第四章 颗粒—流体两相流动 流体与颗粒的相对运动 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 流体与固体颗粒之间有相对运动时,将发生动量传递。 颗粒表面对流体有阻力,流体则对颗粒表面有曳力。 阻力与曳力是一对作用力与反作用力。 由于颗粒表面几何形状和流体绕颗粒流动的流场这两个方面 的复杂性,流体与颗粒表面之间的动量传递规律远比在固体 壁面上要复杂得多。 爬流(Creeping flow): 来流速度很小,流动很 缓慢,颗粒迎流面与背 流面的流线对称。 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 在球坐标系中用连续性方程和 N-S方程可得到颗粒周围流体中 剪应力 r 和静压强 p 的分布为 r 3 u R
Download ReportTranscript 第四章 颗粒—流体两相流动 流体与颗粒的相对运动 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 流体与固体颗粒之间有相对运动时,将发生动量传递。 颗粒表面对流体有阻力,流体则对颗粒表面有曳力。 阻力与曳力是一对作用力与反作用力。 由于颗粒表面几何形状和流体绕颗粒流动的流场这两个方面 的复杂性,流体与颗粒表面之间的动量传递规律远比在固体 壁面上要复杂得多。 爬流(Creeping flow): 来流速度很小,流动很 缓慢,颗粒迎流面与背 流面的流线对称。 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 在球坐标系中用连续性方程和 N-S方程可得到颗粒周围流体中 剪应力 r 和静压强 p 的分布为 r 3 u R
第四章 颗粒—流体两相流动 流体与颗粒的相对运动 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 流体与固体颗粒之间有相对运动时,将发生动量传递。 颗粒表面对流体有阻力,流体则对颗粒表面有曳力。 阻力与曳力是一对作用力与反作用力。 由于颗粒表面几何形状和流体绕颗粒流动的流场这两个方面 的复杂性,流体与颗粒表面之间的动量传递规律远比在固体 壁面上要复杂得多。 爬流(Creeping flow): 来流速度很小,流动很 缓慢,颗粒迎流面与背 流面的流线对称。 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 在球坐标系中用连续性方程和 N-S方程可得到颗粒周围流体中 剪应力 r 和静压强 p 的分布为 r 3 u R 2 4 sin R r 3 u R p p 0 gz cos 2 R r 2 式中p0为来流压力。 流体对单位面积球体表面的曳力(表面摩擦应力)为 s r rR 3 u 2 R sin 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) r 在 z 轴的分量为 z r cos / 2 r sin d 所以整个球体表面摩擦曳力 在流动方向上的分量 F 为 F 2 0 d sin r 0 2 rR R d 2 sin d 3 u 2 d sin sin R sin d 4 R u 2 R 0 0 —— 表面曳力 (Wall drag) 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 流体静压强对整个球体表面的作用力在流动方向上的分量为 Fn 2 0 d 2 0 cos p rR R 2 sin d 3 u 2 d p 0 gR cos cos R sin cos d 2 R 0 0 4 R g 2 R u 3 3 浮力 Fb 与流体运动无关 流体对颗粒的形体曳力 Fp 正比于流速 u ——形体曳力(Form drag) 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 流体流动对颗粒表面的总曳力为摩擦曳力与形体曳力之和 F d F F p 4 R u 2 R u 6 R u ——斯托克斯(Stockes)定律 颗粒雷诺数 Re p d pu 严格说只有在 Rep < 0.1 的爬流条件下才符合上式的求解条件 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 颗粒表面的总曳力 Fd Fd C D A p u 2 2 24 (1) Rep<2,层流区 (斯托克斯定律区) CD (2) 2<Rep<500,过渡区 (阿仑定律区) CD (3) 500<Rep<2×105,湍流区 (牛顿定律区) C D 0.44 Re p 18 . 5 Re 0 .6 p (4) Rep>2×105,湍流边界层区 边界层内的流动也转变为湍流,流体动能增大使边界层分 离点向后移动,尾流收缩、形体曳力骤然下降,实验结果 显示此时曳力系数下降且呈现不规则的现象,CD 0.1。 曳力与曳力系数(Drag and drag coefficient) 曳力系数 CD 与颗粒雷诺数 Rep 的关系 流体绕球形颗粒流动时的边界层分离 0 0 u0 A B 85 C A u0 B 140 C 自由沉降与沉降速度(Free settling and settling velocity) 单颗粒(或充分分散、互不干扰的颗粒群)在流体中自由沉 降时在所受合力方向上产生加速度 m du dt F 合力为零时,颗粒与流体之间将保持 一个稳定的相对速度。 Fb Fd Fd Fg-Fb CD ut Fg 2 u t2 d p 2 4 d 3 4 p 1 6 p d 3p p g g C D ——重力场中的沉降速度 ut 由颗粒与流体综合特性决定,包括待定的曳力系数CD 自由沉降与沉降速度(Free settling and settling velocity) 颗粒-流体体系一定,ut一定,与之对应的Rep 也一定。 根据对应的 Rep,可得到不同Rep范围内 ut 的计算式: ut (1) Rep<2,层流区(斯托克斯公式) (2) 2<Rep<500,过渡区(阿仑公式) (3) 500<Rep d u t 0.27 <2×105,湍流区(牛顿公式) 2 p p g 18 d p u t 1.74 p g R e 0.6 p d p p g 因Rep中包含 ut,故需通过试差确定计算公式。 灵活运用上述原理还可以根据颗粒在流体中沉降速度的实验 数据关联出颗粒的粒度 dp 或密度 p。 自由沉降与沉降速度(Free settling and settling velocity) ut 是颗粒在流体中受到的曳力、浮力与重力平衡时颗粒与流 体间的相对速度,取决于流固二相的性质,与流体的流动与 否无关。 颗粒在流体中的绝对速度 up 则与流体流动状态直接相关。 当流体以流速 u 向上流动时,三个速度的关系为: u p u ut u = 0,up = ut 流体静止,颗粒向下运动; up = 0,u = ut ,颗粒静止地悬浮在流体中; u > ut , up > 0, 颗粒向上运动; u < ut , up < 0,颗粒向下运动。 非球形颗粒的几何特征与曳力系数 一般采用与球形颗粒相对比的当量直径来表征非球形颗粒的 主要几何特征。 等体积当量直径 deV 等表面积当量直径 deA 等比表面积当量直径 dea 颗粒形状系数 d eV d eA 6V 3 A ap Ap V A p 6 d d ea p 6 a 6 A V ap 非球形颗粒4个几何参数之间的关系 a A d eV d eA 2 d ea d eV 工程上多采用可以测量的等体积当量直径 deV 和具有直观意 义的形状系数A。 流体通过固定床的流动 固定床(Fixed bed):固定不动的固体颗粒层 例:固定床催化反应器、吸附分离器、离子交换器等。流体 在固定床中的流动状态直接影响到传热、传质与化学反应。 颗粒床层的几何特性 粒度分布 测量颗粒粒度有筛分法、光学法、电学法、流 体力学法等。工业上常见固定床中的混合颗粒,粒度一般大 于70mm,通常采用筛分的方法来分析颗粒群的粒度分布。 标准筛:国际标准组织 ISO 规定制式是由一系列筛孔孔径递 增(0.045 mm ~ 4.0mm)的,筛孔为正方形的金属丝网筛组 成,相邻两筛号筛孔尺寸之比约为2。 由于历史的原因,各国还保留一些不同的筛孔制,例如常见 的泰勒制,即是以筛网上每英寸长度的筛孔数为筛号,国内 将其称之为目数。 若筛孔直径为 di-1 和 di 相邻两筛的筛 留质量为mi,质量分率为xi,则有 d pi 1 2 d i-1 d i fi xi 密度函数 f 密度函数(频率函数)和分布函数 f i d i-1 d i 0 粒度等于和小于 dpi 的颗粒占全部 颗粒的质量分率 d i d pi d i-1 粒径d p Fi d 0 pi f d p d d p ——混合颗粒粒度分布函数 两函数可相互转换 f d pi 分布函数F 1.0 Fi dF d d p d 0 p d pi d m ax d pi 粒径d p 混合颗粒的平均直径 由于颗粒的比表面对流体通过固定床的流动影响最大,通常 以比表面积相等的原则定义混合颗粒的平均直径 dpm。 若密度为p的单位质量混合球形颗粒中,粒径为dpi的颗粒的 质量分率为xi,则混合颗粒的比表面为 a xi a i p 1 6 xi d 比表面相等 pm 6 1 a d pi p 对于非球形颗粒, 按同样的原则可得 d pm 1 xi d ea i xi d pi 1 也可用质量平均求混合颗粒的平均直径 xi d A i eV i d pm xd i pi 床层的空隙率、自由截面和比表面 床层空隙率 颗粒床层中空隙体积与床层总体积之比 床层自由截面 V 0 V b V b V V p b 颗粒床层横截面上可供流体流通的空隙面积 床层比表面 单位体积床层具有的颗粒的表面积 a b 1 a 流体通过固定床的压降 流体在颗粒床层纵横交错的空隙通道中流动,流速的方向与 大小时刻变化,一方面使流体在床层截面上的流速分布趋于 均匀,另一方面使流体产生相当大的压降。 困难:通道的细微几何结构十分复杂,即使是爬流时压降的 理论计算也是十分困难的, 解决方法:用简化模型通过实验数据关联。 简化的机理模型 L Le ± í¹ Û Ë Ù ¶ È u u 流体通过固定床的压降 把颗粒床层的不规则通道虚拟为一组长为 Le 的平行细管,其 总的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积、总的流动空间 等于床层的全部空隙体积。 该管组(即床层)的当量直径可表达为 d eb 4 管组流通截面积 管组湿润周边 d eb 4 床层空隙体积 床层颗粒的全部表面积 d eb 4 ab 4 a 1 将流体通过颗粒床层的流动简化为在长为 Le、当量直径 deb 的管内流动,床层的压降 p 表达为 pb Le d eb u 12 2 u1 — 流体在虚拟细管内的流速,等价于流体在床层颗粒空隙 间的实际 (平均) 流速。 u1 与空床流速(又称表观流速) u、空隙率 的关系 u1 u 流体通过固定床的压降 工程上为了直观对比的方便而将流体通过颗粒床层的阻力损 失表达为单位床层高度上的压降 pb L Le 1 L u 12 2 d eb (1 ) a L e 1 a 2 2 u u 3 3 8L ’ — 固定床流动摩擦系数 f Re b Re b d eb u 1 4 u a (1 ) 床层雷诺数 康采尼(Kozeny)式:Reb < 2 K K —— 康采尼常数,= 5.0 Re b pb L a (1 ) 2 K 3 2 u —— 康采尼(Kozeny)方程 流体通过固定床的压降 欧根(Ergun)关联式:Reb=(0.17~420) 4.17 0.29 Re b 100 ' 10 1.0 0.1 0.01 0.1 1.0 10 1000 100 10000 Re b pb a (1 ) 2 4 . 17 L pb L 150 1 d 3 2 ea 3 2 u 0 . 29 2 u 1.75 a (1 ) 1 d ea 3 3 u 2 u 2 —— 欧根 (Ergun) 方程 可用 A 与 deV 的乘积 (A deV) 代替 dea。 流体通过固定床的压降 当 Reb < 2.8 (Rep <10) 时,欧根方程右侧第二项可忽略。即流 动为层流时,压降与流速和粘度的一次方均成正比。 pb 150 L (1 ) d 3 2 2 ea u 当 Reb > 280 (Rep >1000) 时,欧根方程右侧第一项可忽略。 即流动为湍流时,压降与流速的平方成正比而与粘度无关。 pb L 1.75 (1 ) d ea 3 u 2 与管内 ~ Re 关系不同的是, ’ ~ Reb 的变化是一条连续 光滑曲线,说明流体在颗粒床层中由滞流到湍流是渐变过程, 这反映了颗粒床层对流体速度分布的均化作用。 固体颗粒流态化 (Fluidization) 流态化(流化床):颗粒在流体中悬浮或随其一起流动。 强化颗粒与流体间的传热、传质与化学反应特性。 流态化过程及流化床操作范围 膨 胀床 (散式 ) E u 初始流态化: 临界流化速度 umf 临界空隙率mf 床高 D L mf A C B L 0 鼓 泡床 (聚式 ) p b logp b 气 泡 相 D C B E u A F u mf u t 乳 化 相 颗粒被气流带出: 带出速度 u(=ut) logu 流态化过程床层压降及床高变化曲线 流化床操作范围:临界流化速度 umf 与带出速度之间 临界流化速度 umf是流化床的特性,是固定床变为流化床的一个转折点。可 由实验测定的Δpb~ u 曲线得到较准确的值。 初始流化时,床层内颗粒群(注意不是单颗粒)所受的曳力、 浮力与重力相平衡,即流体通过床层的阻力 Δpb 等于单位床 层面积上颗粒所受的重力与浮力之差 p b L m f 1 m f p g 因该状态下床层压降也符合欧根方程,将其与上式联立并用 (AdeV)代替 dea,可得 1 m f 150 2 3 m f A d ev 2 u m f 1.75 1 m f m f A d ev 3 u m2 f 1 m f p g 临界流化速度 当 deV 较小,umf 对应的 Rep<10 时,左侧第二项可忽略。则 u mf A d ev 150 2 mf 3 1 m f p g 当 deV 较大,umf 对应的Rep>1000 时,左侧第一项可忽略, u mf A d ev 3m f p g 1.75 注意:计算 umf 的准确程度及可靠范围取决于关联式本身。 应充分估计 umf 计算值的误差。最好以实验测定为准。 颗粒几何性质及床层 mf 可用经验式估算 A 3 mf 1 A 3m f 14 1 mf 2 1 11 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: L p u (a) u (b) u (c) u (d) u u (e) 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 不正常的流化现象 正常值 起伏 log p b log p B S 大高径比床层 log u 大直径床层 pb W A log u 腾涌(Slugging):颗粒层被气泡分成几段并像活塞一样被推 动上升,在顶部破裂后颗粒回落。腾涌时床层高度起伏很大, 器壁被颗粒磨损加剧,引起设备震动,损伤床内构件。 沟流:大量气体经过局部截面通过床层,其余部分仍为固定 床而未流化(“死床”)。 腾通与沟流都会使气—固两相接触不充分、不均匀、流化质 量不高,使传热、传质和化学反应效率下降。 改善聚式流化质量的措施 气体分布板:高阻分布板 (>10%Δpb,且>0.35mmH2O) 可使 气体初始分布均匀,以抑制气泡的生成和沟流的发生。 气体 气体 多孔板 气体 风帽 管式 内部构件:阻止气泡合并或破碎大气泡。 宽分布粒度:宽分布粒度的细颗粒可提高床层的均化程度。 床层振动: 气流脉动: 聚式与散式流态化的判断 散式流态化(Particulate fluidization): 特征:颗粒分散均匀,随着流速增加床层均匀膨胀,床内空 隙率均匀增加,床层上界面平稳,压降稳定、波动很小。 散式流态化是较理想的流化状态。一般流-固两相密度差较 小的体系呈现散式流态化特征,如液-固流化床。 聚式流态化(Aggregative fluidization): 特征:颗粒分布不均匀,床层呈现两相结构。即颗粒浓度与 空隙率分布较均匀且接近初始流化状态的连续相(乳化相)和 以气泡形式夹带着少量颗粒穿过床层向上运动的不连续相 (气泡相)。又称鼓泡流态化。 一般出现在流-固两相密度差较大的体系,如气-固流化床。 聚式与散式流态化的判断 气-固流态化与液-固流态化并不是区分聚式与散式流态化的 唯一依据,在一定的条件下气-固床可以呈现散式流态化(密 度小的颗粒在高压气体中流化)或者液-固床呈现聚式流态化 (重金属颗粒在水中流化)行为。 根据流-固两相的性质及流化床稳定性理论,B.Bomero 和 I.N.Johanson 提出了如下的准数群判据: F r m f R e p m f p L m f D 100 散式流态化 F r m f R e p m f p L m f D 100 聚式流态化 F r m f u 2m f g d p 临界流化条件下的弗鲁德数,D为床径 流化床床层高度及分离高度 流化数 实际操作流速与临界流化速度之比 u/umf 床层的流化状态和流化质量与流化数有很大关系 膨胀比 R 流化床的膨胀高度 L 与临界流化高度之比 R L L mf 1 mf 1 散式流化具有空隙率随流化数均匀变化的规律 聚式流化乳化相的空隙率几乎不变,床层膨胀主要由气泡相 的膨胀所引起。聚式流化床膨胀比是一个较难确定的参数。 流化床床层高度及分离高度 分离高度 H 或 TDH(Transport Disengaging Height): 流化床膨胀高度以上颗粒可以依靠重力沉降回落的高度。超 过这一高度后颗粒将被带出。TDH 的确定对流化床气体出 口位置的设计具有重要意义。 床高 TD H L 气体中颗粒的浓度 广义流态化体系 对高流化数(数百)下的操作,可在床顶设置旋风分离器将随 气流带出的颗粒(ut < u)回收并返回床内。 广义流态化体系:包括密相层、稀相段和颗粒输送段。 例:流态化催化裂化装置: 原料油高温气化后与催化剂颗粒 在提升管内形成高速并流向上的 稀相输送,5~7秒即可完成原料 油的催化裂解反应。催化剂经旋 风离器分离后由下行管进入再生 器,被从底部送入的空气流化再 生,停留时间约为7~12分钟。 裂解产物 反应器内的 旋风分离器 烟道器 吹出用 水蒸气 再生器 提升管 反应器 预热器 主风机 进料油 气力输送 (Pneumatic transport) 气力输送:在密闭的管道中借用气体(最常用的是空气)动力 使固体颗粒悬浮并进行输送。 输送对象:从微米量级的粉体到数毫米大小的颗粒。 优点:效率高;全密闭式的输送既可保证产品质量、又可 避免粉体对环境的污染;容易实现管网化和自动化; 可在输送过程中同步进行气固两相的物理和化学加 工(颗粒干燥、表面包裹、气固反应等)。 缺点:能耗高,设计和操作不当易使颗粒过度碰撞而磨蚀、 破碎,同时造成管道和设备的磨损。 气力输送 (Pneumatic transport) 气源 颗粒进料与加速段 料仓 风机 弯管加速区 进料段 颗粒加速段 气-固分离 膨胀段 密相 稀相 高磨损区 稳定输送段 气固分离装置 气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图 颗粒-流体两相的流体动力学特征常表现为流型转变 影响参数:气体流速 敏感参数:输送管内的压降 垂直气力输送 密相区 压 降 梯 度 p/ L G1 G3 G2 稀相输送与密相输送 G4 G5 压降最低曲线 e e e e c c d d d c a b d d e b b b a a 稀相区 c c B a b G0 系统动力消耗评价指标 用来表征流型 G5 G 4 G3 G 2 G1 A “哽噎”速度气 体 表 观 流 速 均相 u 垂直气力输送流型图 轻微 团聚 聚团 节涌 垂直气力输送管内流型 气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图 水平气力输送 输送中重力的作用方向与流动方向垂直,使 颗粒保持悬浮的不再是曳力、而是水平流动的气流对颗粒产 生的升力,因此管内流型(主要是密相)也有所不同。 压 降 梯 度 p/ L 最低压降曲线 均匀稀相 颗粒堆积 “沉寂”速度 5 4 2 1 “沙丘”流 3 “沉寂”速度 气体表观流速 u 水平气力输送流型图 水平“拴塞” 垂直气力输送管内流型 气力输送颗粒-流体两相流流动特性与流型图 气力输送装置的压降包括输送段压降、除尘装置压降和系统 内各管件、阀件压降。 直管输送段压降 p p p f p a p r p i pf —— 气体与管壁的摩擦损失 pa—— 颗粒加速所需的惯性压降 pr—— 使颗粒悬浮并上升的重力压降 pi—— 颗粒自身及与管壁的碰撞与摩擦压降 两相模型 把流体和颗粒看作具有相互作用的两相,在微元长度 L 内, 分别以流体相和颗粒相为控制体进行动量衡算,得到 颗粒相 mp du dt dc dt Fd Fw , g F f , g F p , g D Fd Fw , p F f , p F p , p L 流体相 mg u, c — 气相与颗粒相在管内的平均流速 mg , mp— 气相和颗粒相在控制体内的质量 z 若微元管段内的空隙率为,则 流体相 颗粒相 m g V m p 1 p d2 L 4 1 d2 p 4 L 两相模型 气相对颗粒相的曳力 Fd :对粒径为 dp 的颗粒 两相滑移速度 2 2 u 3 v 3 u c Fd 4 C Dm p p d 4 p C Dm p v d p p c u1 c 流体相摩擦阻力Ff,g:假定管内自由截面分率与 相等,则 F f ,g p f d 4 2 L u 1 d d 2 4 2 2 2 u1 2d mg 而将颗粒相的摩擦阻力 Ff,p 表达为 F f , p pi 1 d 2 4 2 2 L p c 1 d c i p mp d 2 4 2d 2 压降梯度对两相的作用力 Fp,g 和 Fp,p 分别表达为 p d L 2 F p , g z 4 p m g L p 1 d L 2 F p , p z 4 p m p L p 两相模型 以上各式中所有动力学参数及颗粒相摩擦系数 p 直接与管 内空隙率有关。气力输送中固体加料速率和两相的流速都直 接影响空隙率的大小。 颗粒质量流率为G,流体质量流率为w,则 气力输送加料比 G w 或以体积流率之比 来表达则为 V p V g G w p p 粗略估算时常以加料比判断流型,例如有人将 = 15 作为 密相输送与稀相输送的分界线。实际上,即使加料比相同, 两相的物性或流速不同,气力输送管道中固体颗粒的真实体 积密度并不一样。 两相模型 在均匀分布条件下,空隙率与颗粒流速 c、气体实际流速 u1 的关系为 c 1 p c p u 1 G w c u1 p 1 u c p c p 1 u 气固两相间的相互作用力 Fd 是两相模型的核心,目前要预 测其大小尚有许多困难,因此限制了两相模型的实际应用。 拟均相法 将两相视为一体来考察则不用考虑两相间的相互作用 Fd , 使问题得到简化 (在稀相输送条件下与实际情况相符)。 稳定输送段,颗粒、流体两相的加速度都为零时: p L g 1 p g u 12 2d p 1 pc 2 水平输送前两 项可略去 2d 式中: —— 流体相的摩擦系数 p —— 颗粒相的摩擦系数 4 p 0.0285 g d c 1 Konno & Saito 计算公式 1 2 颗粒流速 c 可用 IGT (Institute of Gas Technology) 修正式计算: c u 1 0.68 d 0.96 p 0.5 p 0.2 d 0.54 气力输送的类型及装置 稀相输送( < 15) 和密相输送( > 15) 负压体系:一般为稀相输送 引风机 气力输送的类型及装置 正压体系: 低压:<100 kPa;中压:<300 kPa;高压:<1000 kPa 送风机 气力输送的类型及装置 组合体系: 分流阀 引 (或 送 )风 机 气力输送的类型及装置 气力输送系统风机的选用 风机特性曲线与流型图上的压降 特性曲线适配。 如图,加料量为 G1 时,风机 II 和风机 I 均能满足稀相输送的操 作条件。 加料量增加到 G2 时,风机 I 已不 能满足稀相输送的条件。 加料量增加到 G3 时,两台风机 都不能满足稀相输送的条件。风 机特性曲线越陡峭(如正位移式 风机),在稀相输送区操作范围 内颗粒加料量的调节余地越大。 气力输送的类型及装置 固体颗粒加料器的选用 需考虑颗粒特性(流动性、粘附 性、易碎性、大小、形状、温度等),操作压力,是否连 续加料以及加料量的控制精度等。 平衡气流 文丘里管 旋转阀 输送气流 输送气流 固体颗粒加料器的选用 密相脉冲 加料 螺旋加 料器 切换阀 压缩空气 输送气流 平衡气流 输送气流 板阀