7粉体工程-颗粒流体力学及设备

（1）从左向右， 压力P随X增加而 增大。 （2）角度θ从左 开始计算。
假定颗粒所在的范围内
为一常数，并设坐
标原点的压力为p0，则颗粒表面由于压力梯度而 引起的压力分布为
在颗粒表面上取一微圆台，其侧面积为 S=π(rsinθ)2 则
ds=
那么作用在该微圆台侧面上的力在X方向上的Байду номын сангаас
分力为
θ从0到π积分可得作用在颗粒上的压力梯度力 为
自学：两相流的基本性质
注意：p—particle，颗粒 注意 F—fluid，流体 M—mixture，混合物 ρf—书中常简称为ρ
1、颗粒在流体中的运动
1.1 颗粒的受力 1.1.1 运动阻力 牛顿阻力定律 Fd=C·A·ρ·u2/2 u—颗粒与流体的相对速度 A—颗粒在与流动方向垂直平 面上的投影面积 ρ—流体密度 C—阻力系数
3、颗粒流态化技术基本原理
当流体通过颗粒料或粉料层向上流动时，随 着流体速度、颗粒性质及状态、料层高度和空隙 率等因素的不同，会出现各种不同的颗粒流体力 学状态：固定床状态、流（态）化状态和缺陷力 固定床状态、 固定床状态 输送状态。 输送状态
流化状态随速度的变化规律?
（1）使空气以不同速度通过固体颗粒层时，固 体颗粒层的状态将发生不同变化。 （2）当流体自下而上通过料层时，当u较低时 ，空气流只是穿过颗粒之间的空隙，颗粒静止 不动，并彼此互相接触，这种状态的颗粒层叫 固定床。
粉体工程与设备
颗粒流体力学及设备
烟台大学环境与材料工程学院
学习重点
1、压力梯度力 2 2、流态化技术原理 3、空气输送斜槽透气层要求
为什么要学习这一章？
在生产实际中，常碰到气-固、液-固 等两相流 两相流的问题，如料浆输送、烟气的 两相流 管道流动等。
什么是多相流 多相流？ 多相流 我们把存在状态不同的多相物质 多相物质共存 多相物质 于同一流动体系中的流动称为多相流动 ，简称多相流。
（3）特点 优点： 优点
a.构造简单、重量轻、无运转零件，磨损小。 b.操作简便，工作可靠。 c.在输送过程中可随时停止输送或送风，不需要按 程序开停。 e.可进行改向输送和多点喂料、卸料。 f.空气压力小，动力消耗少。
缺点： 缺点 a.只适于输送流动性好的、干燥的粉状物料。 b.输送距离短，一般不超过l00m。
斜度？ 用百分数表示坡度，是爬坡时所上升的高度 与水平距离的比值。比如，车子前进了10米而地 面升高了3米，坡度就是30%。 3 30% 坡度与角度换算关系：5%—3°，10%—6° ，20%—11°，30%—17°，40%—22°
学习重点
1、压力梯度力 2 2、流态化技术原理 3、空气输送斜槽透气层要求
若颗粒为粒径为Dp的球形颗粒，则牛顿阻 牛顿阻 力定律可写成： 力定律 Fd=π/4·C·ρ·Dp2·u2/2
其中，C为颗粒雷诺数 雷诺数的函数。什么是雷诺 雷诺数 雷诺 数？
层流
湍流
实验装置
颜色水
雷诺实验装置示意图
Q =
V t
实验现象
（a）平稳而鲜明的细色线 ）
v小
（b）振荡摇摆的波形色线 ）
当du/dt=0时，可得最大沉降速度——沉降末 速度的一般式
在Newton区，C=0.44，代入该式得
在Allen区，
代入该式得
由以上3式可知，在一定的介质和一定的 温度条件下（ρ、µ一定） ，一定密度（ ρp） 固体颗粒的终端沉降速度仅与粒径大小 粒径大小有关， 粒径大小 颗粒大者um也大。因此，可以根据终端沉降速 度的不同实现大小颗粒的分级 分级。 分级
（3）设备操作控制容易实现自动化。 （4）输送量和输送距离较大，可沿任意方向输 送。可把输送和有些工艺过程（干燥、冷却、混 合、分选等）联合进行。
缺点： 缺点 （1）动力消耗较大。 （2）管道和供料器磨损过快。 （3）输送的物料有限制，目前多用于输送粉状 物料，不易输送潮湿易黏结和怕碎的物料。
气力输送与机械输送的功率消耗比较
输送方式 气力 输送 机械输送
稀 相
密相栓 带 式 输 振 动 输 斗式提 螺 旋 送机 流 送机 升机 输 送 机
压 送 吸送 式 式
功率消耗 kW·h/(t·m )
0.002 ～ 0.3
0.03 ～ 1.0
0.001 ～ 0.02
0.0003 ～ 0.006
0.002 ～ 0.8
0.003 ～ 0.03
4.3类型 （1）压送式 压送式气力输送装置 压送式 特点：
1）输送距离较远；可同 时把物料输送到几处。 2）供料器较复杂；只能 同时由一处供料。 3）风机磨损小。
（2）吸送式 吸送式气力输送装置 吸送式
特点： 1）供料装置简单，能同时从几处吸取物料，而 且不受吸料场地空间大小和位置限制。 2）因管道内的真空度有限，故输送距离有限。 3）装置的密封性要求很高； 4）当通过风机的气体没有很好除尘时，将加速 风机磨损。
如何确定自由沉降末速度？
（1）尝试法 尝试法 先假定沉降属于某一区域，用相应的公式计 算出沉降末速度。 然后将所得的um代入Rep计算式求出Rep值， 检验是否与假定区域一致，若一致，则假定是正 确的；否则，需根据此值重新假定属何区域。
（2）阿基米德数判断法 用一个不包含沉降速度的准数来代替雷诺准 数作为流态的判断。
实际流 实际流 化床的 特点
颗粒处流化态时呈现类似于流体的状态。
流化床不正常现象 流化床不正常现象 不正常
4、气力输送设备
4.1工作原理 是利用空气的压力，使物料颗粒悬浮于气流 中或成集团沿管道输送。前者称为物料悬浮输 物料悬浮输 物料集团输送。 送，后者称为物料集团输送 物料集团输送
4.2气流状态及其对物料颗粒的作用 （1）目前采用较广泛的空气输送方式，都是建立 在具有一定速度的气流对物料颗粒作用的基础上。 （2）许多试验分析指出，用空气输送物料时，紊 流运动是空气和物料混合物的主要运动形式。
Re≤2000——层流 Re≥4000——湍流 2000 ≤ Re ≤ 4000——二者皆有可能
1.1.2 离心力 设颗粒的圆周速度为ut，某一瞬时的位置半 径为r，则 FC=π/6·DP3·ρp·ut2/r
1.1.3 压力梯度力 颗粒在有压力梯度的流场中运动时除了受液 体绕流引起的阻力外，还受到一个由压力梯度引 起的作用力—压力梯度力 压力梯度力。 压力梯度力
v小
层流
v上
（c）色线破裂扩散 ）
v下过渡流
v 大紊流
v大
影响流体流动类型的因素，除了流体的流速 u外，还有管径d、流体密度ρ和流体的粘度µ。u 、d、 ρ越大，µ越小，就越容易从层流变为湍流 。雷诺得出结论：上述四个因素所组成的数群 duρ/ µ ，是判断流体流动类型的依据。该数群 称为雷诺数 雷诺数，用Re表示。 雷诺数
空气输送斜槽
2）物料集团输送 物料集团输送也 物料集团输送 称为栓流气力输送， 是通过气体压力将 管道内的物料分割 成许多间断的料栓， 并被气力推动沿管 道输送。
栓流气力输送
4.4气力输送的特点： 优点： 优点 （1）输送管道结构简单，占据地面和空间小， 走向灵活，管理简单。 （2）物料在管道内密闭输送，不受环境气候等 条件影响，物料漏损、飞扬量很少，环境卫生 较好。
室外防水装配形式 透气层与槽体装配形式
2）透气层 透气层
a.透气层是承托物料，使空气均匀透过、流化物料 的装置。 b.透气层的孔隙应密布、均匀、连续，使物料流化 均匀，避免发生涡流现象。 c.透气层表面应平整，具有一定抗湿性、耐热性和 机械强度。 d.常用的透气层有陶瓷多孔板、水泥多孔板和纤维 织物等，目前多用化纤织物 化纤织物制作透气层。 化纤织物
（3）随着u的增加，颗粒间隙随之增大。当流速增 加到一定值时，全部颗粒都刚好悬浮在空气流中， 空气对颗粒的作用力与其重力相平衡，相邻颗粒间 挤压力的垂直分量等于零，床层开始具有流体的特 性，此种“沸腾”状的床层称为流态化床，此种现 象称为流态化。 （4）当继续增大u，床层上界面消失，固体颗粒被 气流夹带并被气流带走，这种状态叫做稀相流态化。
0.01 ～ 0.1
4.5 空气输送斜槽 （1）工作原理
空气输送斜槽是利用空气使固体颗粒在流态化的 状态下沿着斜槽向下流动的输送设备。 这种输送方式属于气—固密相输送，在建材、化 工、轻工等部门广泛应用。
（2）结构 1）结构特点 结构特点
a.空气输送斜槽的规格是以槽宽(B)毫 米数表示，主要规格有250、400、 500、600几种。 b.因上槽是物料和空气通路，而下槽 只通空气，所以上槽较高，下槽较矮。 c.为了防止上下槽连接处渗入雨水， 上槽带有防水边，为了防止槽体连接 处渗入雨水，设置了角钢防水盖。
1.2 颗粒在流体中的阻力系数 颗粒雷诺数的数学表达式为： Rep=Dpρu/µ 球形颗粒沉降情形下，根据颗粒雷诺数大小 ，大致可分为层流区、过渡区和湍流区 层流区、过渡区和湍流区。 层流区
2、颗粒的重力沉降
沉降末速度也称终端沉降速度。设颗粒质量 沉降末速度 为m，迎流面积为A，则重力沉降的运动方程式一 般用下式表示：
理想流化床的特点 理想流化床的特点: 流化床的特点 （1）有明显的临界流态化 ） 点和临界流态化速度; 点和临界流态化速度 （2）流态化床层的压降为 ） 一常数; 一常数 （3）有平稳的流态化界面； ）有平稳的流态化界面； （4）流态化床层的空隙率在任何流速下， ）流态化床层的空隙率在任何流速下， 都具有一个代表性的均匀值， 都具有一个代表性的均匀值，不因床层内的 位置而变化。 位置而变化。
作 业
1、试确定φ2.4m×13m球磨机的临界转速、理论 适宜转速及实际工作转速。设衬板厚度为0.05m。 2、试求相对密度为2.72，粒径为5µm的石灰石颗 粒在20℃水中的自由沉降末速度。 3、表面活性剂和超分散剂均可用作粉体颗粒改 性剂，试述它们分子结构和作用原理主要差异。
多相流的特点？ 特点？ 特点
（1）颗粒是分散相，粒径大小不一，运动规律 各异。 （2）固体颗粒与流体介质运动速度存在差异。 （3）颗粒之间及颗粒与器壁间的相互碰撞和摩 擦对运动有较大影响，且产生静电效应。
（4）在湍流工况下，气流的脉动与颗粒的运动 规律间有相互影响。 （5）颗粒的旋转会产生升力效应。
（3）混合式 混合式气力输送装置 混合式 特点： 1)可以从几处吸取 物料，又可把物料 同时输送到几处， 且输送距离较远。 2)含料气体通过风机，使风机磨损加速； 整个装置设备较复杂。
（4）流送式 1）空气输送斜槽 空气输送斜槽将 空气输送斜槽 空气不断通过多孔 透气层充入粉状物 料中，使物料变成 类似流体性质，因 而能由机槽的高端 流向低端。