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1、·42·化学工程1997年第25卷第5期不同粒径固体颗粒的悬浮速度计算及测试吕子剑曹文仲刘今吴若琼(郑州轻金属研究院,郑州450041)(中南工业大学化学工程系)分析讨论了不同粒径固体颗粒群的料浆流体力学特性,并在模型反应器中对其悬浮速度进行了实验测量。结果表明,以粒径范围为判据判定颗粒周围流场的流态,可使悬浮速度的测量、研究变得更简单、准确。研究采用悬浮分级模型,提高了悬浮速度的分析计算精度。关键词:流体力学悬浮速度固体颗粒悬浮分级模型液固系料浆反应器关键的宏观动力学因素是固体因为颗粒达到自由悬浮时,必须满足流体动力与[4]
2、颗粒在液体中的运动。它涉及反应器的选型和浮重相等、方向相反这样的力学平衡,所以尺寸的选定。一般湿法冶金过程的浸出反应器多4gds(s-)ds(s-)[5]V0==3.62处在垂直系统中,为了加速反应,常采用空气或3CC机械搅拌,而对于连续操作的反应器更多的是依(1)靠物料自身的湍流作用,所以考察固体颗粒和液但是,式(1)还不能用于实际颗粒的悬浮速[1]体的相对运动是选择反应最佳操作的基础。研究度计算,因为垂直系统中固体颗粒在液相中的相对运动,测量V0dsC=k,Re=实际悬浮速度,是设计最合理的浸出设备和选择R
3、e最优操作方法所必须的基础工作。即C是Re的函数,而V0也是要求的悬浮速度。用下述分区悬浮速度公式,可以求得用于实际计算1垂直系统中固体颗粒的运动和悬浮速度的公式,即用不同阻力特性的粒径范围来判定流在含有颗粒和流体的垂直系统中,当流体以态。将悬浮速度计算公式划分为三个应用区间。小于固体自由沉降速度向上运动时,固体将下降;(1)粘性阻力区(滞流区)[2]如果流体以大于固体的自由沉降速度向上运动因为时,则固体将上升;而当流体等于固体自由沉降V0ds24Re≤1,Re=,C=Re速度向上运动时,固体将处在一个水平上呈摆动将C值
4、代入式(1),得状态,此时流体的速度称为该固体颗粒的自由悬2ds(s-)g浮速度,以下简称悬浮速度。显然,悬浮速度与沉V0=18降速度在数值上是相等的,方向相反。该式是粘性阻力区悬浮速度的斯托克斯(Stokes)在反应器内,如果固体颗粒处于悬浮状态,即公式。至此,该式还是无法应用,因为Re数未知,由于流体向上运动使颗粒群悬浮,这时流体对颗也就不能判定Re≤1,但是,由粒的阻力,常称为流体动力。ReV0=1.1悬浮速度的一般表达式及其计算ds对于直径为d2s的球形颗粒,在流体中的浮重为ds(s-)gRe=318
5、dsWs=ds(s-)g6218Re濎得ds=[](2)当悬浮速度以V0表示时,则颗粒所受流体动力由g(s-)[1]因次分析法推算为:因为在粘性阻力区,Re≤1,将其代入式(2)得222V0濎F=Cdsds≤1.225[]42(s-)吕子剑等不同粒径固体颗粒的悬浮速度计算及测试·43·′2所以,当粒径范围满足该不等式时,颗粒悬浮速-(V0)V(s-)g=C1a1度的流场为绕流状态。2-式中V为悬浮颗粒体积,C1,a1分别为实际悬浮颗(2)过渡区同样,根据过渡区条件[2]粒的迎流面积和摩
6、擦阻力系数。因为两者浮重相等,所以101≤Re≤500,C=′22Re(V0)V0C1a1=Ca22可以求得如下不等式22近似地按a1≈a(a,a1为迎流面积)处理,则有濎濎1.225[]≤ds≤20.4[](s-)(s-)′ds(s-)V0≥V0/c1/c=3.62(5)(3)CKs即当粒径满足此不等式时,悬浮速度计算式为Ks=C1/C为形状系数,它等于两阻力系数之比。2(s-)濎1.2.2颗粒群悬浮速度的计算V0=1.196ds[]实际液固反应器中,当固体颗粒含量增大,颗(3)压差阻
7、力区(湍流区)粒群之间的相互摩擦和局部撞击影响增强,颗粒[2]根据颗粒的阻力系数与雷诺数的关系,求群中粗细粒子所需悬浮动力不同,产生悬浮分级,得压差阻力区条件为引起垂直方向有效截面积从下往上逐渐变大,流5500≤Re≤2×10,C=0.44体动力沿反应器轴向向上逐渐变小。所以,考虑物适用于压差阻力区的粒径范围公式料中一定液固比以及颗粒群的悬浮分级,可建立22濎濎如下流态模型(图1)。20.4[]≤ds≤1100[](s-)(s-)图1显示,物料中固体颗粒占据一定截面,使(4)得反应器流通截面减小,颗粒周围流
8、体速度增大,当悬浮颗粒在此粒径范围里,悬浮速度计算式为从而使颗粒获得附加流体动力。根据上面的物理ds(s-)模型,可以将物料中固体颗粒的含量、悬浮分级V0=5.45对悬浮速度的影响,转化为器壁有限空间对悬浮1.2不规则颗粒及颗粒群悬浮速度速度的影响。上面讨论了当量球形颗
