干擾床中顆粒自由沉降速度的研究

2014-05-02 05:47:10趙樹凱

山東工業(yè)技術(shù) 2014年10期

趙樹凱，郝　凱

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京　100083）

干擾床中顆粒自由沉降速度的研究

趙樹凱，郝凱

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

【摘要】干擾床中顆粒的密度、粒度不同,在同一流體中的沉降速度也不同。高密度粗粒具有較大的沉降速度,低密度細(xì)粒的沉降速度則較小。顆粒的密度和粒度是影響自由沉降末速的主要因素，通過試驗(yàn)得出如下結(jié)論：阿連公式是計(jì)算粗顆粒自由沉降末速的最佳物理模型，隨著粒度和密度的增大,顆粒的自由沉降末速也隨之增加，計(jì)算值與實(shí)測值差距越大。

【關(guān)鍵詞】干擾床；自由沉降；物理模型；阿連公式

前言

目前液固流化床是用于解決細(xì)粒煤高效分選和分級(jí)的重要設(shè)備之一,并已大量工業(yè)化應(yīng)用。在流化床分選機(jī)中,顆粒在同一介質(zhì)中的自由沉降速度主要取決于顆粒自身的密度和粒度，大粒度、高密度的煤粒具有較大的沉降速度，成為重產(chǎn)物。而低密度、小粒度的煤粒具有較小的沉降末速易隨水流上升成為輕產(chǎn)物[1]-[2]。大粒度、低密度和小粒度、高密度的顆粒在分選中極易發(fā)生錯(cuò)配，造成精煤損失和污染。因此研究顆粒在流化床中的沉降速度對流化床的合理應(yīng)用具有重要意義。

1　自由沉降

自由沉降是單個(gè)顆粒在無限寬廣介質(zhì)中的沉降，這是最簡單的沉降運(yùn)動(dòng)形式,其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受重力和阻力支配，研究顆粒的自由沉降規(guī)律,是研究粒群干擾沉降的基礎(chǔ)。為了確定球形顆粒在介質(zhì)中的自由沉降末速,學(xué)者們提出了不同的計(jì)算公式,其中最著名的是根據(jù)雷諾數(shù)的范圍而采用的三個(gè)沉降末速公式：

（1）當(dāng)?shù)V粒尺寸微小或礦粒相對介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度較小，且其形狀又易于流體繞流，附面層沒有分離時(shí)，摩擦阻力占優(yōu)勢，雷諾數(shù)Re≤1時(shí),應(yīng)用斯托克斯公式：

來計(jì)算顆粒的自由沉降末速。

（2）當(dāng)?shù)V粒尺寸較粉塵大，速度也稍大時(shí)，且顆粒沉降時(shí)后部開始出現(xiàn)附面層分離，其粘性摩擦阻力和壓差阻力是相同數(shù)量級(jí)雷諾數(shù)Re = 1～ 500時(shí),應(yīng)用阿連(H·F·Allen，1900)公式來計(jì)算顆粒的自由沉降末速。

（3）當(dāng)?shù)V粒尺寸或礦粒的相對速度較大時(shí)，且其形狀又不易使介質(zhì)繞流，導(dǎo)致其較早發(fā)生附面層分離，500＜Re＜2×105時(shí)，應(yīng)用牛頓-雷廷智公式：

來計(jì)算顆粒的自由沉降末速。式中：V0s為顆粒的斯托克斯公式計(jì)算的顆粒的自由沉降末速；

V0a為顆粒的阿連公式計(jì)算的顆粒的自由沉降末速； Von-R為顆粒的牛頓-雷廷智公式計(jì)算的顆粒的自由沉降末速；

g為重力加速度；δ為顆粒的密度；ρ為介質(zhì)的密度；μ為介質(zhì)的動(dòng)力粘度系數(shù)；d為顆粒的直徑。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中需要確定各窄密度、窄粒度級(jí)中各樣品的具體密度和體積當(dāng)量直徑。計(jì)算了30種不同粒度、不同密度粗煤粒的自由沉降末速和雷諾數(shù),采用自由沉降末速的物理模型,分別用斯托克斯公式、過渡區(qū)起始段個(gè)別公式、阿連公式、過渡區(qū)末端個(gè)別公式以及牛頓-雷廷智公式進(jìn)行計(jì)算經(jīng)分析知粗煤泥在液固流化床中的自由沉降應(yīng)用阿連公式計(jì)算較適合[1,4]結(jié)果見表1。

由表1可知,（1）顆粒的自由沉降末速會(huì)隨著煤炭粒度的增大而逐漸增大,同時(shí)大都接近線性變化。在一定粒度范圍內(nèi),兩者相差不大,但是隨著煤炭粒度的變大,不同粒級(jí)間的速度差值變的越來越大,這是因?yàn)榱６仍酱?顆粒的球形度就越差,形狀系數(shù)就越大,自由沉降末速也就越大,兩者差值也就越大；（2）阿連公式計(jì)算值比實(shí)際測量值要大,特別是隨著粒度的增大,自由沉降末速的計(jì)算值與實(shí)測值的差值越來越大。可以看出,隨著粒度增大時(shí),各顆粒自由沉降末速變化的越來越大；（3）隨著顆粒密度的增大,自由沉降末速也隨著增大,而且沉降末速隨密度增大的趨勢與隨粒度增大的趨勢很相似,同時(shí)阿連公式計(jì)算值比實(shí)際測量值要大。