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1、5.顆 粒 的 沉 降 和 流 態(tài) 化 5.1 概 述 5.2顆 粒 的 沉 降 運(yùn) 動(dòng) 5.3沉 降 分 離 設(shè) 備5.4固 體 流 態(tài) 化 技 術(shù)5.5氣 力 輸 送 在流體與顆粒組成的非均相物系中，考察流體(連續(xù)相)與顆粒間（分散相）的相對運(yùn)動(dòng)。包括：顆粒靜止，流體對其繞流；流體靜止，顆粒作沉降運(yùn)動(dòng)；兩者都動(dòng)但具有一定的相對速度?？杉僭O(shè)顆粒靜止，流體以一定的速度對之作繞流；流體靜止，顆粒在流體中運(yùn)動(dòng)，分析流體對顆粒的作用力化工過程：兩相物系的沉降 重力沉降和離心沉降(Settling)固體物料的干燥(Dryness)等物理化學(xué)過程固體顆粒的輸送(Transportation) 5.2.1

2、流體對固體顆粒的繞流動(dòng) (1)曳力(Drag)與阻力(Residence)的關(guān)系當(dāng)流體以一定速度繞過顆粒流動(dòng)時(shí)，流體與顆粒之間產(chǎn)生一對大小相等、方向相反的作用力，將流體作用于顆粒上的力稱為曳力，而將顆粒作用于流體上的力稱為阻力。 5-1圖為流體流過固體時(shí)，固體表面的受力情況。一般，總曳力由形體曳力和表面曳力兩部分組成。工程上大都將形體曳力和表面曳力合在一起，即研究總曳力。 dAdApF A A wD sincos 總 曳 力 ： dAdApdF wD sincos 顆 粒 微 元 ： 形體曳力和表面曳力的影響因素: 為壓力改變所導(dǎo)致的曳力，主要取決于顆粒的形狀和位向，稱為形體曳力；而 則是由于

3、流體和顆粒表面的摩擦所導(dǎo)致的曳力，主要由顆粒表面積的大小決定，稱為表面曳力。 dAdApdF wD sincos 顆 粒 微 元 ： dAdApF A A wD sincos 總 曳 力 ： (2)曳力系數(shù) 關(guān) 系 由 實(shí) 驗(yàn) 測 定 雷 諾 準(zhǔn) 數(shù)p ppd duduuA FRe Re)(Re)(22 44.0102Re500)()3( Re 5.18500Re2)()2( Re242Re)()1( 1 5 6.0 t pp ppNewtonAllenStokes 區(qū)湍 流 區(qū) 區(qū)過 渡 區(qū) 區(qū)層 流 區(qū)對 球 形 顆 粒 2 顆粒在流體中的流動(dòng) 在力場中，流體中的顆粒受到三個(gè)力的作用：(1

4、)質(zhì)量力 ,通常為重力或離心力。其大小可表示為： 重力場Fg=mg 離心力場FC=mr2 球形顆粒 m=dp3p/6(2)浮力Fb，依阿基米德定律，浮力在數(shù)值上等于同體積流體在力場中所受的場力，故 重力場 F b= mg / P 離心力FC=mr2 / P(3)曳力FD smu mdAA uAF gdF gdF PPPD b sg /,.4. )(. )(266 222 33 速 度顆 粒 相 對 于 流 體 的 沉 降 向 的 平 面 上 的 投 影 面 積顆 粒 在 垂 直 于 其 運(yùn) 動(dòng) 方無 因 次阻 力 系 數(shù) 與 顆 粒 運(yùn) 動(dòng) 方 向 相 反阻 力 方 向 向 上浮 力 方 向

5、向 上重 力 方 向 向 下 )(3 )(4 0,043)( 624)(6 : ,0 2 3223 tpppt tDbg ppp p pppp Dbg udgdu dduuFFF udgddu ddudddumudgd dduFFF 顆 粒 的 沉 降 速 度 速 度 即 為此 顆 粒 與 流 體 間 的 相 對顆 粒 呈 勻 速 降 落時(shí)當(dāng)根 據(jù) 牛 頓 第 二 定 律 有 其 加 速 度 為顆 粒 呈 加 速 降 落時(shí)當(dāng) 在 靜 止 流 體 中 的 沉 降 ：討 論 在 重 力 作 用 下 顆 粒 gduNewton gduStokes spt tspt pt )(74.144.0 102

6、Re500)2( 18 )( Re242Re)1( 52 區(qū)沉 降 速 度區(qū) 顆 粒 在 力 場 中 的 運(yùn) 動(dòng) 階 段 分 為 兩 個(gè) 階 段 ： 加 速 段 和 恒 速 段 。 隨 著 顆 粒 運(yùn) 動(dòng) 速 度 的 增 大 ， 顆 粒 所 受 的 曳 力 也不 斷 增 大 ， 必 存 在 某 一 時(shí) 刻 使 顆 粒 所 受 的 諸 力 之 和為 零 ， 從 此 時(shí) 起 ， 顆 粒 將 在 流 體 中 作 勻 速 運(yùn) 動(dòng) ， 這時(shí) 顆 粒 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 稱 為 終 端 速 度 。 stokes區(qū) ut d2 說 明 同 一 物 系 ， 大 顆 粒 易 沉 降 ； ut 1/ 在 同 一

7、物 系 ， 不 同 的 操 作 條 件 （ t不 同 ） 氣 -固 tut 液 -固 tut 即 高 溫 對 氣 -固 分 離 不 利 ， 對 液 -固 分 離 有 利 ut （ s-）與 流 速 平 方 成 正 比 。湍 流 時(shí) ：與 流 速 一 次 方 成 正 比 。層 流 時(shí) ： 22222 222 055.02444.02 324242 tptppD pttptptpD ududuAF duududuAF 5.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降 目的：從含有固體顆粒的流體中將固體和液體分離開 基本原理：利用流體和顆粒之間的密度差，在質(zhì)量力的作用下使顆粒與流體之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)兩者的

8、分離。 沉降的分類：重力沉降和離心沉降。1.重力沉降速度的計(jì)算1) 單個(gè)球形顆粒的自由沉降顆粒在重力場中沉降可只考慮恒速段，這個(gè)恒定的速度就是顆粒在重力場中運(yùn)動(dòng)的終端速度，稱為沉降速度。 試差法計(jì)算顆粒的沉降速度 計(jì)算步驟為：先假設(shè)沉降屬于某一區(qū)域，按此區(qū)內(nèi)的公式求出ut，再核算Rep以校驗(yàn)最初的假設(shè)是否正確，如不正確，需重新試算。 2)非球形顆粒的自由沉降 球形度影響顆粒的沉降速度。當(dāng)Rep相同時(shí)，顆粒的球形度越小，其沉降速度也越小。3)大小不均勻顆粒的沉降 為使顆粒與流體達(dá)到規(guī)定分離程度，在計(jì)算沉降速度時(shí)，應(yīng)以能夠達(dá)到規(guī)定分離程度的最小顆粒的沉降速度為準(zhǔn)。4) 影響沉降速度的其他因素 主要

9、要考慮端效應(yīng)和壁效應(yīng)、顆粒濃度（干擾沉降）、氣泡和液滴及分子運(yùn)動(dòng)的影響。 2 干擾沉降 當(dāng)流體中顆粒的含量較大時(shí)，顆粒沉降時(shí)彼此影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降時(shí)一方面由于大量顆粒向下沉降而使流體被置換而產(chǎn)生顯著的向上運(yùn)動(dòng)，造成顆粒沉降速度小于自由沉降速度，另一方面，大量顆粒的存在，也使流體的表觀密度和表觀粘度（即混合物的密度和粘度）都增大，所有這些因素都使顆粒的沉降速度減小。 壁效應(yīng)和端效應(yīng) 當(dāng)顆粒直徑 與容器直徑D相比不算太小時(shí)，容器壁面會(huì)對顆粒的沉降產(chǎn)生影響，使其受到較大的曳力。一般d p/D 0.01時(shí)，就顯出器壁的影響，使沉降速度減小。 3 流體分子運(yùn)動(dòng)的影響 當(dāng)顆粒直徑小到可與

10、流體分子的平均自由程相比擬時(shí)（如23m以下），顆粒作不定向和隨機(jī)性運(yùn)動(dòng)，它們可穿過流體分子的間隙，使沉降速度大于斯托克斯定律計(jì)算的數(shù)值。另一方面，細(xì)顆粒的沉降將受流體分子碰撞的影響，當(dāng)顆粒直徑小于0.1m時(shí)，布朗運(yùn)動(dòng)的影響起主要作用，難以用重力沉降法除去流體中的顆粒。 4 氣泡和液滴的運(yùn)動(dòng) 液滴與氣泡在流動(dòng)中會(huì)變形和產(chǎn)生內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)。它們在流動(dòng)時(shí)受到形體曳力的作用而有壓扁的趨向，而表面張力的存在則有會(huì)使其保持球形狀。當(dāng)顆粒尺寸較小（如小于0.5mm左右）時(shí)，由于單位體積的表面能很大，幾乎保持球形，則可用前述計(jì)算公式來求沉降或浮升速度；當(dāng)顆粒尺寸較大時(shí)，由于液滴或氣泡在曳力作用下的變形及其內(nèi)部的

11、流體產(chǎn)生循環(huán)運(yùn)動(dòng)的影響，都將影響到曳力系數(shù)和沉降速度，因此，就與剛性的固體顆粒有所不同，前述公式不再適用，應(yīng)該參閱有關(guān)資料來考慮。 5.3.1 重力沉降設(shè)備（降塵室；沉降槽） 基本特征：體積大。利用重力沉降分離氣固非均相混合物時(shí)，稱為降塵室，分離液固非均相混合物時(shí)，稱為沉降槽。1. 降塵室 作用：分離氣體中塵粒的重力沉降設(shè)備。 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(dòng)，同時(shí)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。這是一個(gè)大空箱，含塵氣體從一端進(jìn)入，以流速u水平通過降塵室，塵埃以自由沉降速度u t 向室底沉降

12、，只要能保證氣體在室內(nèi)停留時(shí)間足夠長，以便顆粒達(dá)到室底面，便能在出口得到凈化的氣體。 假設(shè)降塵室的底面積和高分別用A、H表示。氣體在降塵室的水平通過速度為u, m/s 降塵室的生產(chǎn)能力(含塵氣體在室內(nèi)的體積流量)為qV, m3/s 任一顆粒在室內(nèi)的停留時(shí)間為：r=AH/ qV位于降塵室最高點(diǎn)顆粒沉到室底所需時(shí)間： t =H/ut顆粒在降塵室中能被分離下來的條件為：沉降條件 r t 或 AH/ qV H/ut 或qVA ut為什么降塵室多做成扁平狀？理論上 降塵室的生產(chǎn)能力只與降塵室的長度、寬度及沉降速度ut有關(guān)，與降塵室高度無關(guān)。因此不必將設(shè)備做得太高。所以降塵室一般采用扁平的幾何形狀，也可在

13、室內(nèi)加多層隔板，形成多層降塵室。常用的隔板間距為40100mm qV= (n+1) A底 ut n為隔板數(shù)解題時(shí)，由qV 、 A底可求出能分離的最小顆粒直徑dmin 降 塵 室 特 點(diǎn) ：結(jié)構(gòu)簡單，流動(dòng)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50m的粗顆粒。 注意： a. 設(shè)計(jì)時(shí)顆粒直徑的選擇：以上分析是基于顆粒在降塵室頂端能被分離的條件，顯然，在此條件下，處于其他位置的同直徑顆粒也都能被除去。由于所處理的氣體中粉塵顆粒的大小不均，因此，作設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以所需分離的最小顆粒直徑為基準(zhǔn)。 b. 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(dòng)的雷諾數(shù)處于層流區(qū)，防止將已

14、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。 降塵室結(jié)構(gòu)簡單、阻力小，但體積龐大、分離效率低，只適合于分離直徑在75m以上的粗粒，一般作預(yù)除塵用。 2 沉 降 槽利用重力沉降分離懸浮液的設(shè)備稱為沉降槽。沉降槽通 常只能用于分離出不很細(xì)的顆粒，得到的是清液與含50%左右固體顆粒的增稠液，所以這種設(shè)備也稱為增稠器。 3 增 稠 器有澄清液體和增稠懸浮液的的雙重功能，清夜產(chǎn)率取決于增稠器的直徑，顆粒的停留時(shí)間取決于進(jìn)口管以下增稠器的深度 離心沉降的目的：對密度小或直徑較小的顆粒，因其質(zhì)

15、量力較小，很難用重力沉降法從流體中除去。此時(shí)可采用離心沉降法。工業(yè)上應(yīng)用的離心沉降設(shè)備有兩種型式：旋分分離器和離心機(jī)。離心沉降原理示意 離心沉降利用沉降設(shè)備使流體和顆粒旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，由于流體和顆粒間存在密度差，所以顆粒沿徑向與流體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，從而使顆粒和流體分離。由于在高速旋轉(zhuǎn)的流體中，顆粒所受的離心力比重力大得多，且可依需要調(diào)節(jié)，所以其分離效果好于重力沉降。 離心沉降與重力沉降有何不同？ 顆粒質(zhì)量一定，重力沉降速度是恒定的，而離心沉降速度卻隨旋轉(zhuǎn)半徑及旋轉(zhuǎn)速度的不同而發(fā)生變化；另一個(gè)區(qū)別在于：重力沉降的方向向下，而離心沉降方向?yàn)殡x心方向。 離心分離因素是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)

16、離心分離因素是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)。在某些高速的離心機(jī)上，分離因數(shù)可高達(dá)數(shù)十萬。對于本節(jié)將要討論的旋風(fēng)分離器和旋液分離器來說，分離因數(shù)雖不如離心機(jī)那么大，但其效能已遠(yuǎn)較重力沉降設(shè)備高。如，當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑0.4m，顆粒旋轉(zhuǎn)速度u=20m/s，則分離因數(shù) a=102。 流 體 和 顆 粒 的 切 向 速 度離 心 分 離 因 素重 力 之 比 ：同 一 顆 粒 所 受 離 心 力 與. .22ru grugra 1 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(jià)低廉、操作方便、分離效率高等特點(diǎn)，目前仍是工業(yè)上常用的分離和除塵設(shè)備?；?本 結(jié) 構(gòu) ：見圖。它是一種最簡單

17、的旋風(fēng)分離器，主要由進(jìn)氣管、上圓筒、下部的圓錐筒、中央升氣管組成。 操作原理：含塵氣體從進(jìn)氣管沿切向進(jìn)入，受圓筒壁的約束旋轉(zhuǎn)，做向下的螺旋運(yùn)動(dòng)，氣體中的粉塵隨氣體旋轉(zhuǎn)向下，同時(shí)在離心力的作用下向器壁移動(dòng)，沿器壁落下，沿錐底排入灰斗；氣體旋轉(zhuǎn)向下到達(dá)圓錐底部附近時(shí)轉(zhuǎn)入中心升氣管而旋轉(zhuǎn)向上，最后從頂部排出。旋風(fēng)分離器的性能 評價(jià)旋風(fēng)分離器性能好壞的指標(biāo)主要有三項(xiàng)： (a)臨界直徑 (b）分離效率：包括總效率 和分級效率（粒級效率） 。 (c)旋風(fēng)分離器的壓強(qiáng)降（阻力） (a)旋風(fēng)分離器的臨界直徑 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(jià)旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)。

18、 (b）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 ?？傂适枪こ躺献畛Ｓ玫?，也是最容易測定的分離效率。此表示法的最大缺點(diǎn)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。 分級效率 是按顆粒的大小分別表示某一尺寸的顆粒被分離的效率，一般按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算。進(jìn) 出進(jìn) C CCo 進(jìn) 出進(jìn) i iii C CC 有時(shí)也把旋風(fēng)分離器的分級效率 標(biāo)繪成粒徑比 的函數(shù)曲線， d50是分級效率恰為50%的顆粒直徑，稱為分割粒徑(dpc 或 d50)。圖5-12為標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的 曲線，對于同一形式

19、且尺寸及比例相同的旋風(fēng)分離器，無論大小，皆可通用同一條曲線。 旋風(fēng)分離器的總效率O，不僅取決于各種尺寸顆粒的分級效率，而且取決于氣流中所含塵粒的粒度分布。如果已知?dú)饬髦袎m粒的質(zhì)量分率x i，且又知分級效率曲線，則可按下式計(jì)算總效率，即： 圖 5-12 (c)旋風(fēng)分離器的壓強(qiáng)降 壓強(qiáng)降是評價(jià)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(shí)，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(dòng)時(shí)的局部阻力及氣體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)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 u 為進(jìn)口氣速，為阻力系數(shù)。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，為

20、常數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器阻力系數(shù)=8.0 通常旋風(fēng)分離器的阻力大約為5002000Pa。 旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣口方向 ：切向進(jìn)口、傾斜螺旋面進(jìn)口、蝸殼形進(jìn)口及軸向進(jìn)口。由于切向進(jìn)口方式簡單，使用較多；傾斜面進(jìn)口，便于使流體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后產(chǎn)生向下的螺旋運(yùn)動(dòng)，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造都不太方便，近年來已較少使用；蝸殼形進(jìn)口可以減小氣體對筒體內(nèi)氣流的沖擊干擾，有利于顆粒的沉降，加工制造也較為方便，因此也是一種較好的進(jìn)口方式。軸向進(jìn)口常用于多管式旋風(fēng)分離器，為使氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，在筒體與排氣管之間設(shè)有各種形式的葉片。 旋風(fēng)分離器的常用型式 ：標(biāo)準(zhǔn)型、CLT、CLT/A、CLP標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器各部位尺寸比例如

21、圖示。結(jié)構(gòu)簡單，容易制造、處理量大，適用于捕集密度大且顆粒尺寸也較大的粉塵。 擴(kuò)散式圓筒下部為一上小下大的外殼，底部有一中央帶孔的倒錐形分隔屏，氣流在其上部轉(zhuǎn)向排氣管，少量氣體在分隔屏與外殼之間的環(huán)隙，將粉塵送入灰斗后，再從中央小孔上升，就減少了粉塵重新卷起的可能性，提高分離效率。這種形式的旋風(fēng)分離器適用于凈化顆粒濃度較高的氣體。 5-14 CLP型CLP型采用蝸殼式進(jìn)口，進(jìn)氣口位置較低且?guī)в信月贩蛛x室。根據(jù)器體及分離室的形狀不同，又分為A型和B型。圖示為CLP/B型。含塵氣體進(jìn)入分離器后即分成上、下兩股旋流，較大的顆粒隨旋轉(zhuǎn)向下的主氣流運(yùn)動(dòng)，達(dá)到筒壁落下；細(xì)微塵粒則由一小股旋轉(zhuǎn)向上的氣流帶到

22、頂部，在筒蓋下面形成強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的灰塵環(huán)，促進(jìn)細(xì)微塵粒的聚結(jié)，然后由氣流攜帶經(jīng)旁路分離室下行，沿切向進(jìn)入主體下部，粉塵沿壁面落入灰斗，氣體則與內(nèi)部主氣流匯合。 2 離 心 機(jī) 利用慣性離心力分離非均相混合物的機(jī)械，除了旋風(fēng)（液）分離器外，更重要的的是離心機(jī)。離心機(jī)分離的混合物中至少有一種是液體，即為懸浮液或乳濁液。它與旋風(fēng)（液）分離器的主要區(qū)別在于離心機(jī)是由設(shè)備（轉(zhuǎn)鼓）本身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，而旋風(fēng)（液）分離器則是由被分離的混合物以切線方向進(jìn)入設(shè)備而引起。 離心機(jī)的主要部件是一個(gè)載著物料以高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓，產(chǎn)生的應(yīng)力很大。離心機(jī)由于可產(chǎn)生很大的離心力，故可以分離出容易用一般過濾方法不能除去的小顆粒，又

23、可以分離包含兩種密度不同的液體的混合物。離心機(jī)的分離因數(shù)也很大，例如懸浮液用過濾方法處理若需1小時(shí)，用離心分離只需幾分鐘，而且可以得到比較干的固體渣。 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓直徑越大、轉(zhuǎn)速越大，離心力就越大，分離因數(shù)a越大。(對照：旋風(fēng)分離器直徑小，則分離性能好)離心機(jī)按離心力的大小可分為：常速（a50000)。按分離方式分為：過濾式離心機(jī)：鼓壁上開孔，覆以濾布，懸浮液注入其中隨之旋轉(zhuǎn)。液體受離心力后穿過濾布及鼓壁上的小孔排出，而固體顆粒則截留在濾布上。用于乳濁液的分離。非均相混合物被鼓帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，密度大的趨向器壁運(yùn)動(dòng)，密度小的集中在中央，分別從靠近外周和位于中央的溢流口流出。沉降式離心機(jī)：鼓壁上無孔，懸

24、浮液中顆粒直徑很小而濃度不大，則沉降到鼓壁上到一定厚度之后將其取出，清夜則常從鼓 的上方的開口溢流而出。 典型的國產(chǎn)離心機(jī)：三足式離心機(jī)（轉(zhuǎn)鼓式間歇離心機(jī)）、轉(zhuǎn)鼓式自動(dòng)卸料連續(xù)離心機(jī)（臥式刮刀卸料離心機(jī)）和管式高速離心機(jī)等。三足式離心機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的一種間歇離心機(jī)。轉(zhuǎn)鼓又稱濾筐，是直立的，開口向上，從底部帶動(dòng)。機(jī)的外殼、轉(zhuǎn)鼓和傳動(dòng)裝置都懸在三個(gè)支柱上。機(jī)蓋打開后，料漿經(jīng)加料管送入；機(jī)殼關(guān)閉后才能運(yùn)轉(zhuǎn)，從鼓壁上的小孔甩出的液體集中于機(jī)殼的底部，用管子連續(xù)地引出。直徑一般多在1m以下，轉(zhuǎn)速每分鐘幾百至一千多轉(zhuǎn)，離心因數(shù)一般在6001200。 5.4 固 體 流 態(tài) 化 (Fluidization

25、)技 術(shù)流態(tài)化及氣力輸送技術(shù)目前已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。5.4.1 流化床的基本概念在垂直裝填有固體顆粒的床層中，流體自下而上通過顆粒床層，隨著流速從小到大變化，床層將出現(xiàn)下述三種不同的狀態(tài)。 （1） 固定床階段 特點(diǎn)：流體通過床層的流速較低；流體對顆粒的曳力較小，顆粒之間緊密相接，靜止不動(dòng)；床層高度不變；流體通過床層的阻力隨流速的增加而增大，其關(guān)系可以用歐根公式表示，如圖（a）。（2）流化床階段 特點(diǎn)：當(dāng)流體速度增加到一定值時(shí)，流體對顆粒的曳力增加到與顆粒的凈重力（重力減去浮力）相等，或者說流體通過床層的阻力等于單位截面床層的重量時(shí)，顆粒開始浮動(dòng)，但仍未脫離原來的位置，如圖 (b)。此時(shí)流體在

26、床層空隙中的流速等于顆粒的沉降速度。若在此狀態(tài)時(shí)再稍稍增大流速，顆粒便互相離開，床層的高度也會(huì)有所提高，則這時(shí)的狀態(tài)稱為起始流化狀態(tài)或臨界流化狀態(tài)，對應(yīng)的流速稱為起始流化速度或最小流化速度 。 在臨界流化狀態(tài)時(shí)，若繼續(xù)增大流速，則顆粒間的距離增大，顆粒在床層中進(jìn)行劇烈的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)階段稱為流化床階段。在此階段，隨著流體空床流速的增加，床層高度增高，床層的空隙率也增大，使顆粒間的流體流速保持不變；同時(shí)，床層的阻力卻幾乎保持不變，等于單位截面床層的重量。流化床階段還有一個(gè)特點(diǎn)是床層有明顯的上界面，如圖（c、d）所示（3）氣力（或液力）輸送階段 特點(diǎn)：當(dāng)流體流速增加到等于顆粒的沉降速度時(shí)，顆粒被流

27、體帶出器外，床層的上界面消失，此時(shí)的流速稱為流化床的帶出速度，流速高于帶出速度后為流體輸送階段，如圖（e）所示。 5.4.2 實(shí) 際 的 流 化 現(xiàn) 象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。當(dāng)設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不當(dāng)時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)以下兩種不正?，F(xiàn)象。（1） 散式流化 特點(diǎn)：固體顆粒均勻地分散在流動(dòng)的流體中。當(dāng)流速增大時(shí)，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。 （2） 聚式流化 特點(diǎn)：床層中存在兩

28、個(gè)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)增大。 一般氣-固流態(tài)化系統(tǒng)多為聚式流化。 騰涌(Slugging)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(shí)，就會(huì)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(shí)，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

29、上推動(dòng)，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。 溝流(Channeling)現(xiàn)象 溝流是指氣體通過床層時(shí)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(shí)，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(shí)部分床層變成死床，這部分床層的空隙率很大，顆粒不懸浮在氣流中，故氣體通過床層的壓降較正常值（即單位床層截面的重量）低。 5.4.3 流 化 床 的 主 要 特 性流 化 床 中 的 流 -固 運(yùn) 動(dòng) 很 象 沸 騰 著 的 液 體 ， 并 且 在 很 多方 面 表 現(xiàn) 出 類 似 于 液 體 的 性 質(zhì) ，

30、如 圖 所 示 。 5-24 （ 1） 密度比床層密度小的物體能浮在床層上面，見圖(a)；（2） 床層傾斜，床層表面仍能保持水平，見圖(b)；（3） 床層中任意兩截面間的壓差可用靜力學(xué)關(guān)系式表示（p=gL,其中和L分別為床層的密度的高度），見圖（c）； （4） 有流動(dòng)性，顆粒能像液體一樣從器壁小孔流出，見圖（d）；（5） 聯(lián)通兩個(gè)高度不同的床層時(shí)，床層能自動(dòng)調(diào)整平衡，見圖（e）。 利用流化床的這種似液性，可以設(shè)計(jì)出不同的流-固接觸方式，易于實(shí)現(xiàn)過程的連續(xù)化與自動(dòng)化。流化床階段床層的阻力有什么特點(diǎn)？ 流化床階段床層阻力恒等于單位截面床層顆粒凈重力 。 流 體 通 過 流 化 床 的 阻 力 流體

31、通過顆粒床層的阻力與流體表觀流速（空床流速）之間的關(guān)系可由實(shí)驗(yàn)測得。 圖是以空氣通過砂粒堆積的床層測得的床層阻力與空床氣速之間的關(guān)系。由圖可見，最初流體速度較小時(shí)，床層內(nèi)固體顆粒靜止不動(dòng)，屬固定床階段，在此階段，床層阻力與流體速度間的關(guān)系符合歐根方程；當(dāng)流體速度達(dá)到最小流化速度后，床層處于流化床階段，在此階段，床層阻力基本上保持恒定。 5.4.4 流 化 床 的 操 作 范 圍 流 化 床 操 作 氣 速 應(yīng) 如 何 選 擇 ？ 流化床的正常操作范圍為氣速高于臨界流化速度umf ，低于顆粒的帶出速度 ut（即沉降速度，流化床操作范圍的上限）。當(dāng)粒度不均勻的混合顆粒進(jìn)行流化時(shí)，計(jì)算臨界流化速度時(shí)

32、應(yīng)該用顆粒的平均直徑，而計(jì)算帶出速度時(shí)，則必須用較小顆粒的直徑。對于細(xì)顆粒u t/ umf =91.6 對于大顆粒ut/ umf =8.61 5.5 氣 力 輸 送5.5.1 概 述 當(dāng)流體自下而上通過顆粒床層時(shí)，流體的速度增加到流體對顆粒的曳力大于顆粒所受的凈重力，則顆粒將被流體從床層帶出而與流體一起流動(dòng)，這種過程稱為顆粒的流體輸送。 利用氣體進(jìn)行顆粒輸送的過程即為氣力輸送，最常用的輸送介質(zhì)是空氣，對于易燃、易爆的物料，可用氮?dú)獾榷栊詺怏w輸送。 氣力輸送的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1） 系統(tǒng)密閉，可避免物料飛揚(yáng)，減少物料損失，改善勞動(dòng)條件； （2） 輸送管線受地形與設(shè)備布置的限制小，在無法鋪設(shè)道路或安裝

33、輸送機(jī)械的地方選擇氣力輸送尤為適宜；（3） 在輸送同時(shí)易于進(jìn)行物料的干燥、加熱、冷卻等操作（4） 設(shè)備緊湊，易于實(shí)現(xiàn)過程的連續(xù)化與自動(dòng)化，便于與連續(xù)的生產(chǎn)過程銜接。 5.5.2氣 力 輸 送 的 裝 置根據(jù)顆粒在管內(nèi)的密集程度不同，可將氣力輸送分為稀相輸送和密相輸送。一般用固氣比的大小來衡量顆粒在管內(nèi)的密集程度，固氣比即單位質(zhì)量氣體所輸送的固體質(zhì)量，用R=M/G表示。稀相輸送 固氣比在25以下（通常為 ）時(shí)的氣力輸送為稀相輸送。它的輸送距離不長，一般為100m以下，目前在我國應(yīng)用較多。在稀相輸送中氣流的速度較高（一般為1830m/s），顆粒呈懸浮狀態(tài)。稀相輸送裝置主要有真空吸引式和低壓壓送式兩

34、種。密相輸送 固氣比大于25的輸送為密相輸送。它用高壓氣體壓送物料，氣源表壓可高達(dá)0.7MPa，常用的設(shè)備分充氣式和脈沖式兩種。 重 要 概 念 ： 自 由 沉 降 、 沉 降 速 度 、 影 響 沉 降 速 度 的 因 素 、 離 心 分 離 因 素 本 質(zhì) 上 是 顆 粒 與 流 體 的 相 對 運(yùn) 動(dòng) 速 度 設(shè) 備 ： 降 塵 室 結(jié) 構(gòu) 公 式 ： 斯 托 克 斯 公 式 182 gdu ppt （ Re2） 降 塵 室 ： 能 100%去 除 的 最 小 顆 粒 滿 足 tuHuL 沉 降 時(shí) 間停 留 時(shí) 間 氣 體 處 理 能 力 底AuV ts min ， 與 底 面 積 呈 正 比 ， 與 高 度 無 關(guān) 。 固 體 流 態(tài) 化 重 要 概 念 ： 流 態(tài) 化 的 幾 個(gè) 階 段 性 狀 及 其 主 要 特 征 流 化 床 的 主 要 性 質(zhì) 第 五 章 小 結(jié)