颗粒的沉降和流态化

1、5. 颗粒的沉降和流态化,5. 颗粒的沉降和流态化,1、本章学习的知识点 重力沉降与离心沉降基本公式；降尘室、沉降槽、旋风分离器的结构、工作原理及降尘室生产能力，旋风分离临界直径的计算；颗粒分级概念；粒级效率的概念。 2、本章学习的重 点 重力沉降与离心沉降基本公式；旋风分离器结构、工作原理。 3、本章学习的难 点 颗粒分级概念；粒级效率的概念,5. 颗粒的沉降和流态化,催化反应（流化床反应器,5.1 概述,一、研究的内容 流体固体两相物系间的相对运动规律。 二、涉及流固相对运动的化工过程,5. 颗粒的沉降和流态化,1、两相物系的沉降分离,重力沉降：依靠重力,离心沉降：依靠离心力,2、某些物理

2、和化学过程,固体物料的干燥,粉状矿物的焙烧,3、固体颗粒的流动输送：气力输送,5.1 概述,二、相对运动的特殊性,5. 颗粒的沉降和流态化,相对运动包括,颗粒静止、流体绕流,流体静止，颗粒沉降,两者都运动，并保持一定相对速度,就流体对颗粒的作用力来说，只要相对速度相同，三者无本质区别,5.1 概述,问题：自由落体运动考不考虑空气阻力？ 问题：为什么自由落体运动不考虑空气阻力，而颗粒沉降等却偏偏对阻力感兴趣呢？ 答,返回,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2 颗粒的沉降运动,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流 5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,返回,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.1 流体对固体

3、颗粒的绕流,一、两种曳力(Drag)表面曳力和形体曳力 回顾第1章流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表面阻力（即表面摩擦阻力）和形体阻力（边界层分离产生旋涡），绕流时颗粒受到流体的总曳力 ，即,表面曳力+形体曳力,表面力,表面相切剪力,表面垂直压力ppdA,剪力,压力,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,流动方向上总表面力,由剪力产生的,由压力产生的,形体曳力,表面曳力,颗粒所受的浮力,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,流体对固体颗粒作绕流运动时，在流动方向上对颗粒施加一个总曳力，其数值等于表面曳力和形体曳力之和,注：理想流体和无相对运动的流体

4、，其总曳力FD=0，但是颗粒仍有浮力作用在其上。 说明,1、 ，其问题较为复杂，难以理论计算求出,2、几何形状对称的固体颗粒：在流动垂直方向上的FD=0,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,3、几何形状不对称的固体颗粒：在流动垂直方向上的FD不等于0 二、曳力系数(Drag coefficient)对光滑圆球,析因分析： ，与颗粒形状和定向无关,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,与 关系的实验测定结果见图,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,对于球形颗粒(,层流区，斯托克斯(Sokes)定律区 ，也称,爬流区，其,阿仑(

5、Allen)区,牛顿(Newton)定律区,注意： 定义与第1章不同，判别流型 值亦不同,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,流体绕球形颗粒流动时的边界层分离,2、 ，边界开始脱体，形状曳力的存在并不以边界层脱体为前提。脱体点在,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,问题：影响FD为什么是用Ap而不是A？ 答：一旦发生脱体，表面曳力形体曳力，用A不能使,返回,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,前提,一、沉降的加速阶段：设初始速度等于0。 在沉降过程中颗粒的受力如下,FD,Fg,Fb,1、体积力：重力场,离心力,其中：对

6、于球形颗粒,2、浮力：重力场,离心力,3、曳力,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,根据牛顿第二定律：若在重力场中,若在离心力中，把重力场中公式中的g用 代替即可,5. 颗粒的沉降和流态化,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,二、沉降的等速阶段,5. 颗粒的沉降和流态化,球形颗粒,即,式中,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,将不同的 数值代入得,5. 颗粒的沉降和流态化,层流区，斯托克斯(Sokes)定律区,阿仑区,牛顿(Newton )定律区,与u无关,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,三、颗粒的沉降运动 沉降的两个阶段：加速阶段、等速阶段,5. 颗粒的

7、沉降和流态化,1、流体静止：小颗粒加速阶段可忽略，近似认为始终以ut下降。 2、流体做水平运动：颗粒以与流体相同的速度作水平运动，又以ut垂直向下。（若不相同，则有一个加速度，小颗粒加速度很短，可忽略。） 3、流体以一定的速度向上运动,颗粒绝对速度,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,四、沉降速度的计算与应用 1、计算,5. 颗粒的沉降和流态化,解方程组，非线性，需试差求解,方法：首先假定在斯托克斯定律区，取 ，再校验Rep500；否则，就是阿仑区，取,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,例5-1 颗粒大小测定。 解：设小珠沉降在斯托克斯定律区，得,5. 颗粒的沉降和流态化,Rep2，所以

8、计算有效，小珠的直径为0.283mm,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,2、影响ut的因素及应用 若在斯托克斯定律区,5. 颗粒的沉降和流态化,问题： 1、气体先冷后降尘，还是相反？ 2、液体先冷后降尘，还是相反,2)dp0.5m，沉降受液体分子热运动的影响（流体不连续），上述的讨论不成立,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,五、其它对沉降速度的影响 1、干扰沉降 ：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周围的流场，颗粒沉降相互干扰。浓度高时， ut减少。 2、端效应：近壁或底部，FD增加， ut减少,5. 颗粒的沉降和流态化,3、分子运动,1)dp约等于分子的平均自由程，颗粒可穿过流体分子之

9、间， ut增大,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,5、非球形：曳力系数比同体积球形颗粒为大， ut减少,5. 颗粒的沉降和流态化,返回,4、液滴或汽泡变形,1)分散相是液滴或汽泡时，在曳力作用下变形，曳力增加,2)同时内部产生循环运动，降低了相对速度，曳力减小,5.3 沉降分离设备,基础：颗粒在外力作用下产生沉降运动，具有两相 为前提。悬浮颗粒的直径越大，两相的密度差越大，使用沉降分离方法的效果就越好,5. 颗粒的沉降和流态化,根据作用于颗粒上的外力不同，沉降分离设备可分为重力沉降和离心沉降两大类,5.3 沉降分离设备,5.3.1 重力沉降分离设备 5.3.2 离心沉降分离设备,5. 颗粒

10、的沉降和流态化,返回,5.3.1 重力沉降分离设备,一、降尘室 1、过程分析：如右图所示 (1)降尘室：气体作水平流动 (2)原理：分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备,5. 颗粒的沉降和流态化,室大：降尘室的容积一般较大，气体在其中的流速1m/s。避免沉下的尘粒重新被扬起，往往采用更低的气速。 锥形出口：为使气流均匀分布,5.3.1 重力沉降分离设备,5. 颗粒的沉降和流态化,分离条件,5.3.1 重力沉降分离设备,2、过程数学描述 降尘室：底面积A=LB，高为H。 含尘气：在流动载面上均匀分布，qv m3/s,5. 颗粒的沉降和流态化,停留时间,设能100%降下的最小粒径dpmin的颗粒的沉降

11、速度为ut,沉降时间,5.3.1 重力沉降分离设备,降尘条件（分离条件,5. 颗粒的沉降和流态化,处理能力 ，与H无关，只取决于降尘室的底面积。因此，降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板,5.3.1 重力沉降分离设备,问题：同气速下，为什么装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。 答：因为隔板间基本上保持了相同的流动速度，而颗粒达到隔板通道底部的沉降距离更短。 注：为便于清灰，可将隔板装成可翻动或倾斜式,5. 颗粒的沉降和流态化,应根据要分离的最小颗粒直径 决定。若沉降处于Stokes定律区（层流区），则,5.3.1 重力沉降分离设备,讨论： (1)降尘室均匀设置n块水平隔板时，其生产能

12、力可提高到原来的(n+1)倍。 (2)温度T对降尘室生产能力的qv影响,5. 颗粒的沉降和流态化,降尘能力下降,5.3.1 重力沉降分离设备,3、过程计算,5. 颗粒的沉降和流态化,1)设计型,7个变量，5个已知量,2)操作型,5.3.1 重力沉降分离设备,习题p168 5-4、解,5. 颗粒的沉降和流态化,设沉降在斯托克斯区,5.3.1 重力沉降分离设备,5. 颗粒的沉降和流态化,所以假设成立,5.3.1 重力沉降分离设备,习题p168习题6 解,5. 颗粒的沉降和流态化,设沉降在斯托克斯区,所以，能否将A、B分开，取决于A最小颗粒的沉降速度，是否大于B最大颗粒沉降速度,5.3.1 重力沉降

13、分离设备,5. 颗粒的沉降和流态化,返回,5.3.2 离心沉降设备,问题：为什么要进行离心沉降？ 答：细小颗粒，在斯托克斯区,5. 颗粒的沉降和流态化,细小颗粒 或两相密度差 ，而 改变因工艺而异,如果离心沉降： 代替,一、离心分离因数 1、概念：同一颗粒所受的离心力和重力之比,5.3.2 离心沉降设备,2、分类： 气-固非均相物系：旋风分离器 液-固非均相物系：沉降离心机 二、旋风分离器 旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。 1、结构 (1)圆筒部分：矩形进口（含尘气体进口）、中央排气管（清净气体出口）、圆筒。 (2)圆锥部分：集尘室灰斗,5. 颗粒的沉降和流态化,5.

14、3.2 离心沉降设备,2、工作原理 含尘气体以较高的线速度切向进入器内，在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底后以相同的旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上部排气管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器壁方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。 3、用途 适用于含颗粒浓度为0.01500g/m3、粒度不小于5mm的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气-固流态化装置的尾气处理,5. 颗粒的沉降和流态化,5.3.2 离心沉降设备,4、性能指标：有两个分离效率和压降 (1)分离效率,5. 颗粒的沉降和流态化,总效率,总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能。为什么？

15、 因为气体中颗粒大小不等，各种颗粒被除下的比例也不相同。颗粒的尺寸越小，所受的离心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。因此，总效率相同的两台旋风分离器其分离性能却可能相差很大，这是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布的缘故,5.3.2 离心沉降设备,粒级效率,5. 颗粒的沉降和流态化,不同粒径的粒级分离效率不同，其典型的关系如图所示,5.3.2 离心沉降设备,5. 颗粒的沉降和流态化,总效率与粒级效率的关系为,2)压降 气体通过旋风分离器的压降应尽可能小，旋风分离器的压降大小是评价其性能好坏的重要指标，不仅影响经常的动力消耗，也往往为工艺条件所限制,4、气体在旋风分离器中的流动状况,气体切向进入分离器后形成两个旋涡,外旋涡螺旋形旋转向下,内旋涡由锥底螺旋形旋转向上,5.3.2 离心沉降设备,5、提高旋风分离器分离效率的途径 (1)外螺旋起主要作用，内螺旋把关（因为外旋涡造成的离心力将颗粒抛向器壁，内旋涡只能将细小颗粒向外抛出。） (2)中央排气管应短（或延长圆锥部分长度）。D小，H大。 (3)采用较大的进口气速，但从经济角度出发，入口速度不能太大，一般取为1525m/s (4)大灰斗，密封。（防止少量空气窜入器内将使分离效率下降。,5. 颗粒的沉降和流态化,5.3.2 离心沉降设备,