物体在流化床中的终端末速.pdf

第3 0 卷第1 期 2 0 0 1 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 0 N o ．】 J a n ．2 0 0 l 文章墒号；1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 1 0 10 0 0 50 4 物体在流化床中的终端末速 韦鲁滨1 ，边炳鑫“2 ，陈清如3 ，赵跃民3 1 ．中国矿业大学化工与环境工程系。北京1 0 0 0 8 3 ‘2 ．黑龙江科技学院黑龙江鸡西1 5 8 1 0 5 3 ．中国矿业大学化工学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要对物体在流化床中的终端末速进行了实验研究和理论分析，结果发现，随着流化粒子粒度 的增大，床层表观粘度增大，但只引入少量粗粒子对流化床表现粘度影响不大．物体上浮时受到 的阻力要比下落时太一个数量级，平躺在气体分布板上的扁平状物体受到的浮力比理论计算值 小得多．物体迎流面积大小受床中流化粒子横向流动影响，并非总以最小迎流面积上升和下沉， 长条状物体在床层下部偏向于最小迎流面上升和下沉． 美键词；物体运动l 流化床l 沉降束速{ 流化粒子 中图分类号T D9 4 ；T D9 4 2文献标识码A 流化床分选作业中存在着粗细两类粒子．细粒 是指形成流化床的流化粒子，简称粒子或颗粒；粗 粒是指几何尺寸远大于流化粒子的被分选物料颗 粒，称作物体．粗细颗粒的协同作用对流化床分选 操作至关重要．作者曾利用磁性示踪技术，对物体 在流化床中的受力和沉降行为进行了研究[ 1 ’2 ] ，陶 有俊等对煤的浮选机理也进行了研究口1 本文将进 一步讨论物体在流化床中终端末速的计算。物体的 上浮行为．以及流化粒子、物体形状等对物体运动 行为的影响． 1实验装置、方法和物料性质 实验装置与文献[ 1 3 相同．流化床床体为内径 4 6m m 的有机玻璃圆管，沿流化床床高设置5 个 等间距的电感线圈，两临近线圈间隔4 0m m ，最下 面的第5 个线圈距气体分布板5 0m m ．流化的细 粒子选用了4 种粒级石英砂，密度为2 ．6 5g ／e r a 3 ， 4 种石英砂的粒级范围4 ，初始流化气速％和流 化床的床层密度n 见表1 ．其中，0 ．2 ～0 ．0 7 6F i l m 流化粒子中0 ．2 ～o ．1m m 粒级的质量分数约为占 8 ％．采用磁性示踪技术测量物体运动速度．沉降实 验时，先通人空气使床层流化，然后将单个磁性示 踪球放人流化床中心处，当示踪球通过线圈时引起 线圈电感和品质因数变化，线圈输出电压变化，经 放大后由计算机采样并显示．示踪球到达线圈的时 刻对应于该线圈的电压峰值，由线圈间距和磁性颗 粒穿越线圈的时间可算得示踪球在两线圈问沉降 的平均速度；上浮实验时，先将示踪颗粒埋于床层 底部，然后尽可能快地将气速调至设定值上，根据 示踪颗粒经过各线圈的时间测得其平均上浮速度． 衰1 石英砂糖性 T I b l e1 P h y s i c a lp r o p e r t yo fs i l i c as a n d 2 物体沉降速度的计算 研究表明，流化床的流变特性为B i n g h a m 粘 塑性流体Ⅲ，流化粒子作用在物体上的曳力可由修 正的R e y h o l d s 数』o ‰代人牛顿流体曳力公式算 出[ “．若牛顿流体曳力公式采用S c h i l l e r 和N a u m a n n [ s 3 的曳力系数关联式，有 c D 一麓 1 0 ．1 5 ＆m 0 ．6 8 7 ‰一p 旦r 啦o d o ／3 V r ． 1 式 1 的适用范围为R e 。 8 0 0 ，基本覆盖了浓相流 化床分选作业的操作范围．当物体沉降达到终端末 速q 时，‰一％此时，有 收囊1 ／{ 期t2 0 0 0 0 5 1 0 薹童珥目。国家九五攻关项目 9 5 2 1 5 0 3 I 高等学校骨干教师赍助计划 2 0 0 0 6 5 作謇筒介。韦鲁滨 1 9 6 2 一 ，男，证苏省插州市人，中国矿业太学硎教授，工学博士 博士后 从事干甚选煤研究． 万方数据 中国矿业大学学报第2 9 卷 V 一些紫， 2 盏鋈嬲三‘实1 验～值0 ．的0 7 对6m 比m ．粒级石英砂时 式中R P 。为修正R e y n o l d s 数；C D 为曳力系数；A ， 岛分别为床层和物体密度，k g ／m 3 } d 。为物体直径， I T I ；g 为重力加速度，m ／s 2 ；卢为塑性粘度， N s ／m 2 ；％为屈服应力，N ／m 2 m 为球体与流化 粒子间的相对速度，q 一轧一砩 ％，％分别为物体 和颗粒流的速度 ，m ／s ． 将式 1 代人式 2 ，有 一f 堡型 I ＆ ＆I 星1 5 ”～＼1 8 1 0 ．1 5 R e 6 ” 风J ’ 尺蠢一了塑 字号_ ． 3 p 十z O “o ／6 V r 户．r 。可通过落球法测出Ⅲ，若A ，“，d 。已知， 则可由式 3 算出相对沉降速度％”。可视为流化 粒子速度砩一0 时物体的沉降速度，记作。。从而 口t 一“ t 。 口P ． 4 作者对粗粒在流化床中的沉降行为进行了实验研 究口] ．发现不同密度和粒度的物体呈现不同的沉降 行为．高密度、大粒度物体基本按照其自身密度和 粒度沉降．对于这类物体，7 t o 即T t - 一- - V 。通过式 3 算出的沉降末速与实际测量值非常接近．图1 暑 j 、一／ c m s “ 图1密度和粒度较大物体的沉降末速 计算值与实验值对比 F i g ．1C o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t e d a n de x p e r i m e n t a lv a l u e so fs e t t l i n gv e l o c i t y f o rd e n s e ra n dc o a r s e ro b j e c t s 随着物体密度或粒度的减小，速度测量明显受 到流化粒子运动的影响，此时，n n ． ”，由于受 到流化粒子运动的影响．物体难以保持等速沉降． 比较而言，1 ，2 线圈和2 ，3 线圈段沉降速度较为接 近，记作”。；3 ，4 线圈和4 ，5 线圈段沉降速度较为接 近，记作v l ，表2 给出了物体沉降速度实际测量值 和计算值的部分结果． 表2 密度和粒度较小物体的沉降速度计算值和实验值 T a b l e2C a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t a lv a ] l i e so fs e t t l i n gv e l o c l t yf o rl i g h t e ra n ds m a l l e ro b j e c t s 从表1 中数据可以看出，通过式 3 算出的沉 降末速巩与实际测量值‰和“ 0 1 都有较大差异，说 明流化粒子运动对物体沉降确实影响较大．本研究 虽然没有对流化粒子速度％进行直接测量，但通 过”。‰，Ⅵ和式 4 可给出粒子速度砷的估计值． 从表2 中不难发现不同密度和粒度的物体，其 v 。一”。或u 。一“．大多比较接近，说明物体的沉降轨 迹基本上落在相同区域内．对表2 中序号N o ．3 ～ N n1 6 的”。一矾和％一”t 分别求平均，算得床层上 部流化粒子平均速度。。一4 ．4 4c m ／s ，床层下部 粒子平均速度口。 一1 ．8 2c m ／s 。“一”号表示粒子 速度方向向上，流化粒子在床层上部的向上运动速 度大于其在床层下部的速度，这与L i n 的结果一 致i - “．由式 4 可对”。．进行粒子运动影响的修正， 。。和‰分别为计算得到的修正值．经过修正后，较 大密度和粒度物体的计算速度与实际测量速度较 万方数据 第1 期韦鲁滨等物体在流化床中的终端末速 为接近，但随着物体密度和粒度的减小，计算速度 与测量速度的误差增大，表明低密度、小粒度物体 的沉降区域有从床层中心粒子上升流向床层边壁 粒子下降流过渡的趋势． 3 粒度对物体沉降行为的影响 流化粒子粒度对物体沉降速度影响较大，图2 给出的是采用不同粒度石英砂作为流化粒子时，钢 球的沉降速度变化． 从图中可以看出．随着流化粒子粒度的增大， 钢球沉降速度减小．因为随着粒度的增大，流化粒 子由G e l d a r t “ 1A 类粒子向B 类粒子转化，床层充 气性变差，空隙率减小．表观粘度增大．此外，钢球 在0 ．2 ～0 ．0 7 6m m 粒级石英砂中的沉降速度与在 0 ．1 ～0 ．0 7 6m m 粒级中的相差不大．说明少量粗 粒子的引入对流化床表观粘度影响不大． 8 0 6 0 4 0 2 0 O 如／m m - 卿I - O0 7 6 m m 0 2 ∞】m m ’’吐q2 ∞0 7 6 m ” 吐0 3 ∞2 m m 图2 物体沉降速度随粒度的变化曲线 F i g ．2 V a r i a t i o no fs e t t l i n gv e l o c i t yw i t hp a r t i c l es i z e 4 物体形状对物体上浮的影响 利用低密度示踪物进行了物体上浮速度测量， 并考察了物体形状因素的影响，部分实验结果列于 表3 ．其中，巩代表物体的体积等效粒度，”。代表1 ～3 线圈之间上浮速度，口- 代表3 ～5 线圈之间上 浮速度，流化粒子为0 ．1 ～0 ．0 7 6m m 粒级石英砂． 表3 物体上浮和形状因素实验结果 T a b l e3E x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs h i l * e f f e c ta n df l o a t i n gv e l o c i t yo fo b j e c t s 由于物体上浮轨迹和迎流面积具有一定的随 机性，上浮实验结果规律性不强．但从表中数据可 以看出．物体上浮速度要比按式 3 计算的沉降速 度小一个数量级。说明物体上浮时床层阻力要比下 落时大一个数量级，这可能是由于物体上浮时，其 上部流化粒子形成“死区”．此外，实验发现，如果气 速较小时．扁平状物体不能上浮，这可能是由于气 速低时，流化粒子发生一定程度的分级，床层底部 流化粒子活性不够．即使在气速较高时，如将扁平 状物体紧贴气体分布板放置，也难于上浮，这说明 物体下部为纯气体时，受到的浮力比利用理论预测 值要小．若将其放置在距气体分布板一定距离处， 则可立即上浮，表中等效粒度为l o ．7 3m r i l 扁平状 物体的上浮速度是将其初始位置放置距分布板 2 5m m 处测得的．上浮实验结果揭示我们，物料加 人分选机时，其下落初速应尽量接近于零．否则，对 粒度较大的浮物，进入床层时下落动量较大，这有 可能使其在床中下落一段距离而难于上浮．从物体 形状上看，扁平状的影响没有长条状大，而且物体 并非总以最小迎流面积上升和下沉．迎流面积大小 可能受床中流化粒子横向流动影响，对长条状物 体。在床层下部偏向于最小迎流面上升和下沉，可 能是因为床层下部粒子横向流较弱． 5 结束语 1 物体在流化床中的相对沉降速度可由式 3 算出． 2 流化粒子粒度对物体沉降速度影响较大， 随着流化粒子粒度的增大，床层表观粘度增大，物 体沉降速度减小．少量粗粒子的引入对流化床表观 粘度影响不大． 3 物体上浮时受到的阻力要比下落时大一个 万方数据 8中国矿业大学学报第2 9 卷 数量级．被选物料加入分选机时，其下落初速应尽 量接近于零． 4 气速较小时，扁平状物体不能从床层下部 上浮，即使在气速较高时，如将扁平状物体紧贴气 体分布板放置，也难于上浮． 5 物体迎流面积大小受床中流化粒子横向流 动影响，并非总以最小迎流面积上升和下沉．长条 状物体在床层下部偏向于最小迎流面上升和下沉． 参考文献 [ 1 ] 韦鲁滨．陈清如，邢洪波．气固流化床中粗粒的沉降 行为E J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 0 ，2 9 2 1 3 6 1 3 9 ． [ 2 ] 韦鲁滨，边炳鑫，陈清如．运动物体在浓相流化床中 的受力[ J ] ．中国矿业大学学报．2 0 0 0 ，2 9 5 4 8 0 4 8 3 ． 冉有俊．刘文札，路迈西，细粒煤浮选散学模型的研 究[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 9 ，2 8 5 4 2 5 4 2 8 ． 韦鲁滨．陈清如．用落球法测量悬浮体表观粘度口] ． 化工冶金，2 0 0 0 ．2 1 1 8 7 1 9 0 ． S c h i l l e r1 ，，N a u m a n nAZ ．U b e rd i eg r u n d l e g e n d e n B e r e c h n u n g e nb e id e rS c h w e r k r a f t a u f b e r e i t i n g [ J ] ．z V e tD e u tI n g t1 9 3 3 7 7 3 1 8 - 3 2 0 ． L i nJS tC h e nMM ，C h a oBT ．An o v e lr a d i o a c t i v e p a r t i c l et m c k i n gf a e i l i t yf o rm e a s u r e m e n to fs o l i dm O - t i o ni ng a sf l u i d l z e db e d s 口] ．A I C h EJ ，1 9 8 5 ，3 1 4 8 5 4 7 3 ． G e l d a r tD ．T y p e so ff l u i d i z a t i o n [ J ] ．P o w d e rT e c h n o l ，1 9 7 3 ，7 2 8 52 9 0 ． S t u d yo nT e r m i n a lV e l o c i t yo fO b j e c t sM o v i n gi nF l u i d i z e dB e d s W E IL u b i n l ．B I A NB i n g x i n l ’‘。C H E NQ i n g r u 3 ．Z H A OY u e m i n 3 1 ．1 3 e p a r t m e m0 { C h e m i c a la n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e l l i n g ，1 0 0 0 8 3 ’C h i n a ； 2 ．H e i l o n g j i a n gI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，J i x i H e i l o n g j i a n g I5 8 1 0 5 C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fC h e m i c a la n dE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h et e r m i n a lv e l o c i t yo fa no b j e c tm o v i n gi ng a s s o h df l u i d i z e db e d sw a se x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o - r e t i c a l l ys t u d i e d ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea p p a r e n tv i s c o e i t yo ft h eb e di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ff l u i d i z e dp a r t i c l es i z e ．b u ti tv a r i e sl i t t l ew h e ns o m ec o a r s e rp a r t i c l e sa r em i x e dw i t ht h ef l u i d i z e dp a r t i c l e s ．T h e r e s i s t a n c et O ar i s i n go b j e c ti so n eo r d e rm a g n i t u d eg r e a t e rt h a nt h a tt o as e t t l i n go b j e c t ．T h ee f f i c i e n tb u o y a n e yo naf l a k yo b j e c t ，w h i c hl i e s f l a to nt h eg a sd i s t r i b u t o r ，i sm u c hl e s st h a nt h a tc a l c u l a t e da c c o r d i n gt o t h eA r c h i m e d e s ’p r i n c i p l e ．A no b j e c td o e sn o ta l w a y sr i s eo rs e t t l ew i t hm i n i m a lp r o j e c t i v ea r e ao w i n gt om d i a lm o t i o no ft h ef l u i d i z e dp a r t i c l e s ，h u ti nt h el o w e rp a r to ft h eb e d ，t h eb a r s h a p e do b j e c t st e n dt Or i s eo r s e t t l ew i t hm i n i m a lp r o i e c t i v ea r e a ． K e yw o r d s o b j e c tm o t i o n ；f l u i d i z e db e d ；s e t t l i n gv e l o c i t y ；f l u i d i z e dp a r t i c l e 嘲 啪 嘲 M 啪 万方数据