《粉体力学》PPT课件

1.3.3重 力 沉 降 设 备1、 降 尘 室 借 重 力 沉 降 从 气 流 中 除 去尘 粒 的 设 备 称 为 降 尘 室 。 令 l降 尘 室 的 长 度 ， m； h降 尘 室 的 高 度 ， m；b降 尘 室 的 宽 度 ， m；u气 体 在 降 尘 室 的 水 平通 过 速 度 ， m/s；V s降 尘 室 的 生 产 能 力（ 即 含 尘 气 通 过 降 尘 室 的 体 积 流 量 ） ， m3/s。颗 粒 沉 降 所 需 沉 降 时 间为 tt uhT 则 气 体 的 停 留 时 间 为 ulT H bluu t 沉 降 分 离 满 足 的 基 本 条 件 为 T Tt 或 tuhul 降 尘 室 的 生 产 能 力 为 ts bluV 理 论 上 降 尘 室 的 生 产 能 力 只 与 其 沉 降 面 积 bl及 颗 粒的 沉 降 速 度 ut有 关 ， 而 与 降 尘 室 高 度 h无 关 。 故 降 尘 室 应设 计 成 扁 平 形 ， 或 在 室 内 均 匀 设 置 多 层 水 平 隔 板 ， 构 成多 层 降 尘 室 。 1nHh )(1bluVn tS 隔 板 间 距 ： 取 整多 层 降 尘 室 生 产 能 力 ： VS (n+1)ut lb w 沉 降 速 度 ut应 按 需 要 分 离 下 来 的 最 小 颗 粒 计 算 ；w 气 流 速 度 u不 应 太 高 ， 以 免 干 扰 颗 粒 的 沉 降 或把 已 经 沉 降 下 来 的 颗 粒 重 新 卷 起 。 为 此 ， 应保 证 气 体 流 动 的 雷 诺 准 数 处 于 滞 流 范 围 之 内 ；w 降 尘 室 结 构 简 单 ， 流 动 阻 力 小 ， 但 体 积 庞 大 ，分 离 效 率 低 ， 通 常 仅 适 用 于 分 离 直 径 大 于50m的 颗 粒 ， 用 于 过 程 的 预 除 尘 。w 多 层 降 尘 室 虽 能 分 离 细 小 的 颗 粒 ， 并 节 省 地面 ， 但 出 灰 麻 烦 。 降 尘 室 的 计 算 设 计 型操 作 型 已 知 气 体 处 理 量 和 除 尘 要 求 ， 求降 尘 室 的 大 小 用 已 知 尺 寸 的 降 尘 室 处 理 一 定 量含 尘 气 体 时 ， 计 算 可 以 完 全 除 掉的 最 小 颗 粒 的 尺 寸 ， 或 者 计 算 要求 完 全 除 去 直 径 d p的 尘 粒 时 所 能 处理 的 气 体 流 量 。 w 例 1 拟 采 用 降 尘 室 回 收 常 压 炉 气 中 所 含 的 固 体 颗 粒 ， 降 尘室 底 面 积 为 10m2， 宽 和 高 均 为 2m， 炉 气 处 理 量 为 4m3/s。操 作 条 件 下 气 体 密 度 为 0.75kg/m3， 粘 度 2.6 10-5Pas,固体 密 度 为 3000kg/m3。 求 (1)理 论 上 能 完 全 捕 集 下 来 的 最 小粒 径 ； (2)粒 径 为 40m颗 粒 的 回 收 百 分 率 ； (3)若 完 全 回 收直 径 为 15m的 尘 粒 ， 对 降 尘 室 应 作 如 何 改 进 ?解 ： (1)能 完 全 分 离 出 的 最 小 颗 粒 的 沉 降 速 度 m80m10881.9)75.03000( 4.0106.218g)( u18d 55S tmin smblVu St /4.0假 设 沉 降 属 于 滞 流 区 ， 因 而 能 除 去 最 小 颗 粒 直 径 ：核 算 沉 降 流 型 292.0106.2 75.04.0108 55 tep duR 原 假 设 正 确 w (2)直 径 为 40m的 颗 粒 必 在 滞 流 区 沉 降 ， 其 沉 降 速 度 ut： s/m1006.0106.218 81.9)75.03000()1040(18 g)(du 526S2t 颗 粒 沉 降 所 需 的 时 间 为 ： T=lbH/VS=10 2/4=5s故 理 论 上 直 径 40 m的 颗 粒 在 此 时 间 内 沉 降 高 度 mTuH t 503.051006.0 设 降 尘 室 入 口 炉 气 均 布 ， 在 降 尘 室 入 口 端 处 于 顶 部 及 其 附 近 的d=40 m的 尘 粒 ， 因 其 ut0.4m/s， 它 们 随 气 体 到 达 出 口 时 还 没有 沉 到 底 而 随 气 体 带 出 ， 而 入 口 端 处 于 距 室 底 0.503m以 下 的40 m的 尘 粒 均 能 除 去 ， 所 以 40 m尘 粒 的 除 尘 效 率 ： w (3)要 完 全 回 收 直 径 为 15m的 颗 粒 ， 则 可 在 降 尘 室 内 设置 水 平 隔 板 ， 使 之 变 为 多 层 降 尘 室 。 降 尘 室 内 隔 板 层 数 n及 板 间 距 h的 计 算 为 ： 3.2701415.010 41bluVn s/m01415.0106.218 81.9)75.03000()1015(18 g)(du tS 526S2t 取 n=28,则 隔 板 间 距 h=H/(n+1)=2/29=0.069m因 而 在 原 降 尘 室 内 设 置 28层 隔 板 理 论 上 可 全 部 回 收 直 径为 15 m的 颗 粒 。 例 题 二 ： 拟 采 用 降 尘 室 除 去 常 压 炉 气 中 的 球 形 尘 粒 。 降尘 室 的 宽 和 长 分 别 为 2m和 6m,气 体 处 理 量 为 1标 m3/s， 炉气 温 度 为 427 ， 相 应 的 密 度 =0.5kg/m3， 粘 度=3.4 10-5Pa.s， 固 体 颗 粒 的 密 度 S=4000kg/m3， 操 作条 件 下 ， 规 定 气 体 速 度 不 大 于 0.5m/s， 试 求 ：1） 降 尘 室 的 总 高 度 H ， m；2） 理 论 上 能 完 全 分 离 下 来 的 最 小 颗 粒 尺 寸 ；3） 粒 径 为 40m的 颗 粒 的 回 收 百 分 率 。 解 ： 1） 降 尘 室 的 总 高 度 H smtVVS /564.22734272731273273 30 buVH S 5.02 564.2 m564.22） 理 论 上 能 完 全 出 去 的 最 小 颗 粒 尺 寸 blVu st sm/214.062564.2 用 试 差 法 由 ut求 dmin。假 设 沉 降 在 斯 托 克 斯 区 gud s t 18min 807.95.04000 214.0104.318 5 m51078.5 核 算 沉 降 流 型 1182.01014.3 5.0214.01078.5 55 tep duR 原 假 设 正 确 3、 粒 径 为 40m的 颗 粒 的 回 收 百 分 率粒 径 为 40m的 颗 粒 定 在 滞 流 区 ， 其 沉 降 速 度 smgdu st /103.0104.318 807.95.04000104018 5262 气 体 通 过 降 沉 室 的 时 间 为 ： suHT t 12214.0564.2 直 径 为 40m的 颗 粒 在 12s内 的 沉 降 高 度 为 ： mTuH t 234.112103.0 假 设 颗 粒 在 降 尘 室 入 口 处 的 炉 气 中 是 均 匀 分 布 的 ， 则 颗粒 在 降 尘 室 内 的 沉 降 高 度 与 降 尘 室 高 度 之 比 约 等 于 该 尺 寸 颗粒 被 分 离 下 来 的 百 分 率 。直 径 为 40m的 颗 粒 被 回 收 的 百 分 率 为 ： %13.48%100564.2234.1 HH ps SS球 形 度对 于 球 形 颗 粒 ， s=1， 颗 粒 形 状 与 球 形 的 差 异 愈 大 ， 球 形度 s值 愈 低 。对 于 非 球 形 颗 粒 ， 雷 诺 准 数 Ret中 的 直 径 要 用 当 量 直 径 de代替 。 pe Vd 36 3 6 Pe Vd 颗 粒 的 球 形 度 愈 小 ， 对 应 于 同 一 Ret值 的 阻 力 系 数 愈 大但 s值 对 的 影 响 在 滞 流 区 并 不 显 著 ， 随 着 Ret的 增 大 ， 这种 影 响 变 大 。 1.3.4 非 球 形 颗 粒 在 重 力 场 中 的 自 由 沉 降 1.4 颗 粒 间 的 作 用 力1.4.1 分 子 间 的 范 德 华 力1.4.2 颗 粒 间 的 范 德 华 力1.4.3 颗 粒 间 的 毛 细 力1.4.4 颗 粒 间 的 静 电 力 w 固 体 颗 粒 容 易 聚 集 在 一 起 ， 尤 其 是 细 颗 粒 颗 粒 之 间 存 在 附 着 力w 粉 体 的 摩 擦 特 性 、 流 动 性 、 分 散 性 、 可 压 缩 性 等分 子 间 的 范 德 华 力颗 粒 间 的 范 德 华 力附 着 水 分 的 毛 细 管 力颗 粒 间 的 静 电 力磁 性 力颗 粒 表 面 不 平 引 起 的 机 械 咬 合 力 概 述 附 着 ） 力 是 指 颗 粒 与 平 面 、 颗 粒 与 颗粒 等 之 间 ， 垂 直 作 用 于 接 触 面 的 相 互 引 力 。实 际 的 粉 体 粘 着 和 团 聚 性 ， 通 常 认 为 与 作 用在 颗 粒 上 的 力 相 平 衡 （ 在 重 力 作 用 下 是 颗 粒 的 自重 ） 。固 体 颗 粒 是 非 常 容 易 聚 集 在 一 起 的 ， 尤 其 当颗 粒 很 细 小 的 时 候 ， 这 充 分 说 明 颗 粒 与 颗 粒 之间 存 在 着 作 用 (附 着 )力 。分 散 与 凝 聚 是 颗 粒 群 中 粒 子 存 在 的 两 种 不 同的 状 态 。 1.4.1 分 子 间 引 力 范 德 华 引 力 两 个 分 子 间 的 范 德 华 吸 引 位 能 6rCU mmmm 与 分 子 本 身 有 关 的 引 力 常 数分 子 间 距 小 分 子 能 聚 集 并 规 则 地 排 列 成 分 子 晶 体 （ 大 分 子 ） ，且 各 种 分 子 晶 体 的 熔 点 、 沸 点 、 硬 度 等 不 同 ， 说 明 分 子 之间 有 作 用 力 存 在 即 分 子 间 力 或 称 范 德 华 力 （ 荷 兰 ， 1873年 ）（ 1） 取 向 力 （ 2） 诱 导 力 （ 3） 色 散 力 永 远 存 在 于 分 子 或 原 子 之 间 的 一 种 作 用 力 ； 是 吸 引力 ， 作 用 能 量 约 比 化 学 键 小 1-2数 量 级 ； 力 的 作 用 很 小 ，无 方 向 性 和 饱 和 性 ； 经 常 是 以 色 散 力 为 主 。 w 分 子 间 的 范 德 华 力 (van der Waals interaction force)来 源 ： 取 向 力 、 诱 导 力和 色 散 力取 向 力 二 个 极 性 分 子 的 固 有 偶 极 将 同 极 相 斥而 异 极 相 吸 ， 定 向 排 列 ， 产 生 分 子 间 的 作 用 力诱 导 力 非 极 性 分 子 在 极 性 分 子 的 固 有 偶 极 的作 用 下 ， 发 生 极 化 ， 产 生 诱 导 偶 极 ， 然 后 诱 导偶 极 与 固 有 偶 极 相 互 吸 引 而 产 生 分 子 间 的 作 用力色 散 力 非 极 性 分 子 之 间 ， 由 于 组 成 分 子 的 正 、负 微 粒 不 断 运 动 ， 产 生 瞬 间 正 、 负 电 荷 重 心 不重 合 ， 出 现 瞬 时 偶 极 ， 瞬 时 偶 极 间 的 作 用 力 w 分 子 间 的 范 德 华 力 (van der Waals interaction force)来 源 ： 色 散 力 、 诱 导 力 和 取 向 力极 性 分 子 间 有 色 散 力 ， 诱 导 力 和 取 向 力 ；极 性 分 子 与 非 极 性 分 子 间 有 色 散 力 和 诱 导 力 ；非 极 性 分 子 间 只 有 色 散 力 。实 验 证 明 ， 对 大 多 数 分 子 来 说 ， 色 散 力 是 主 要 的 ；只 有 偶 极 矩 很 大 的 分 子 (如 水 )， 取 向 力 才 是 主 要 的 ；而 诱 导 力 通 常 是 很 小 的 。P19 表 1-11 一 些 分 子 间 相 互 作 用 常 数 1.4.2 颗 粒 间 的 范 德 华 引 力两 个 颗 粒 的 吸 引 位 能 21 2100 24 dd ddZAUpp mmCA 212 21 212000 12 dd ddZAdZdUF pp 相 应 的 引 力 一 、 H amaker理 论 微 粒 可 以 看 做 是 大 量 分 子 的 集 合 体 。 Hamaker假 设 ， 微 粒 间 的 相互 作 用 等 于 组 成 它 们 的 各 分 子 之 间 的 相 互 作 用 的 加 和 。 分 子 之 间 的 Vander Waals作 用 ， 指 的 是 以 下 三 种 涉 及 偶 极 子 的 相 互作 用 ： 此 三 种 相 互 作 用 全 系 负 值 ， 即 表 现 为 吸 引 ， 其 大 小 与 分 子 间 距 离的 六 次 方 成 反 比 。 两 个 直 径 为 1um的 球 形 颗 粒 在 表 面 间 距 为 0.01um时 的 相 互 吸 引 力 为 4X10-12N； 如 果 颗 粒 的 密 度 大 到为 10X103Kg/m3， 直 径 为 1um的 一 个 颗 粒 所 受 的 重 力为 5X10-14N， 因 此 颗 粒 的 相 互 引 力 比 重 力 大 得 多 ，两 个 这 样 的 颗 粒 不 会 因 为 重 力 产 生 分 离 。结 论 注 意上 述 公 式 严 格 适 用 于 真 空 中 的 两 个 颗 粒 ， 有 时 也 近 似适 用 于 空 气 中 的 情 况 。其 他 介 质 中 ， 需 要 使 用 有 效 的 Hamakar常 数 ， 其 近 似表 达 式 为 2 2211 )( AAA 有 效 Hamakar常 数 比 在 真 空 中 的 常 数 小 一 个 数 量 级 。 若固 体 与 液 体 的 物 质 本 性 接 近 ， 即 A11与 A22越 接 近 ， 则 A越 小 。因 此 溶 剂 化 极 好 的 颗 粒 之 间 就 不 存 在 这 种 吸 引 力 。作 为 介 质 颗 粒 在 真 空 中 的Hamakar常 数固 体 颗 粒 在 真 空 中 的 Hamakar常 数 注 意这 些 范 德 华 力 及 其 产 生 的 位 能 随 着 颗 粒 间 距 离 的 增 加而 减 小 。 二 、 吸 附 气 体 的 影 响 21 213021 212000 612 dd ddZBdd ddZAdZdUF gpppa )21( 0AZBFFa 相 应 的 引 力气 体 吸 附 常 数 三 、 颗 粒 粗 变 形 的 影 响 )221( 200000 DaAZBDZaFdZdUF vdwgsppa 变 形 后 接 触 面 积颗 粒 的 接 触 直 径 颗 粒 的 接 触 面 积 增 加 ， 就 增 加 了 颗 粒 间 距 离 较 近 的 分 子数 ， 从 而 增 加 了 颗 粒 间 的 引 力 势 能 。原 因 ： 三 、 表 面 粗 糙 度 的 影 响 )/1()(12 0020 ZRFRZADF vdw表 面 粗 糙 度 半 径 R ， 100nm， F主 要 是 表 面 粗 糙 度 与 另 一 颗 粒 的 Waals力 ； 图 颗 粒 间 的 附 着 水 分 实 际 的 粉 末 往 往 会 含 有 水 分 ， 所 含 的 水 分 有 化 合 水 分 (如 结 晶 水 )、表 面 吸 附 水 分 和 附 着 水 分 等 ， 附 着 水 分 是 指 两 个 颗 粒 接 触 点 附 近的 毛 细 管 水 分 。1.4.3 颗 粒 间 的 毛 细 力 水 的 表 面 张 力 的 收 缩 作 用 将 引 起 对 两 个 颗 粒 之 间 的 牵 引 力 ， 有 时也 称 为 毛 细 管 力 。 实 际 上 ， 这 种 颗 粒 间 的 联 结 力 是 毛 细 管 的 负 压 力与 液 体 表 面 张 力 的 合 力 。 w 颗 粒 间 的 毛 细 力当 粉 体 暴 露 在 湿 空 气 中 时 ， 颗 粒 将 吸 收 空 气 中的 水 分 。 当 空 气 的 湿 度 接 近 饱 和 状 态 时 ， 不 仅颗 粒 本 身 吸 水 ， 而 且 颗 粒 间 的 空 隙 也 将 有 水 分凝 结 ， 在 颗 粒 接 触 点 处 形 成 液 桥 （ liquid bridge） 。 形 成 液 桥 的 临 界 湿 度 不 仅 取 决 于 颗粒 的 性 质 ， 还 于 温 度 和 压 力 有 关 。 实 验 研 究 表明 ， 形 成 液 桥 的 临 界 湿 度 在 60-80%之 间 。 粒 子 表 面 的 亲 水 力 比 较 强 、 空 气的 湿 度 大 ， 则 水 膜 的 厚 度 越 厚由 于 蒸 汽 压 的 不 同 和 粉 体 颗 粒 表 面 不 饱 和 力 的 作 用 ，大 气 中 的 水 分 子 因 凝 结 或 者 吸 附 在 颗 粒 的 表 面 ， 形 成 水 膜（ 厚 度 取 决 于 粒 子 表 面 的 亲 水 程 度 和 空 气 本 身 的 湿 度 ） 。粒 子 表 面 的 水 分 多 到 粒 子 接 触 点 处 形 成 环 状 的 液 相时 ， 就 开 始 产 生 液 桥 力 ， 这 样 又 会 加 速 颗 粒 的 聚 集 。 随着 液 体 的 增 多 ， 粒 间 液 相 还 可 形 成 多 种 不 同 的 状 态 。 摆 动 状 态 链 索 状 态 毛 细 管 状 态 浸 渍 状 态图 颗 粒 间 液 相 状 态颗 粒 间 液 相 状 态 颗 粒 接 触 点 上 存 在 透 镜 状 或 环 状 的 液 相 ， 液 相 互 不 连 续 随 着 液 体 量 增 多 ， 环 张 大 ， 颗 粒 空 隙 中 的 液 相 相 互 连 结 成 网 状 ， 空 气 分 布 其 中 颗 粒 群 浸 在 液 体 中 ， 存 在 自 由 液 面 颗 粒 间 的 所 有 空 隙 被 液 体 充 满 ， 仅 在 粉 体 层 表 面 存 在 气 液 界 面 什 么 是 液 桥 ： 液 桥 的 形 成 原 因 ： 1、 粉 体 与 固 体 或 粉 体 颗 粒 相 互 间 的 接触 部 分 或 间 隙 部 分 存 在 液 体 时 ， 称 为 液体 桥 。2、 由 液 体 桥 所 产 生 的 颗 粒 间 的 附 着 力是 液 体 的 表 面 张 力 和 毛 细 管 压 形 成 的(所 谓 毛 细 管 压 是 由 曲 面 的 内 外 压 差 形成 的 负 压 )。 1、 由 于 水 蒸 气 的 毛 细 管 凝缩 。（ 1） 过 滤 、 离 心 分 离 造 粒 等单 元 操 作 过 程 中 形 成 ；（ 2） 在 大 气 压 下 存 放 粉 体 时（ 3） 单 元 操 作 中 的 液 桥 力 大2、 液 桥 力 的 大 小 同 湿 度 ， 即同 水 蒸 气 吸 附 量 有 关 。3、 吸 附 量 和 液 体 桥 的 形 式 取决 于 粉 体 表 面 对 水 蒸 气 亲 和性 的 大 小 、 颗 粒 形 状 以 及 接 触 状 况 等 。 液 桥 ncnnc rrTrTrF 112 2 1-130当颗粒间形成液桥时，由于表面张力和毛细压差的作用，颗粒间将有作用力存在，称为毛细力。颗粒间毛细力的计算公式为：表 面 张 力 2)(64)1(32 1)1(4)1(4 drdr rddTF cc cc 1-131考 虑 几 何 关 系 ： 11)( 2 cccc rddrdrdTF drdTF c c 22 1-133 1-132当 颗 粒 尺 寸 相 等 时 ， 即 =1， 颗 粒 间 的 毛 细 力 变 为 ：当 颗 粒 与 平 面 接 触 时 ， 即 ， 颗 粒 与 平 面 的 毛 细力 变 为 ： 1、 液 体 桥 的 破 坏 ， 是 出 现 在 最 窄 的 断 面 上 ， 通常 情 况 下 ， 较 小 的 力 就 能 在 液 体 桥 最 窄 的 断 面 产 生破 坏 。 结 论玻 璃 球半 径 r（ um） 钳 角 毛 管 负 压 p（ N） 表 面 张 力 （ N） 附 着 力 F （ N） 自 重 （ N） F/自 重1000 0.162 6.37 X10 -4 1.27 X10-6 6.38X10-4 1.03 X10-4 6.19100 0.511 6.33 X10-5 4.02X10-7 6.37X10-5 1.03X10-7 6.18X10210 1.62 6.20 X10-6 1.26 X10-7 6.33 X10-6 1.03 X10-10 6.15X1041 5.10 5.81 X10-7 3.91X10-8 6.20 X10-7 1.03X10-13 6.02X1062、 玻 璃 球 的 大 小 与 附 着 力