干擾床中顆粒自由沉降速度的研究

2014-05-02 05:47:10趙樹凱

山東工業技術 2014年10期

趙樹凱，郝　凱

（中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京　100083）

干擾床中顆粒自由沉降速度的研究

趙樹凱，郝凱

（中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，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，通過試驗得出如下結論：阿連公式是計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，計算值與實測值差距越大。

【關鍵詞】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粒煤高效分選和分級的重要設備之一,并已大量工業化應用。在流化床分選機中,顆粒在同一介質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生錯配，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用具有重要意義。

1　自由沉降

自由沉降是單個顆粒在無限寬廣介質中的沉降，這是最簡單的沉降運動形式,其運動狀態受重力和阻力支配，研究顆粒的自由沉降規律,是研究粒群干擾沉降的基礎。為了確定球形顆粒在介質中的自由沉降末速,學者們提出了不同的計算公式,其中最著名的是根據雷諾數的范圍而采用的三個沉降末速公式：

（1）當礦粒尺寸微小或礦粒相對介質的運動速度較小，且其形狀又易于流體繞流，附面層沒有分離時，摩擦阻力占優勢，雷諾數Re≤1時,應用斯托克斯公式：

來計算顆粒的自由沉降末速。

（2）當礦粒尺寸較粉塵大，速度也稍大時，且顆粒沉降時后部開始出現附面層分離，其粘性摩擦阻力和壓差阻力是相同數量級雷諾數Re = 1～ 500時,應用阿連(H·F·Allen，1900)公式來計算顆粒的自由沉降末速。

（3）當礦粒尺寸或礦粒的相對速度較大時，且其形狀又不易使介質繞流，導致其較早發生附面層分離，500＜Re＜2×105時，應用牛頓-雷廷智公式：

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

V0a為顆粒的阿連公式計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為介質的密度；μ為介質的動力粘度系數；d為顆粒的直徑。

2　試驗結果及分析

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

由表1可知,（1）顆粒的自由沉降末速會隨著煤炭粒度的增大而逐漸增大,同時大都接近線性變化。在一定粒度范圍內,兩者相差不大,但是隨著煤炭粒度的變大,不同粒級間的速度差值變的越來越大,這是因為粒度越大,顆粒的球形度就越差,形狀系數就越大,自由沉降末速也就越大,兩者差值也就越大；（2）阿連公式計算值比實際測量值要大,特別是隨著粒度的增大,自由沉降末速的計算值與實測值的差值越來越大。可以看出,隨著粒度增大時,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,同時阿連公式計算值比實際測量值要大。