粉体力学8-2

息角所致。整体流仓必须
保证料仓各个部位的倾斜 角大于物料的安息角。
形成整体流的必要条件是料斗半顶角θ 要小于θ max 。
3、确定料 仓 的 直 径
料仓的高径比关系着基建费
用。由于仓内物料压力的增量 并不与深度的增量成正比，深 度增加压力增大不多，因此， 选取较大高径比是经济的。通 常料仓直筒部分的高度为其直 径的2～3倍。其直筒部分是主 要储料部位，其尺寸视储存
解: (1) 由求料斗半顶角。
(2) 确定临界开放屈服强度。
(3) 确定H (θ ) 。
(4)确定不形成粘性料拱的最小卸料口直径。
料仓的容积计算
V VR VL
料仓容积 V R

4
D 2 h1

12
h2 ( D 2 d 2 Dd )
VL f L R tg r
3
V— 料仓的有效容积
L
p
u
(a)
u
(b) (c)
u
u
(d)
u
(e)
u
密度比床层平均密度 m 小的物体可以浮在床面上 床面保持水平 服从流体静力学，即高差为 L 的两截面的压差ΔP =mgL 颗粒具有与液体类似的流动性，可以从器壁的小孔喷出 联通的流化床能自行调整床层上表面使之在同一水平面上
综上所述，可以看到从临界流态化开始一直到 气流输送为止，反应器内装置的状况从气相为非 连续相一直转变到气相成为连续相的整个区间都 是属于流态化的范围，因此它的领域是很宽广的， 问题也是很复杂的。 流态化技术之所以得到如此广泛的应用，是因 为它有一下一些突出的优点： 传热效能高，而且床内温度易于维持均匀。 大量固体颗粒可方便地往来输送。 由于颗粒细，可以消除内扩散阻力，能充分发挥 催化剂的效能。
气固两相接触操作图
５.3
５.4 ５.5
流化态特征
流化技术的应用 流化床化学反应模拟器
概 述
1、固体流态化：颗粒物料与流动的流体接触，使颗粒 物料呈类似于流体的状态。 2、流态化技术的应用：流化催化裂化、吸附、干 燥、冷凝等。 3、流态化技术的优点：连续化操作；温度均匀，易 调节和维持；气、固间传质、传热速率高等。
100
固 定 床
L0
L
起 始 流 化
L
膨 胀 床
Lf
L
鼓 泡 床
Lf
节 涌 气 力 输 送
Lmf
流体
流体
流体
流体
流体 流体
流态化可划分为以下几种形式： 固定式 当流体向上流过颗粒床层时，如速度较低，则
流体从粒间空隙通过时颗粒不动，这就是固定
床。如流速渐增，则颗粒间空隙率将开始增加， 床层体积逐渐增大，成为膨胀床。
D
3
料仓直径的估算公式
V K
V— 料仓的几何容积 K— 系数，小型仓取2.4，料库取1.6
定额而定。
4、料仓的卸料口径的确定
正确选择卸料口径是防止料仓中产生结拱现象的基本方法，
设计料仓时应仔细考虑。影响卸料口径的主要因素有：物料
的流动性、物料粒度和均匀性，以及要求的卸料速度等。
对于整体流料仓, 卸料口尺寸太小, 将会形成料拱(或称架 桥) 。设计计算时, 用一定性尺寸B来描述卸料口的大小。 对于圆形卸料口, B 等于卸料口直径; 对于方形卸料口, B 为对角线长度; 对于缝形卸料口, B 为缝宽( L≥3 B , L 为缝长）。
4、本章基本内容： 流态化基本概念 、流体力学特性、流化床应用、 气力输送过程
５.1 气固的接触形式
一、流态化现象
固定床 临界流 化床 流化床 输送床
Δ P 500 固定床 300 流化床
流态化现象
200 斜率=1
夹带开始 Δ P=W/At
100 50 1
2
u mf
10 空床流速 u 0
50 ㎝/s
临界流态化 当流速达到某一限值，床层刚刚能被流体托动 时，床内颗粒就会开始流化起来了，这时的流体空 床线速称为临界（或最小）流化速度。 散式流态化 对于液-固系统，流体与颗粒的密度相差不大，故 临界流化速度一般很小，流速进一步提高时，床层 膨胀均匀且波动很小，颗粒在床层内的分布也比较 均匀，故称作散式流化床。 聚式流态化 对于气-固系统而言，情况与液-固系统很不相同， 一般在气速超过临界气速后，将会出现气泡。气速 愈高，气泡造成的扰动亦愈剧烈，使床层波动频繁， 这种形态的流化床称聚式流化床或泡床。
对于圆锥形料斗,破拱
主应力σ 与最大主应力
σ 1 的关系:

( 2 0 .015 ) sin i 1 sin i
1
粉体物料的临界开放屈服强度, 指的是相应于 两条曲线σ = f (σ 1 ) 与σ c = F (σ 1 ) 的交点 的开放屈服强度。
应用实例
需要设计一台圆形整体流料仓, 确定料斗半顶角和卸 料口直径B 。已知粉体物料的有效内摩擦角φ = 40°, 壁面摩擦角 δ = 23°, 平均密度ρ =960kg/ m3 。
【解】σ 1＝480kPa，σ 3＝210kPa ，c=20kPa， υ ＝18° （1）直接用τ 与τ f的关系来判别
第五章 土的抗剪强度
根据莫尔-库仑定律，当单元体到极限平衡状态时， 莫尔应力圆恰好与库仑抗剪强度线相切。
f c tg 20 303tg18
118kpa
四、物料作用在仓壁上的压力
料仓设计时一定要保证其具有可靠强度来承受物料的压 力，否则生产中将出现料仓开裂甚至倒塌。料仓中的物料压力 可分解成圆筒和圆锥两部分来计算。
料仓内物料的压力作用于料仓侧壁和底部
1、料仓内的物料产生水平力，作用在仓壁上引起拉应力； 2、物料的部分重量通过摩擦力转移到仓壁，引起垂直压缩或弯曲 应力。
但流化床也有一些不足之处：
混合剧烈，存在相当宽的停留时间分布。 气泡通过床层，减少了气-固相接触机会，降低了 转化率。 剧烈的碰撞、磨擦，加速了催化剂的粉化。
流动现象的复杂性，揭示其内在规律性较难。
在出口，需要旋风分离设备，回收催化剂。
二、流化床主要特性及流化类型 充分流态化的床层表现出类似于液体的性质：
要点
料仓中物料层的作用力 如果在仓内充满液体，液体柱自重所引起的侧壁压力与
pN 侧壁的倾斜度无关。但是，如果仓内装的是散粒物料，由 dl
单位长度上的作用力： 于物料的内摩擦力将使侧壁压力显著降低。 正压强:
dN x dN y
dN x dpx sin ( p x dl sin ) sin
料仓的有效容积还应考虑安 装料位计、设置安全阀、排
VR— 料仓的容积
VL— 料仓的损失容积 D— 料仓圆筒的内径
气口和人孔等。计算所得的
料仓容积总比实际需要的小， 因此，一般需将计算所得数 据加大1.05～1.18倍。
d— 料仓卸料口的内径
h1— 料仓圆筒的高度 h2— 料仓圆锥部分的高度
料仓的卸料能力
三、料仓结构设计应遵循的步骤
1、选择合适的流型
料仓流型选择需考虑的问题
2、确定料斗半顶角
料仓流型设计, 就是根据仓存物料的特性(有效
内摩擦角Φ i和壁面摩擦角υ w) , 确定出一个料
斗半顶角θ )
θ
2、确定料斗半顶角
确定一个合适的料斗半顶
角θ ,目的是为了适应所选
择的流型。料仓下料不畅, 关键是倾斜角小于物料安
习
题
1、设某一降尘室回收气体中的固体颗粒，其颗粒为球形 气体的粘度为1.8×10-5Pa·S,密度为1.2㎏/m3，固体颗 粒的密度为3000㎏/m3要求净化后的气体中不含有直径大于 50μ m的固体颗粒，处理气体量2500m3/h；试求所需沉降 面积为多大。 解：
u0
p
18
gd
2
3000 1 .2 18 1 .8 10
5
9 .8 50 10
6 2

0 .227m / s
Q=LBu0=Su0
S Q u0 2500 3600 0 .227 3 .1m 2
wenku.baidu.com
2、已知某粉体单元的最大主应力σ 1＝480kPa，最
小主应力σ 3＝210kPa。通过试验测得抗剪强度指 标c=20kPa，υ ＝18°，问该单元土体处于什么状 态？
2 2 ( p y dp y ) D p x Dd y p y D g D d y 0 4 4 4
R H dp y R H g p x
px py
y RH
dy
k

dp x dp y
常数
水平压力
px
R H g

[1 e
k (
)
]
圆锥部分仓壁压力
节涌 如果床径很小（如一般小试或中试中常见的那样）而 床高与床径比较大时，气泡在上升过程中可能聚集并 增大甚至达到占据整个床层截面的地步，将固体颗粒 一节节地往上柱塞式地推动，直到某一位置而崩落为 止，这种情况叫做节涌。但在大床中，这种节涌现象 通常式不会发生的。 气流输送 当气速一旦超过了颗粒的带出速度（或称终端速度）， 粒子就会被气流所带走成为气输床，只有不断地补充 新的颗粒进去，才能使床层保持一定的料面。
由于τ > τ f，说明该单元体早已破坏。
（2）利用极限平衡条件来判别 ①设达到极限平衡条件所需要的最小主应力值为 σ 3f，此时把实际存在的最大主应力σ 强度指标c，υ 代入公式中，则得
1
= 480kPa及
②设达到极限平衡条件时所需要得大主应力值为σ υ 代入公式，则得
1f，
此时把实际存在的大主应力σ 3 =210kPa及强度指标c、
Q 3600 A
漏斗流 整体流
K 3.2 gRH
K 2 gh
1、漏斗流动，物料从卸料口卸出的速度随卸料口尺寸的增大而提高； 整体流动，卸出速度与卸料口尺寸无直接关系。 2、在实际计算时，若料仓中陷落物料容积界线近于仓壁，按整体流形式 计算；若其比料仓容积为小，按漏斗流形式计算；若流动形式难以确定， 按漏斗流形式作初步估算。
圆筒部分仓壁压力
要点
几点基本假设 当料仓中装满物料时，由于物料与仓壁之间的摩擦力作 料仓中物料层的作用力 1、料仓内物料全部装满；
用，仓壁上所承受的压力与物料层高度的关系并不服从流
力的平衡式:
2、同一平面的垂直压力恒定； 体压力分布规律。 2
3、物料基本物性和填充状态均一，内摩擦系数为常数。
将水力半径代入，整理： 测压系数
对于圆形和方形卸料口, i = 1 ; 对于缝形卸料口( L ≥3B) , i = 0
总
结
1、料仓下部的锥面倾角对物料在仓内的流动有重大影响； 2、至少要等于物料的休止角，必须大 于物料与仓壁的摩擦角， 否则，物料就不能全部从仓内流出； 3、一般锥面倾角要比摩擦角大5 °～10°，比储存物料的自然休止 角约大10°～15°。对于整体流的料仓，锥面倾角一般取 55°～ 75°。考虑到较大的倾角会使建筑高度增加，对于直径大于6m的料 库，宜采用2～4个卸料口。 4、减小粉体的壁摩擦角及料仓锥形部分的倾斜角，可以使料仓内 的粉粒体呈整体流；反之，成漏斗流。
机械拱和粘性拱
对于平均直径较大( > 3000μ m) 的颗粒体, 易形成机械拱
B 6d P
对于平均直径较小的粉体物料, 不产生粘性拱的最小卸料口尺寸
B
* H ( ) c
g
粉体物料的临界开放屈服强度
粉体密度
1 H ( )
(
65 130
)(
i
200 200
) 1 i
由计算结果表明， σ 3＜σ
3f
, σ
1
＞σ
1f
，
所以该单元土体早已破坏。
（3） 1、3、c→
1 3
sin
1 3
2
2 C ctg
此计算值为极限平衡时所需的内摩擦角值。如它大于实际 =18°，也可判断该点已破坏。
5 气－固两相系统
５.1
５.2
气固的接触形式
dN y dp y cos ( p y dl cos ) cos
正压力
p N p x sin 2 p y cos 2
最大主应力σ 1。该应力与料 仓中的料位高度H 有关, 在筒 仓部分, σ 1 随料深按指数规 律增加; 在筒仓与料斗的相接 处, σ 1 达最大; 在料斗部 分, σ 1 线性递减, 至料斗顶 角处, σ 1 降至零。 σ c 随σ 1 的增加而增加, σ c 在h = 0 和h =H 处并不 等于零, 这是由粉体的粘性所 致。粉体物料的开放屈服强度 σ c , 可由剪切试验确定 料拱脚处的支承反作用主应力σ , 简称反作用主应力, 又称 破拱主应力。它主要取决于料斗半顶角和料拱跨度W 等。由 于σ 正比于料拱跨度W , 故在筒仓部分σ 为一常数, 在料斗 部分σ 线性减至零。