在流体中相对运动时所产生的阻力）u为颗粒相对于流体的运动速度rmuTmrwFmgFcg/226/3ppdmpTpbpbrumrwmFmgF)/(//2222uAFpD受力分析沉降速度对球形颗粒，加速度为零时：4.2.2固体颗粒的沉降速度A自由沉降和沉降速度43pptdbDduFFFmdFgFbFD沉降速度滞流区（Rep≤1）：过渡区（1≤Rep≤500）：湍流区（500＜Rep＜2×105）：218pptdg571.60.40.60.154pptdg1.74pptdg斯托克斯公式、阿仑公式和牛顿公式B实际沉降速度考虑器壁和其他颗粒对沉降速度的影响，在实际沉降过程中，应考虑这些因素的影响，对沉降速度作修正。颗粒形状的影响容器壁的影响干扰沉降液滴或气泡沉降0022/3/2/135.75.21)1(/1.21iittttptttptuuuuDduuuu4.3固体流态化与气力输送固定床阶段流化床阶段气力输送阶段流化床：如果流体通过固定床层向上流动时，流速增加而且超过某一限度时，床层就要浮起，此时床层将具有许多固定床所没有的特性。这就是流化床。这种现象称为流态化。4.3.1固体流态化使微粒固体与气体或液体接触而转变成为类似流体状态的操作。A基本概念a流体经过固体颗粒床层流动时的三种状态固定床阶段流体以低流速向上流过颗粒床层时，为保持固定床状态，自下而上的最大空塔速度为：tuumax液化床阶段固体颗粒刚好悬浮在向上流动的流体中，床层被认为开始流化这时的床层称为临界流化床或初始流化床。这时的流速称为临界流化速度。速度继续增加，流化床阶段。mfu气力输送阶段速度增加，不能再有稳定的固体颗粒床层，固体颗粒随流体夹带流出，这时的流体流速称为带出速度。散式流化、聚式流化b流化床主要特性及流化类型(c)(d)(a)(b)pL(e)uuuuuu充分流态化时呈现类似液体的性质轻的物体浮起表面保持平衡固体颗粒自孔中喷出床面拉平简化模型压力降临界流化速度最大流化速度和流化操作速度B流化床的流体力学LuLeu表观速度ppmpgA2()1650epmfdgutfpuuu压力降与气速无关而始终保持定值，恒定压降是流化床重要优点，通过测量床层压降以判断床层流化的优劣。节涌：ΔP有大幅度的起伏波动。沟流：存在局部死床，比计算值低临界流化速度床层由均匀颗粒组成tmfuu非均匀颗粒组成20epR2()1650epmfdgu1000epRgduppmf)(202.0ppmpgA最大流化速度和流化操作速度当床层的空塔速度达到颗粒的沉降速度时，大量颗粒将被流体带出，该速度称为最大流化速度，也称为带出速度。tfpuuu粒子运动的绝对速度、垂直向上的流体速度、粒子的沉降速度若粒子“静止地”悬浮于流体中，此时流体速度称为颗粒悬浮速度，在数值上等于颗粒的沉降速度流化床最大流化速度，实质上就是颗粒的沉降速度，这是因为若流体速度大于粒子就会以很小的速度随气流带走。tfpuuu,0futfuupu球形颗粒4.04.0epepRR非球形颗粒乘以C滞流区，斯托克斯公式对ut校正，校正系数查图得065.0lg834.0sC流化操作速度在之间，工业上常用操作速度0.2－1.0m/s.流化数：操作速度与临界流化速度之比mfuuktmfuu与流化技术在食品工业中的应用FluidizedheatingorcoolingFluidizeddryingFluidizedgranulationC常见流化床设备ConicbottomedFlatbottomedHorizontaldryingchambers4.3.2气力输送当流体速度增大至等于或大于固体颗粒的带出速度时，则颗粒在流体中形成悬浮状态的稀相，并随流体一起带出，称为气力输送或水力输送。根据颗粒在输送管内的密集程度不同，气力输送分为稀相输送和密相输送。衡量管内颗粒密集程度的常用参数是单位管道容积含有的颗粒质量，即颗粒的松密度。气力输送中，单位时间被输送物料的质量与输送空气的质量之比，称为混合比，也称为固气比，以R表示。输送空气的质量流量被输送物料的质量流量asGGRConicbottomedFlatbottomedHorizontaldryingchambers风机料仓进料段颗粒加速段膨胀段密相稀相弯管加速区高磨损区气－固分离气力输送原理气源颗粒进料与加速段稳定输送阶段气源气固分离器气力输送输送气流速度与流动状态的关系气力输送气体输送类型及装置吸引式低真空吸引气源真空度13kPa高真空吸引气源真空度0.06kPa气力输送压送式气源表压0.05－0.2MPa4.4非均相混合物的分离均相混合物：凡物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面。非均相混合物：凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同。如悬浮液、乳浊液、含尘气体。非均相混合物中，处于分散状态的物质——分散质，分散相包围着分散质而处于连续状态的物质——分散介质4.4.1沉降降尘室依靠某种力的作用，利用分散质与分散介质的密度差，使之发生相对运动而分离的过程，重力沉降与离心沉降降尘室工作原理ttHutr停留时间：颗粒被分离出的条件：沉降时间：rLu尘粒在降尘室内的运动状态tvvuABLqBHqu0代入将重力沉降应用气体的除尘悬浮液的增稠固体物料的分级固体物料的分类分级原理示意图2.沉降器（槽）形状——方形或锥形的沉降槽，沉淀池或长槽操作方式——间歇式，半连续式或连续式清液向上流速沉降条件沉降器面积生产能力tRtRtLRLuACCGQuCCGAuuACCGu000000000)()()(30R00/A/C/C/mkgmkgkgkgkgskgG－清液的密度－沉降面积－增浓液中含清液量－料液中含清液量料液中固体的质量流量干固物清液量干固物清液量干固物B离心沉降离心沉降速度243ppTrduuruT为切向速度离心分离因素：22TcruKggrKc越大，设备分离效果越好2218)(rwduppr滞流离心沉降设备旋风分离结构与操作原理一般用来除去气流中直径中直径5μm以上的颗粒，而不适用于处理黏性粉尘，含湿量高的粉尘及腐蚀性粉尘。直径200μm以上的粗大颗粒，先用重力沉降法除去。评价旋风分离器：气体经过旋风分离器的压降，分离效率压强降进口气速ui保持在15－25m/s一般阻力系数为常数5－8，压强降500－2000pa22iup旋风分离的性能临界直径分离效率总效率粒级效率9ceipBdNu1201ccc121iipiicccC1、C2分别为旋风分离器进、出口气体含尘浓度C1i、C2i分别为进、出口气体中粒径在第i小段范围内的颗粒浓度分类按分离因素分为3类