干扰床中颗粒自由沉降速度的研究

赵树凯，郝　凯

（中国矿业大学（北京） 化学与环境工程学院，北京　100083）

干扰床中颗粒自由沉降速度的研究

赵树凯，郝凯

（中国矿业大学（北京） 化学与环境工程学院，北京100083）

【摘要】干扰床中颗粒的密度、粒度不同,在同一流体中的沉降速度也不同。高密度粗粒具有较大的沉降速度,低密度细粒的沉降速度则较小。颗粒的密度和粒度是影响自由沉降末速的主要因素，通过试验得出如下结论：阿连公式是计算粗颗粒自由沉降末速的最佳物理模型，随着粒度和密度的增大,颗粒的自由沉降末速也随之增加，计算值与实测值差距越大。

【关键词】干扰床；自由沉降；物理模型；阿连公式

前言

目前液固流化床是用于解决细粒煤高效分选和分级的重要设备之一,并已大量工业化应用。在流化床分选机中,颗粒在同一介质中的自由沉降速度主要取决于颗粒自身的密度和粒度，大粒度、高密度的煤粒具有较大的沉降速度，成为重产物。而低密度、小粒度的煤粒具有较小的沉降末速易随水流上升成为轻产物[1]-[2]。大粒度、低密度和小粒度、高密度的颗粒在分选中极易发生错配，造成精煤损失和污染。因此研究颗粒在流化床中的沉降速度对流化床的合理应用具有重要意义。

1　自由沉降

自由沉降是单个颗粒在无限宽广介质中的沉降，这是最简单的沉降运动形式,其运动状态受重力和阻力支配，研究颗粒的自由沉降规律,是研究粒群干扰沉降的基础。为了确定球形颗粒在介质中的自由沉降末速,学者们提出了不同的计算公式,其中最著名的是根据雷诺数的范围而采用的三个沉降末速公式：

（1）当矿粒尺寸微小或矿粒相对介质的运动速度较小，且其形状又易于流体绕流，附面层没有分离时，摩擦阻力占优势，雷诺数Re≤1时,应用斯托克斯公式：

来计算颗粒的自由沉降末速。

（2）当矿粒尺寸较粉尘大，速度也稍大时，且颗粒沉降时后部开始出现附面层分离，其粘性摩擦阻力和压差阻力是相同数量级雷诺数Re = 1～ 500时,应用阿连(H·F·Allen，1900)公式来计算颗粒的自由沉降末速。

（3）当矿粒尺寸或矿粒的相对速度较大时，且其形状又不易使介质绕流，导致其较早发生附面层分离，500＜Re＜2×105时，应用牛顿-雷廷智公式：

来计算颗粒的自由沉降末速。式中：V0s为颗粒的斯托克斯公式计算的颗粒的自由沉降末速；

V0a为颗粒的阿连公式计算的颗粒的自由沉降末速； Von-R为颗粒的牛顿-雷廷智公式计算的颗粒的自由沉降末速；

g为重力加速度；δ为颗粒的密度；ρ为介质的密度；μ为介质的动力粘度系数；d为颗粒的直径。

2　试验结果及分析

试验中需要确定各窄密度、窄粒度级中各样品的具体密度和体积当量直径。计算了30种不同粒度、不同密度粗煤粒的自由沉降末速和雷诺数,采用自由沉降末速的物理模型,分别用斯托克斯公式、过渡区起始段个别公式、阿连公式、过渡区末端个别公式以及牛顿-雷廷智公式进行计算经分析知粗煤泥在液固流化床中的自由沉降应用阿连公式计算较适合[1,4]结果见表1。

由表1可知,（1）颗粒的自由沉降末速会随着煤炭粒度的增大而逐渐增大,同时大都接近线性变化。在一定粒度范围内,两者相差不大,但是随着煤炭粒度的变大,不同粒级间的速度差值变的越来越大,这是因为粒度越大,颗粒的球形度就越差,形状系数就越大,自由沉降末速也就越大,两者差值也就越大；（2）阿连公式计算值比实际测量值要大,特别是随着粒度的增大,自由沉降末速的计算值与实测值的差值越来越大。可以看出,随着粒度增大时,各颗粒自由沉降末速变化的越来越大；（3）随着颗粒密度的增大,自由沉降末速也随着增大,而且沉降末速随密度增大的趋势与随粒度增大的趋势很相似,同时阿连公式计算值比实际测量值要大。

3　结论

（1）试验通过计算出相应的自由沉降末速V0和雷诺数Re,分析得出物理模型中阿连公式是干扰床粗煤泥颗粒自由沉降末速公式的合适公式；（2）粒度和密度是影响颗粒自由沉降末速的两个最重要因素,随着粒度和密度的增大,颗粒的自由沉降末速也随之增加。

【参考文献】

[1]陈子彤,刘文礼,赵宏霞,等.干扰床分选机分选煤泥的试验研究[J].煤炭工程，2006，(5).

[2]陈子彤,刘文礼,赵宏霞,等.干扰床分选机工作原理及分选理论基础研究[J].煤炭工程，2006,(4)..

[3]谢广元，选矿学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[4]桂夏辉，液固流化床内颗粒自由沉降末速的试验研究.中国矿业大学化工学院,江苏徐州.

表1　实验测出与阿连公式计算出不同密度各粒级的实际自由沉降速度m/s