第三章 颗粒在流体中的运动
第三章 固体流态化技术
沟流对反应过程的影响：沟流现象发生时，大部分气体没有 与固体颗粒很好接触就通过了床层，这在催化反应时会引起催 化反应的转化率降低。由于部分颗粒没有流化或流化不好，造 成床层温度不均匀，从而引起催化剂的烧结，降低催化剂的寿 命和效率。
4、恒定的压降
流化床的重要优点
流化床床层压降 =（重量-浮力）/单位床截面积
固定床阶段 床层不动 u1 ut
流化床阶段 u1 ut开始悬浮
颗粒输送阶段 u1 ut 颗粒带走
u ，u1 ，u1 ut
(a)固定床
(b)流化床
(c)气力输送
此时流体的真正速 度 u < 颗粒的沉降 速度u0
此时u= u0 颗粒悬浮于流体中，床层 有一个明显的上界面，与 沸腾水的表面相似
流化阶段，压降与气速无关，始终保持定值
固定床 流化床 C ΔP B A ¢ u 带出开始
m P ( p ) g Ap
起始流化速度
表观速度 流体通过颗粒床层的压降
D（ 带出速度 ）
推导：
流化床阶段，近似认为颗粒处于动态平衡。
即：总曳力 总重力 总浮力
p f A Fg Fb AL(1 )(s ) g
此时u> u0
固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷 却、干燥、吸附、煅烧和气固反应等过程中。
3、流化床存在的基础—大量颗粒群居 颗粒能在相当宽范围内悬而不走，离开群体的个别颗粒上 升后， 速度将减小，则会回落。
浮力
曳力 u1（实际速度） 重力
u（表观速度）
二、实际流化现象
流态化按其性状的不同，可以分成两类， 即散式流态化和聚式流态化。
主要用途：
流体力学中的流体颗粒的运动
流体力学中的流体颗粒的运动流体力学是研究流体力学性质和运动规律的学科，其中一个重要的研究对象是流体颗粒的运动。
在流体中存在着大量的微小颗粒，它们的运动对于理解和描述流体的性质起着至关重要的作用。
本文将介绍流体力学中流体颗粒的运动特点，以及一些相关的理论和实验方法。
一、粒子运动轨迹的描述在流体中，流体颗粒的运动轨迹是十分复杂的，这要受到流体介质、颗粒间相互作用以及外力等因素的综合影响。
对于小颗粒来说，其运动可以由牛顿第二定律来描述，即F=ma，其中F为颗粒所受合力，m为颗粒的质量，a为颗粒的加速度。
根据流体力学的基本原理，可以得到颗粒的运动方程。
二、运动方程的解析解和数值解对于一些简单的流体场景，颗粒运动方程可以得到解析解。
例如，在无外力和无相互作用的情况下，颗粒受到的合力只有粘滞阻力，可以使用Stokes定律进行分析。
Stokes定律表明，小颗粒的阻力与其速度成正比，速度与时间的关系可以得到解析解。
然而，在实际情况下，大多数颗粒的运动方程是非线性的，很难通过解析方法求得精确解。
因此，研究者通常使用数值方法来模拟颗粒的运动。
这些数值方法包括有限差分法、有限元法、流体-颗粒耦合法等。
利用计算机技术，可以模拟复杂的流体颗粒运动过程，并得到精确的结果。
三、流体颗粒的行为与运动模式流体颗粒的运动模式主要分为扩散和聚集两种情况。
当颗粒受到高温激发或表面活性剂等因素的影响时，颗粒之间的相互作用变得弱化，颗粒倾向于扩散运动。
这种扩散运动可以通过布朗运动来描述，并可以用输运系数等物理量进行描述。
另一种情况是颗粒的聚集运动，这主要是由于颗粒间的吸引力或群体行为导致的。
例如，液滴在流体中的聚集运动和形成。
这种聚集运动可以通过模型和实验观察来解释，并可以用相关的理论进行描写和预测。
四、应用领域流体颗粒运动的研究在许多领域都有重要的应用价值。
例如，在环境科学中，研究颗粒的运动可以用于模拟气溶胶在大气中的扩散和传播过程，为空气质量调控提供依据。
颗粒与流体之间的相对运动
——颗粒密度， ;
——流体密度， ;
——重力加速度 ;
——阻力系数，无因次， ——球形度
综合实验结果，上式为表面光滑的球形颗粒在流体中的自由沉降公式。
滞留区 斯托克斯公式
过渡区 艾仑公式
湍流区 牛顿公式
该计算公式（自由沉降公式）有两个条件：
1.容器的尺寸要远远大于颗粒尺寸（譬如100倍以上）否则器壁会对颗粒的沉降有显著的阻滞作用，（自由沉降—是指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰。自由沉降发生在流体中颗粒稀松的情况下，否则颗粒之间便会发生相互影响，使沉降的速度不同于自由沉降速度，这时的沉降称为干扰沉降。干扰沉降多发生在液态非均相系的沉降过程中。）
等浓度Ｂ区消失后，ＡＣ界面以逐渐变小的速度下降，直至Ｃ区消失，此时在清液区与沉聚区之间形成一层清晰的界面，即达到“临界沉降点”,此后便属于沉聚区的压紧过程。Ｄ区又称为压紧区，压紧过程所需时间往往占沉聚过程的绝大部分。
通过间歇沉降实验，可以获得表观沉降速度 与悬浮液浓度及沉渣浓度与压紧时间的二组对应关系数据，作为沉降槽设计的依据。
第三章颗粒与流体之间的相对运动
一、前言：(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过程,下册讲的蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。
1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的界面。
例如：气、液、固称为三态，每一态又称为一相。再例如：空气（或溶液）虽是混合物，但由于内部完全均匀，所以是一个相。水和冰共存时，其组成虽同是 ，但因有不同的物理性质，所以是两个相；水、冰和蒸汽共存时是三个相。两块晶体相同的硫磺是一个相，两块晶体不同的硫磺（如斜方硫和单斜硫）是两个相。
第3章 颗粒动力学
图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用 不同的计算式表示为：
➢层流区（斯托克斯Stokes区，10-4<Re<1） 24 / Re t
➢过渡区（艾仑Allen区，1<Re<103）
18.5 / Ret0.6
➢湍流区（牛顿Newton区，103<Re<105） 0.44
注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区 域的计算式是近似的。
ut
4gdp ( p ) 3
f (Re )
f ( d put )
例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗 粒在20 ℃水中的自由沉降速度。
解：在20 ℃的水中： 20 ℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为
1.005×10-3 Pas
先设为层流区。Re
d put
1
u 9.797 10 m / s d p2 ( p ) g (98106 )(3000998.2)9.81
3.2 重力沉降
重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而发生 的颗粒沉降过程，称为重力沉降。
3.2.1 沉降速度
自由沉降（free settling）： 单个颗粒在流体中沉降，
或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不 碰撞的条件下沉降。
阻力 Fd
Fg
6
d p3 p g
u
浮力 Fb
Fb
6
d p3
g
重力 Fg
Fd
d p 2
4
u 2
2
p为颗粒密度
根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:
du Fg Fb Fd m dt
第三章 颗粒与流体之间的相对流动2006-2
注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域 的计算式是近似的。
二、重力沉降
重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而
发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。
1 沉降速度
1.1 球形颗粒的自由沉降
自由沉降（free settling）： 单个颗粒在流体中沉降，或
者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的 条件下沉降。
4
2 .5 5
1 . 11 m / s
假设流型属于过渡区，粉尘的临界直径为
1 1
d
pc
u tc
225 2 2 4g ( p )
5
3 u tc
225 2 2 4g p
1
3
225 2 . 53 10 0 . 779 3 1 . 11 2 3 2 4 ( 9 . 81 ) ( 2 . 0 10 ) 1 . 58 10
加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离。 增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut↓，不易分层。 加热：
3) 两相密度差( p-)：
在实际沉降中： 4) 颗粒形状 非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。
s—— 球形度；
S —— 颗粒的表面积，m2； Sp—— 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。
当含尘气体的体积流量为Vs时， 则有
u= Vs / Hb
ut≥Vs / lb
或
Vs≤ blut
故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为
utc=Vs / bl
临界沉降速度utc是流量和面积的函数。
当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为
流体的颗粒运动和颗粒流动
流体的颗粒运动和颗粒流动流体的颗粒运动和颗粒流动是流体力学中的重要概念。
它们描述了在流体中颗粒的移动方式和流动行为。
加深对流体的颗粒运动和颗粒流动的理解，对于各个领域的工程和科学研究都具有重要意义。
一、颗粒运动流体的颗粒运动是指在流体中个体颗粒沿着预定轨迹运动的过程。
颗粒运动的特征对于研究流体的性质和行为具有重要影响。
在实际运动过程中，颗粒主要受到流场中的力的作用，如浮力、重力、摩擦力等。
根据颗粒大小和浓度的不同，流体的颗粒运动分为单颗粒运动和多颗粒运动。
单颗粒运动是指一个颗粒在流体中的运动情况。
在单颗粒运动中，颗粒受到流场的作用力，其移动过程可以用牛顿第二定律描述。
此外，流体的物理性质如粘度、密度等也会对颗粒的运动产生影响。
多颗粒运动是指多个颗粒在流体中的相互作用和运动。
在多颗粒运动中，颗粒之间存在相互干扰和相互作用，这些因素会使颗粒的运动变得更加复杂。
二、颗粒流动颗粒流动是指颗粒在流体中按照一定规律的方式流动的现象。
颗粒流动通常在一定空间范围内进行，其速度和方向可能会随时间和空间的变化而变化。
在颗粒流动中，颗粒之间的相互作用和碰撞等因素起着至关重要的作用。
颗粒流动可以分为两种类型：层流和湍流。
层流是指颗粒按照有序且平行的方式流动，颗粒之间的相互作用影响较小。
湍流是指颗粒间流动速度剧烈变化的一种现象，颗粒之间的相互作用十分复杂。
在实际的流体系统中，层流和湍流常常同时存在，并且相互转变。
颗粒流动的性质和行为会受到多种因素的影响，如流体的粘度、流速、颗粒的浓度和大小等。
为了更好地描述和研究颗粒流动，科学家们提出了不同的模型和理论。
其中最著名的是斯托克斯流和牛顿流体模型，它们对于描述颗粒流动的行为具有重要意义。
在工程和科学的研究中，颗粒运动和颗粒流动的研究可以应用于各种领域，如颗粒分离、颗粒传输、颗粒混合等。
例如，在化工领域中，颗粒流动的研究可以帮助优化粉状物料的输送和搅拌过程，提高生产效率。
在生物医学领域中，对血液中红细胞的颗粒运动和流动的研究，有助于理解血液的循环和输送机制。
第三章流体-固体颗粒间的运动和流态化
32
主要缺点: • 存在强烈的返混。对气固系统还存在明显的不均匀性, 如气泡、 节涌、沟流等, 这些都引起气固接触时间的不均性, 从而降低反应 的转化率、产率,甚至产品的质量。 • 颗粒有相当的磨损而粉化, 气体夹带也引起固体损失, 需安装旋 风分离设备。
同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器。 将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，
若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小 的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b两种颗粒 要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直 径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速 度，使两者不能完全分离。
Fd
ma
6
d 3s g
6
d3g
4
d
2
1 2
u2
6
d
3s
du
d
整理得 ：
du ( s )g 3 u2
d
s
4d s
开始瞬间，u 0，du 最大，颗粒作加速运动。 d
12
二、沉降的等速阶段
随u↑, Fd↑, 到某一数值ut时，上式右边等于零，此时
du
d
0，颗粒
将以恒定不变的速度ut维持下降。此ut称为颗粒的沉降速度或造端速度。
流体中, 床层认为开始流化, 临界流化速度为umf。 • 密相流化 流速再大, 悬浮的固体颗粒床层继续膨胀, 可观察到
一些固体颗粒被气体夹带而出, 但床层还有一个清晰起伏的界面。 • 稀相流化 流速很大, 流体流速与固体颗粒的重力沉降速度相等
粒子运动研究颗粒在流体中的运动和受力情况
粒子运动研究颗粒在流体中的运动和受力情况粒子运动研究：颗粒在流体中的运动和受力情况在科学研究领域中，颗粒运动是一个重要的课题。
颗粒在流体中的运动和受力情况对于理解物质的宏观性质以及许多实际应用具有重要的意义。
本文将介绍有关颗粒在流体中运动和受力的研究成果，并探讨其应用前景。
一、流体中的颗粒运动现象颗粒在流体中的运动受到流体环境的影响，其运动规律复杂多样。
根据颗粒与流体之间相互作用的特点，颗粒在流体中运动主要分为扩散、沉降、悬浮等几种常见现象。
1. 扩散：扩散是指颗粒在流体中由于热运动而发生的无规则扩散。
颗粒在流体中扩散的速度与其粒径大小、流体的温度、浓度梯度以及颗粒形状等因素有关。
2. 沉降：当颗粒位于流体中时，会受到重力和阻力的作用。
较大的颗粒由于重力的作用，会向下沉降。
沉降的速度与颗粒的大小、密度、流体的黏性以及流体中的其他粒子相互作用等因素有关。
3. 悬浮：当颗粒的密度与流体的密度接近或相同时，颗粒可以悬浮在流体中。
在某些特定的情况下，颗粒与流体之间会存在浮力的作用，使得颗粒能够悬浮在流体中。
悬浮的稳定性取决于颗粒的大小、密度、流体的密度以及流体中其他粒子的相互作用等因素。
二、颗粒在流体中的受力情况颗粒在流体中的运动受到多种力的作用，包括浮力、重力、阻力、颗粒间相互作用力等。
这些力相互作用，决定了颗粒在流体中的运动轨迹和速度。
1. 浮力：当颗粒的密度小于流体的密度时，颗粒受到的浮力会使其向上浮升。
浮力的大小与颗粒的体积、流体的密度以及颗粒与流体之间的相互作用有关。
2. 重力：重力是影响颗粒运动的另一个重要因素。
颗粒受到重力的作用会向下沉降或下沉。
重力的大小与颗粒的质量有关。
3. 阻力：颗粒在流体中运动时，会受到来自流体的阻力。
阻力的大小与颗粒的形状、速度以及流体的黏性有关。
4. 颗粒间相互作用力：当多个颗粒同时存在于流体中时，颗粒之间会相互作用。
这种相互作用力可以是引力或斥力，影响颗粒间的距离和排列形态。
化工原理上册 第3章 流体相对颗粒(床层)的流动及机械分离
τm
AP
(a)
(b)
(c)
图3-5 物体的不同形状和位向对曳力的影响 （a）-平板平行于流向；（b）-平板垂直于流向；（c）-流线型物体
水平方向，颗粒所受曳力：
颗粒微元： dFD p cosdA w sindA
总曳力：FD p cosdA w sindA
A
A
Pcosa dA PdA
τwdA
aB
A VB
V
A a(1 ) (1 )
aB a
3.3 流体和颗粒的相对运动
流体和颗粒相对运动的情况：
① 颗粒静止，流体绕过颗粒流动； ② 流体静止，颗粒流动； ③ 颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。
3.3.1 流体绕过颗粒的流动
(1) 曳力 阻力：颗粒对流体的作用力 曳力：流体对颗粒的作用力
② 非球形颗粒的曳力系数 计算方法： ◇ 近似用球形颗粒公式，ds→da 或 dv ◇ 实测ξ-Rep 关系（书P168 图3.3.2）
3.3.2 颗粒在流体中的流动
(1) 颗粒在力场中的受力分析
Fb
① 质量力 Fe mae Vs sae
②
浮力
Fb
m
s
ae
Vs ae
③
曳力
FD
AP
1 2
u 2
1
)3
( 6dV2 / a )1/3 ( 6dV2 )1/3
a
因此， dV
6
a
2）等比表面积当量直径 da 指：与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径
a
as
d
2 s
6
d
3 s
6/ ds
da
因此，da 6 / a
颗粒与流体之间的相对运动
9/127
它的各个筛用其筛网上每英寸长度上的孔数作为筛号，也称 为目，且每个筛的筛网金属丝的直径也有规定，因此一定目 数的筛孔尺寸一定(见表3-1)。如100号筛，1英寸长有筛孔 100个，它的筛网的金属丝直径规定为0.0042in，故筛孔的净 宽度为：(1/100-0.0042)=0.0058in=0.147mm，因而筛号愈大， 筛孔愈小，相邻筛号的筛孔尺寸之比为2 0.5 (即筛孔面积按2 的倍数递增)。 筛分时，将一系列的筛按筛号大小次序由下到上叠起来，最 底为一无孔底盘。把要筛分的颗粒群放在最上面的筛中，然 后将整叠筛均衡的摇动(振动)，小颗粒通过各筛依次下落。 对每一筛，尺寸小于筛孔的颗粒通过而下落，称为筛下产品； 尺寸大于筛孔的颗粒留在筛上，称为筛上产品。振动一定时 间后，称量每个筛上的筛余物，得到筛分分析的基本数据。
要实现这种分离其方法是使分散物质与分散介质之间发生相对运动所以非均相物系的分离操作也遵循流体流动的基本规本章主要讨论液固非均相物系和气固非均相物系分离所依据的基本原理和设备即颗粒相对于流体而运动的沉降操作和流体相对于固粒而运动的过滤操作
第三章 颗粒与流体之间的相对运动
3.0 概述
3.0.1 均相物系和非均相物系 均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混 合物系。 溶液以及各种气体的混合物都是均相物系，它们的分离方法 将在后面章节讨论。 非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料 的性质不同的混合物系。
2013年5月30日
3/127
3.0.4 非均相物系分离的目的
1回收有用物质 如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作为产品， 或者从某些排泥中回收带走的液体等。 2净化物料 如除去浑液中的固相杂质而使其成为清液，或者使压缩后气 体中的油滴分离而净化气体等。 3环境保护的需要 象烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到一定标准， 以防止对大气、河海等环境污染。
3.3沉降
转鼓直径、转速，则Fr ，分离效果
离心机的分离因数KC 其产生的离心加速度与重力加速度之比
常速（ KC <3000） 高速（ 3000<KC <50000 ） 超速（ KC>500000 ） （1）过滤式离心机 （2）沉降式离心机 （3）分离式离心机
ut 1.74
gd s
④ Ret>2105
阻力系数骤然下降 层流边界层湍流边界层
分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降
Re t (3 ~ 10) 10
5
近似取=0.1
（5）沉降公式使用方法 ①事前能够确认流动区域，直接用对应公式 ②流动区域不能确定，采用试差法
s Vs
A
说明
①dmin~颗粒、气体性质，气体处理量，底面积 ②考虑是dmin ，一般认为处在层流区
（3）最大处理量
Vs BLu t
说明
①Vmax~某一粒径能100%被去除
②Vmax~ (100%去除的) d, A，与H无关
（4）补充说明 ①气体均布重要性——入口锥形 ②横截面大——操作气速低不被卷起 底面积大——分离效率高 多层
某一粒径能(100%)被分离出的条件 其穿越B所需时间〈停留时间
B 18 rm B 假设(2)沉降时间 2 u r d s ui2
B 18rm B 2rm Ne 2 2 u r d s ui ui 9B d dc Neui s
一般取Ｎ＝５
dc～气体性能、结构、处理量
常表示为
阻力系数实测
2 16 AB 经验 2 D1
p
u i2
（3）选型与计算 表3-3、3-4 动画演示
化工原理第三章1沉降
实验装置与步骤
• 实验装置：沉降实验装置主要包括实验管、测量段、流量计、 压力计、搅拌器和数据采集系统等部分。实验管采用透明材料 制成，以便观察颗粒的沉降行为。测量段用于放置光学检测器 或摄像头，以便记录颗粒的沉降过程。流量计用于测量流体的 流量，压力计用于测量流体的压力，搅拌器用于保证流体的均 匀性。数据采集系统用于实时采集实验数据。
沉降的原理
由于颗粒或液滴受到重力 作用，它们会向气体的下 游方向移动，最终在某一 位置沉积下来。
沉降的分类
重力沉降、离心沉降和惯 性沉降。
重力沉降速度的计算
斯托克斯定律
颗粒在静止流体中的沉降速度与颗粒直径的平方成正 比，与流体粘度成反比。
修正的斯托克斯定律
考虑到颗粒形状、密度和流体粘度的影响，对斯托克 斯定律进行修正。
颗粒的密度
颗粒的密度是指颗粒的质量与其体积的比值。密度大的颗粒在流体中更容易下沉 ，而密度小的颗粒则更容易漂浮。
在化工生产中，密度差异是实现固液分离的重要依据之一。
颗粒的粒径和粒径分布
颗粒的粒径是指其直径或宽度，而粒 径分则是指颗粒群中不同粒径颗粒 的分布情况。
粒径和粒径分布对颗粒的沉降速度和 沉降效果有显著影响。在化工生产中， 控制颗粒的粒径和粒径分布对于提高 产品质量和生产效率具有重要意义。
数据分析
对处理后的数据进行统计分析，包括描述性统计、相 关性分析和回归分析等步骤。描述性统计主要是计算 平均值、中位数、标准差等统计量，相关性分析主要 是分析各因素之间的相关性，回归分析主要是建立数 学模型预测沉降速度。通过数据分析可以得出颗粒的 粒径、密度、流体粘度等因素对沉降速度的影响程度 和规律，为实际工业应用提供理论依据。
颗粒的流体阻力特性
颗粒与流体之间的相对运动
三、旋风分离器的性能
1、临界粒径：是指在旋风分离器中能被完全分离下来的最小颗粒直径。
临界粒径是判断分离效率高低的重要依据。
第三章颗粒与流体之间的相对运动
一、前言：(本章:本质上讲:属于流体流动过程,从方法或手段上讲:属于非均相分离过程,下册讲的蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程)。
1、相：体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。相与相之间有明确的界面。
例如：气、液、固称为三态，每一态又称为一相。再例如：空气（或溶液）虽是混合物，但由于内部完全均匀，所以是一个相。水和冰共存时，其组成虽同是 ，但因有不同的物理性质，所以是两个相；水、冰和蒸汽共存时是三个相。两块晶体相同的硫磺是一个相，两块晶体不同的硫磺（如斜方硫和单斜硫）是两个相。
(5)总效率与分效率的关系
式中 －颗粒直径在第i小段范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率。
5、压强降
—阻力系数为常数，对标准型旋风分离器 ，旋风分离器的压强降一般为
一般颗粒密度大，粒径大、进口气速高及粒尘浓度高都有利于分离。但进口气速过高则涡流加剧反而不利于分离。旋风分离器的进口气速一般在 范围内。
若进入连续沉降槽,料浆体积流量为 ，其中固相体积分率为 ，底流中固相体积分率为 则：底流中固相体积流量 ， （因为稳定操作,各个不同深度处浓度是恒定的，所以料浆中固相体积流量必须等于底流中固相体积流量。化工生产是稳定的,各个车间工段的设备均是稳定的。即:料浆中固相体积流量必须等于底流中固相体积流量）。
流体的颗粒运动和颗粒输送
流体的颗粒运动和颗粒输送流体的颗粒运动和颗粒输送是颇具研究价值的领域，广泛应用于化工、制药、能源和环保等行业。
本文将介绍流体颗粒运动的基本概念和机制，以及颗粒输送的相关技术和应用。
一、流体的颗粒运动1. 颗粒运动的分类颗粒运动可分为四种基本模式：扩散、沉降、混悬和分散。
扩散是指颗粒在流体中通过随机碰撞实现的无规则运动，沉降是颗粒由于重力作用向下运动，混悬是指颗粒在流体中悬浮，既有扩散又有沉降，分散是指颗粒在流体中均匀分布。
2. 颗粒运动的力学原理颗粒的运动由流体的力学性质和颗粒间的相互作用力共同决定。
流体的性质包括黏度、密度和流速等，这些因素直接影响颗粒的运动方式和速度。
颗粒间的相互作用力包括排斥力、引力和静电力等，决定了颗粒的聚集和分散状态。
3. 流体中颗粒的输运流体中颗粒的输运包括两个主要过程：颗粒的悬浮和颗粒的输送。
颗粒的悬浮是指颗粒在流体中保持悬浮状态，不沉降或聚集。
颗粒的输送是指颗粒在流体中的运动轨迹和速度，受到流体流速和颗粒特性的影响。
二、颗粒输送的技术和应用1. 气力输送气力输送是利用气体的高速流动来输送颗粒的一种技术。
气力输送广泛应用于粉末、颗粒状物料的输送和分散，包括燃煤粉末输送、水泥输送等。
气力输送具有输送距离远、动力消耗低的优势，但也存在颗粒磨损和堵塞的问题。
2. 液力输送液力输送是利用流体的扩散和沉降的特性来输送颗粒的一种技术。
液力输送常用于颗粒浓度较高的悬浮液输送，如矿渣浆的输送。
液力输送具有输送稳定、无粉尘污染的优点，但也存在能耗较高和颗粒分散度较低的问题。
3. 机械输送机械输送是利用机械装置和动力驱动来输送颗粒的一种技术。
机械输送包括螺旋输送机、皮带输送机等多种形式，广泛应用于粉末、颗粒物料的输送和储存。
机械输送具有输送稳定、适应性强的特点，但也存在能耗较高和颗粒磨损的问题。
4. 输送系统的设计与优化颗粒输送系统的设计与优化是提高输送效率和保证输送稳定性的关键。
在设计过程中，需考虑颗粒特性、输送距离、流体流速等因素，并进行流体力学和颗粒力学的分析。
化工原理第三章流体通过颗粒层的流动
第三章流体通过颗粒层的流动一、基本知识1.下列关于非均相物系的举例及说明中错误的是。
甲：泡沫液，是液气组成的非均相物质，其中分散相是液体，分散介质是气体。
乙：乳浊液，是液固组成的非均相物质，其中连续相是液体，分散介质是固体。
丙：烟尘气，是气固组成的非均相物质，其中连续相是气体，分散介质是固体。
丁：雾沫气，是气液组成的非均相物质，其中分散相是液体，分散介质是气体。
①甲、乙②乙、丙③丙、丁④丁、甲2.下面论断中正确的有。
①单位体积固体颗粒所具有的表面积称为该固体颗粒的比表面积②根据不同方面的等效性(质量等效、体积等效、比表面积等效等)，可以定义不同的当量直径③形状系数是与非球形颗粒体积相等的球的表面积除以非球形颗粒的表面积的商④对于球形颗粒，只要一个参数，即颗粒直径便可惟一地确定其体积、表面积和比表面积⑤对于非球形颗粒，必须定义两个参数(通常定义体积当量直径和形状系数)才能确定其体积、表面积和比表面积3.下面有关颗粒群论断中正确的是。
①在任何颗粒群中，都存在一定的尺寸(粒度)分布②颗粒粒度的测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法、电阻变化法、光散射与衍射法、表面积法等③对于大于70μm的颗粒，也就是工业固定床经常遇到的情况，常采用一套标准筛进行测量(筛分分析)④筛分使用的标准筛系金属丝网编织而成，各国习用筛的开孔规格各异，常用的泰勒制是以每英寸边长上的孔数为筛号或称目数4.下面有关颗粒群筛分结果论断中正确的有。
①筛分结果可用分布函数和频率函数图示②分布函数曲线上对应于某一尺寸dpi的分布函数Fi值表示直径小于dpi的颗粒占全部试样的质量分率，而该批颗粒的最大直径dp,max。
处，其分布函数Fi的值为1③频率分布曲线上在一定粒度范围内的颗粒占全部颗粒的质量分率等于该粒度范围内频率函数曲线下的面积，而频率分布函数曲线下的全部面积等于l④颗粒群的任何一个平均直径都不能全面代替一个分布函数5.颗粒的比表面积α和床层的比表面αB及床层的空隙率ε之间的关系式为。
化工原理 第三章-流体流过颗粒和颗粒层的流动3.
u2 dev
ReB
u a(1 )
Re p
6(1 )
Re p
10，umf
2
3 mf
de2v (s )g
150(1 mf )
取
2
3 mf
(1 mf )
111，umf
de2v (s )g 1650
Re p 1000，umf
第五节 固体流态化
大量固体颗粒，由于流体流动悬浮 于流体之中。 一、流态化基本概念
垂直圆筒中装填均匀颗粒
1)、固定床阶段，u较低
u1 u / ut，L为常数，p f u 2)、流化床阶段，u1 u / ut
若u1 ut， (界面上升、稳定)，
明显上界面，p f 不变 3)、气力输送 u ut
化工原理
清华大学 戴猷元教授
2003 年 2 月
目录
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
绪论
流体流动 流体输送机械 流体流过颗粒和颗粒层的流动 非均相物系的分离 传热 蒸发 总结
第三章 流体通过颗粒及颗粒床层的流动
第一节 概述 第二节 流体通过颗粒的流动 第三节 颗粒在流体中的流动 第四节 流体通过颗粒床层流动 第五节 固体流态化
3 mf
dev (s
)g
1.75
取
3 mf
1/14，umf
dev (s )g
24.5
2、带出速度u ut 对于大小不均匀分布d ut， d取值应比大多数d小 小颗粒：ut / umf 91.6 大颗粒：ut / umf 8.61 粒径小的操作范围宽
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流体流动切应 力——动量扩 散
du ( t ) dy
颗粒迁移— —质量扩散
dC M ( D Dt ) dy
气固两相流多媒体课件
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3.停止距离与层流底层之比
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4.颗粒在管内的沉降实验结果（1）
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5.颗粒在管内的沉降实验结果（2）
3.2 湍流中的颗粒运动
——苏绍礼、Ihrig & Kouh的研究成果
1、研究基本条件 正方形截面管道，尺寸76.3×76.3mm； 管内气流平均流速6.1~30m/s； 实验物料：玻璃珠，粒度100μm~200μm； 颗粒负荷：0~1.82kg/min；
管内雷诺数：Re<1.5×105;
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3.1 引言 根据第二章对流动的工程区域划分，整个流动区域
可以分成Stokes Flow、Allen Flow 和Newton Flow三个区域，在
这三个区域中，颗粒周围的气体流动情况是不同的，所 受到的流体作用力（主要是曳力）是不同的，因而颗粒 的运动也将是有区别的。 运动着的颗粒周围的气流流动情况如下图所示
L v Rt dt v Tt 拉格朗日积分尺度
Tt Rt dt — —特征时间
0
0
Rt
vt1vt 2 v v
2 t1 2 t2
— —时间相关系数
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3.管内颗粒的运动强度 •试验结果
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•分析与说明 1) 与上图比较可知:颗粒的湍流脉动强度大于气体的湍 流脉动强度; 2) 颗粒运动过程中,轴向的湍流强度比垂直方向的湍流
气固两相流多媒体课件 第三章 颗粒在流体中的运动
3.1 引言 3.2 湍流流动中的颗粒 3.3 矩形管道内水滴的轨迹 3.4 湍流气流中的颗粒沉降 3.5 在Allen和Newton曳力作用下的颗粒运动 3.6颗粒与固体表面碰撞的Vollheim模型 3.7 平板表面附近湍流气流中的细粒运动 (Bohnet理论)
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运动着的颗粒周围气体流动现象示意图
流体沿颗粒的流线光滑连续 前后基本对称 阻力主要是粘性力
(A) Stokes Flow (Re<
4
vg vp
10dp
)
颗粒上边界层 的影响范围
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运动着的颗粒周围气体流动现象示意图
(B) Allen Flow ( vg vp
•颗粒受力分析
1、重力 F 1 d 3 g g p p
6 2、浮力 F 1 d 3 g f p g 6
2 d p g (vg v p ) 2 3、流体对颗粒的作用力(主要是曳力) F C D D 4 2 •颗粒运动方程
vg>vp vp>vg
2 d p g (vg v p ) 2 3 3 dvp dpp CD d p ( p g )g 6 dt 4 2 6 2 d p g (vg v p ) 2 3 3 dvp dpp CD d p ( p g ) g 6 dt 4 2 6
4
< Re< 6
0
0 )
颗粒后部开始出现旋涡,且随流速增大而加剧 阻力除了粘性力以外，还有由于旋涡引起的形状阻力
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运动着的颗粒周围气体流动现象示意图
vg vp (C) Newton Flow (Re>
1
0
0
0 )
颗粒后部旋涡开始分离,开始离开颗粒表面 阻力主要是形状阻力
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强度高,并且均与颗粒的粒径有关。
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4.颗粒扩散系数和管内气体扩散系数比较 •试验结果
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•分析与说明
1) 气流的湍流扩散系数D随雷诺数的增加而增加;
2) 气固两相流中,颗粒的涡流扩散系数高于气流的涡流扩 散系数(比值大于1)。
3) 无量纲值Dp/D与准数P的关系（见图），其中P的定义 如下： L 2 2 5
及边壁附近流速不均匀的影响，在重力作用下，颗粒 出现随机运动的现象，颗粒轨迹不清晰。
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3.4湍流气流中的颗粒沉降
1.颗粒的迁移机理 温度梯度(温度分布均匀时可不考虑)
重力(垂直管中可不考虑)
扩散力(高度湍流内颗粒大于0.5微米时可忽略布朗 扩散力) 静电力 惯性力
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2.颗粒对气流湍流强度和湍流尺度的影响 •试验结果
拉格朗日 积分尺度
湍流强度 气流速度
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•分析与说明 ① 颗粒负荷在0.908~1.82kg/min范围内,由于颗粒浓 度较低,颗粒间的距离相当大,经重复试验发现,气体 的湍流强度与颗粒负荷(或颗粒浓度)无关; ② 拉格朗日积分尺度L随流速的增加而增加,其中:
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3.3 湍流中的颗粒运动——Watzel的研究成果
采用照相的方法对直径为360微米的水滴在水平矩形管道内 的运动轨迹进行了测量，结果如图所示。
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•水滴轨迹试验结果分析
雷诺数较低时，颗粒轨迹较清晰（如图中Re=978）；
在高雷诺数情况下（ Re>2700) ，由于受高湍流速度
P Fr Re p ( dp ) Re10
4) 对于粒径在50~200微米范围内的颗粒，Dp/D可用如 下经验公式表示：
Dp D 0.055 P 0.044
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5.室温条件下把颗粒加速到接近气流速度平均值所需 管道长度 •数学描述 假设颗粒引入时的轴向速度接近0，在轴向被加速到接 近气流速度V0，则: d (V0 V p ) 2 1 3 FD CD d p (V0 V p ) d p p 4 2 6 dt
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3.5在Allen和Newton曳力作用下的颗粒运动
1.颗粒的垂直运动基本分类
(1)颗粒向上的运动速度大于气流向上的
两 种 情 况
运动速度,这时候流体对颗粒运动起阻滞
作用
(2)颗粒向上的运动速度小于气流向上的
运动速度,颗粒垂直运动的理论计算