临界流化颗粒.doc

临界流化颗粒
冶金机械
考虑一光滑球形颗粒在冶金机械静止流体中沉降，当不考虑其他颗粒及器壁的影响时，颗粒就受到重力Fg、流体的浮力Fb及流体对它的阻力Fd(当颗粒与流体发生相对运动时）三个力的作用。(见图）
68)
Fg=#g=jTO^g
Fh=
Fd=!d£•PgUg
(1
一/一
216)
(1-2-217)
(1-2-218)
式中
us—
-阻力系数；
-颗粒与流体的相对速度，mrs-1。
Fd的方向与颗粒的运动方向相反。颗粒向下所受的净力F为：
F=Fg-F,-Fd
(1
一/一
219)
当颗粒所受净力F等于零时，颗粒就在流体中以等速度自由沉降，这个速度称为颗粒的自由沉降终速，以UQ表不，它等于颗粒带出速度U"。
令F=0，则由式(1-2-216)~(1-2-219)可得
■^《Psg-^《Psg-#0等."!5=0
2
故
(1-4-220)
/4dP(ps-"g)g
U0=!3?oPg
由因次分析可知，颗粒在流体中运动的阻力系数#是颗粒雷诺数Re(p)的函数。当颗粒以
dpUoPg
$
沉降终速U0在流体中运动时，雷诺数应定义为Re(p)
Re(p)的关系如图1-2-69所示。
由图可知，其曲线的形状十分复杂，但对球形颗粒可用下式近似表示
。实验测得的固体颗粒的与

图1-2-69阻力糸数！与颗粒雷诺数Rey的关系
Re?P)
根据图1-2-69中曲线的形状，可分三个区域:
(1)层流区：当 Re(p)<1时，！：24
(2)过渡区：
Re(P)
18.5
lp) RecP)0'6
1<Re(p)<1000时，！:
(1-2-221)
(1-2-222)
(1-2-223)(1-2-224)
(3)紊流区：当1000<Re(p)<2x105时，！=0.44将式（1-2-222)~(1-2-224)分别代入式（1-2-219)则可得颗粒在不同Re(p)区域的沉降终速计算式，即
(1)斯托克斯(Stokes)公式:Re⑴<1时，
：0:
18#
(2)艾伦(Allen)公式：1<Re(p)<1000时，
:_078;)143(Ps-")0714叱_ ^02860.429
Ps#
(3)牛顿(Newton)公式：1000<Re(p)<2x105时，
蝴：1.74! P<
Ps-Pa；g
(1-2-225)
(1-2-25)
(1-2-227)
当颗粒在气流中沉降时，由于即Ps-Pg«Ps，则式（1-2-225)~(1-2-227)可进步简化。
上述计算U()的方程只适用于球形颗粒(1=1)。将其用于非球形颗粒时，需引入修正系数k。如对斯托克公式(1-2-225)，有
d(
k=0.843lg；
($s<1)
0.065
由此可见，非球形颗粒的阻力较大，其自由沉降终速较小。
(1-2-228)(1-2-229)

02
10
以上讨论的是颗粒在静止流体中的沉降速度。当颗粒在流速为！的垂直上升的流体中运动时，则其沉降速度为
uos=u%-u (1-2-230)
显然，当颗粒的自由沉降终速等于垂直向上的流体速度u时，$0，即颗粒悬浮在流体中的某一位置不动;但只要流体的速度稍大于颗粒的自由沉降终速，颗粒就会被气流带走。因此，流态化床中颗粒带出速度就直接以沉降终速表示，即UfU。。
值得注意的是，当床层颗粒物料的粒度不均匀时，计算临界流态化速度应用颗粒的平均直径；而计算颗粒带出速度ut时，对流态化床而言，必须用具有相当数量的最小颗粒的直径，对气力输送来说，则必须用具有相当数量的最粗颗粒的直径。
u/uw之比值是流态化床操作范围的一项指标，称为流化数。
对于细颗粒，当Re(p)<1时，式(1-2-225)与（1-2-213)之比为
ut/u+f=91.7
对于粗颗粒，当R(p)>1000时，式（1-2-227)与（1-2-214)之比为
ut/u+f=8.61
由此可见，对于细颗粒，其流化数较大，说明操作灵活性较大，而对粗颗粒，其流化数较小，说明其操作灵活性较小。
【例1-2-22】硫化锌精矿用空气进行流态化氧化焙烧。已知硫化锌精矿的密度为1800kg*m-3，粒径范围为75~160pm，平均粒径为dp=105pm，焙烧温度为1000°C，初始流态化时床层空隙率为0.38。问欲使流态化床在常压下正常操作，允许空塔气速的最小值和最大值分别是多少？假定颗粒的形状系数"=1。
解由附录查得1000C下空气的密度为#;=0.277:；"1^，粘度为！=4.90?10-5?3%。允许的最小气速即平均粒径计算的临界流化速度！nif。先假定颗粒的雷诺数Re(p)<20，则由式(1-2-208)可得
("s=p)•(#s-P;);_$mf
!mf:
-0.38
验算雷诺数:
150!1-$+f(1x105x10-6)2(1800-0.277)x9.810.382
• V V•
150 4.90x10-5
：0.0062m-s-1
„=pu+#；105x10-6x0.0062x0.277„
R/(P)=!= 4.90x10-5 =0'0037<20
计算可行。
流态化焙烧过程中，为避免夹带，最大气速不能超过最小颗粒的带出速度。因此，应以dp：75^+计算带出速度。假定颗粒在层流区内沉降，按斯托克斯公式(1-7-225)可得
_d(ps-p;)g(75x10-6)2(1800-0.277)x9.81^n_iut=u0=18"= 18x4.90x10-5 _0.11m.s
校核流动型态：
Red^=75x10-6x0.11x0.277=0R(P)="=4.90x10-5=0.4/711
流化数为:~L=n%17.7
u#f0.0062
为了考察上述操作气速下大颗粒是否能被流化起来，尚需计算粒径为dp=160^#的颗粒的临界流化速度。仍假定颗粒的雷诺数R(p)<20，由式(1-2-208)得
(1x160x10"6)2(1800-0.277)x98.10.382 -,
u™$=^x^4.90X10-5^xT^!8=0.014m8
验算雷诺数：
„d-u#^P9160x10-6x0.014x0.277^^
Re(-)=!= 4.90x10-4 =0'013<20
由上述计算知，最大颗粒的临界流化速度为0.014m-s-1，小于最大颗粒的带出速度0.11m"，说明床层流态化状况良好。

原文地址：