第4章 颗粒与流体之间的相对流动4.1 流体绕过颗粒及颗粒床层的流动4.1.1 颗粒床层的特性4.1.1.1 单个颗粒的特性球形颗粒是最简单的一种颗粒，它的各有关特性均可用单一参数直径d全面表示。 体积 ；表面积 ；比表面积 （单位体积固体颗粒所具有的表面积称为颗粒的比表面积）对非球形颗粒，以当量直径de来表征其与球形颗粒在某些特性方面的等效。(1)体积等效直径dev 使当量球形颗粒的体积等于真实颗粒的体积VP。 或(2)表面积等效直径des 使当量球形颗粒的表面积等于真实颗粒的表面积SP。 或 (3)比表面积等效直径dea 使当量球形颗粒的比表面积等于真实颗粒的比表面积a。或 球形度S：体积相同时球形颗粒的表面积与实际颗粒的表面积之比。 0s1。4.1.1.2 颗粒群的特性由大量单个颗粒组成的集合颗粒群。(1) 粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量称为粒度分布。一般用粒度表征颗粒的大小，球形颗粒的粒度就是其直径。颗粒粒度的测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法等。筛分法通常采用一套标准筛进行测量。常用的泰勒标准筛以筛号（目数）表示筛孔的大小。 目数：每英寸长度上的孔数。 （2）颗粒群的平均直径：以比表面积相等为原则的球形颗粒群的平均直径： 式中：xi第i筛号上的筛余量质量分数； 。4.1.1.3 床层特性(1) 床层的空隙率:床层中空隙的体积与床层总体积之比。=床层空隙体积/床层总体积=（床层体积-颗粒所占体积）/床层总体积 (2)床层的各向同性 各向同性的一个重要特点：床层横截面上可供流体通过的空隙面积（即自由截面）与床层截面之比在数值上等于空隙率。4.1.2 流体绕球形颗粒的流动阻力（曳力）流体对颗粒的作用力（阻力）FD可用下式表示：式中：AP-颗粒在流体流动方向上的投影面积，m2 ；为流体密度，kg/m3；为曳力系数(或阻力系数)；u为颗粒与流体的相对运动速度，m/s。实验证明，是雷诺数的函数，即：=f(ReP) 式中dP为颗粒直径（对非球形颗粒而言，则取等体积球形颗粒的当量直径），、为流体的物性。ReP间的关系，经实验测定如图4-1所示，图中s1的曲线为非球形颗粒的情况。在不同雷诺数范围内可用公式表示如下：（1）滞流区（ReP1）=24/ReP（2）过渡区（1ReP500）=18.5/ReP0.6 （3）湍流区（500ReP）的流体中发生自由沉降，受力情况：（1） 场力Fg （2）浮力Fb3）阻力FD由牛顿第二定律，有：或 （1）颗粒沉降的两阶段：加速阶段：从=0t，a=amax0，u=0umax（ut）；等（匀）速阶段：当t，a=0，u=ut。沉降速度ut：在等速阶段里颗粒相对于流体的运动速度；或在加速阶段终了时颗粒相对于流体的运动速度，也称终端速度。当a=0时，由（1）可解得： （2）将前面的表达式代入，得：（1）滞流区（ReP1）此式称为斯托克斯公式。（2）过渡区（1ReP500）此式称为阿仑公式。（3）湍流区（500ReP2105） 此式称为牛顿公式。ut的计算方法：试差法。假定流型，用相应的公式计算ut；计算，检验Ret是否符合假定流型。符合，ut正确，否则，重复步骤，。对于以m计的小颗粒，常在滞流区沉降。例4-1 玉米淀粉水悬浮液在20 时，颗粒的直径为621 m，其平均值为15 m，求沉降速度。假定吸水后淀粉颗粒的相对密度为1.02。解：水在20 时，=10-3 Pas,=1000 kg/m3 ;P=1020 kg/m3。假定在滞流区沉降，则按斯托克斯公式：ut正确，即 ut=2.4510-6 m/s。例4-2 一直径为15 m，相对密度为0.9的油滴，在21 ，0.1 MPa的空气中沉降分离。若沉降时间为2 min，试求该油滴沉降分离的高度。解：查附录，得在题设条件下空气的物性为：=1.810-5 Pas，=1.20 kg/m3 假定沉降满足斯托克斯公式：ut正确，即 ut=6.1210-3 m/s。沉降高度：H=ut=6.1210-3260=0.734m说明：对于微米级颗粒的沉降，一般在极短的时间内（以毫秒计）就可达到沉降速度，因此可认为，颗粒从一开始就以沉降速度沉降。4.2.2.2 实际沉降速度ut， 实际的颗粒沉降一般不是自由沉降，且形状也不一定为球形，这时需对ut进行校正。 ut，=putp为校正系数，可参阅式（4-34）（4-37）。4.3 固体流态化与气力输送简介流态化：在流化床中，床层所具有的类似流体性质的现象。4.3.1 固体流态化4.3.1.1 固体流态化的基本概念流体经过固体颗粒床层流动时的3种状态：固定床阶段 流化床阶段 气（液）力输送阶段（1）固定床阶段 流体以低流速向上流过颗粒床层时，流体只是通过静止固体颗粒间的空隙流动，这时的床层称为固定床。（2）流化床阶段 流体的流速逐步增大，乃至流体通过床层的压力降大致等于床层的净重力时，固体颗粒刚好悬浮在向上流动的流体中，床层开始流化，这时的床层称为临界流化床，流化以后的床层就称为流化床。临界流化速度umf：使床层开始流化时的流体速度。（3）气力输送阶段 流体流速增大到颗粒的沉降速度时，将有固体颗粒随流体夹带流出。这时的流体流速称为带出速度。4.3.1.2 流化床的流体力学（1）流化床的压力降 忽略床层与器壁的摩擦阻力，在垂直方向上，作用在床层上有三个力： 重力，浮力，推力。三力平衡：式中：L，A分别为床层的高度和截面积；为床层空隙率。床层压降为：若流化介质为气体，则0，即对气体流化床有： 式中：m-床中固体颗粒的总质量，kg。显然，在流化床阶段，流体通过床层的压降为定值。流体通过床层的压降(压力降)P与空塔速度u的关系如下图所示：AB段为固定床阶段，p与u在对数坐标上成直线关系；BC段为流化床阶段，p基本不变；CD段为气力输送阶段，气体流速到达带出速度时，颗粒被带走，床层的空隙率快速增大，因而气体流动的压降随之骤然下降。如果床内出现不良现象（节涌、沟流），通过床的压降将会波动。（2）临界流化速度（最小流化速度）umf 临界流化速度与空床雷诺数等有关。下面介绍几个umf的计算式：当 ReP20时当 ReP1000时 0ReP，有：式中：dP为颗粒的平均粒径，m；，为流体的物性。注意，求umf最可靠的方法是实验的方法，见下例题。例4-3 某气、固流化床反应器在350、压强1.52105 Pa条件下操作。此时气体的粘度为=3.1310-5 Pa.s，密度=0.85kg/m3，催化剂颗粒直径为0.45 mm，密度为1200 kg/m3。为确定其临界流化速度，现用该催化剂颗粒及30 、常压下的空气进行流化实验，测得临界流化速度为0.049 m/s，求操作状态下的临界流化速度。解：查得30 、常压下的空气的粘度和密度分别为：，=1.8610-5 Pas，密度，=1.17 kg/m3实验条件下的雷诺数由 得：（3） 最大流化速度和流化操作速度最大流化速度=颗粒的沉降速度ut一般食品的悬浮速度（颗粒的沉降速度）见表4-1。下面介绍几个ut的计算式：球形颗粒，且RePt 0.4，则应对ut校正，校正系数ft可由图4-10查出。球形颗粒，且0.4RePt 500时对于非球形颗粒的ut，乘以一个系数c： ut，=cutc=0.834lg（s/0.065）注意：在计算umf 时，颗粒直径取床层中实际颗粒粒度分布的平均直径，而计算ut时须用具有相当数量的最小颗粒的粒度。操作弹性： ut/umf 比值的大小。对于细颗粒，RePt1 000，有ut/umf =8.61可见，小颗粒比大颗粒的操作弹性大。一般 ut/umf值在1090之间。流化数K：操作速度u与临界流化速度umf之比。 K= u/umf为提高操作速度，可采取的措施：床层中设挡板、挡网；改进粉尘回收系统（使用旋风分离器）。4.3.1.3 流化床的结构形式流化床的结构主要包括壳体、床内分布板、粉状固体回收系统、挡板及挡网、内换热器等，又有单、多层流化床之分。气体分布板作用：支承物料、均匀分布气体、创造良好的流化条件。挡板和挡网作用：挡板或挡网能够破坏气泡的生成和长大，改善气体在床内停留时间的分布和两相的接触，减轻气体的返混现象，提高流化效果。4.3.2 气力输送4.3.2.1 概述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（液）力输送。气力输送的优点：可进行长距离、任意方向的连续输送，劳动生产率高，结构简单、紧凑，占地小，使用、维修方便。输送对象物料范围广，粉状、颗粒状、块状、片状等均可，且温度可高达500 。输送过程中，可同时进行混合、粉碎、分级、干燥、加热、冷却等。输送中，可防止物料受潮、污染或混入杂质，保持质量和卫生，且没有粉尘飞扬，保持操作环境良好。气力输送的缺点：动力消耗大（不仅输送物料，还必须输送大量空气）；易磨损物料；易使含油物料分离；潮湿易结块和粘结性物料不适用。输送时，颗粒的输送松密度，与颗粒的真密度P的关系为，=P(1-) 式中为空隙率。混合比R：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。R=Gs/Ga式中：Gs为被输送物料的质量流量，kg/s；Ga为输送空气的质量流量，kg/s。通常，稀相输送松密度 ，100 kg/m3，混合比R=25至数百。4.3.2.2 气力输送系统气力输送系统一般由供料装置、输料管路、卸料装置、闭风器、除尘装置和气力输送机械等组成。输送流程主要有吸引式（真空式）和压送式两种：吸引式 低真空吸引 气源真空度13 kPa高真空吸引 气源真空度