颗粒的沉降和流态化课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5.颗粒的沉降和流态化,5.1 概述,5.2 颗粒的沉降运动,5.3 沉降分离设备,5.4 固体流态化技术（略）,5.5 气力输送（略）,化工原理,5.颗粒的沉降和流态化 5.1 概述化工原理,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,5.颗粒的沉降和流态化1、本章学习的知识点5.颗粒的沉降,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。,催化反应（流化床反应器）5.1 概述一、研究的内容5.颗粒,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。,流动方式,粘性引起的阻力,感兴趣的问题,区别,管流,固体对流体的阻力,阻力损失（外部问题）,作用力的结果,绕流,流体对固体的阻力,阻力（内部问题）,作用力本身,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,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,5.1 概述问题：自由落体运动考不考虑空气阻力？返回5.颗,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 颗粒的沉降运动5.2.1 流体对固体颗粒的绕流返回5,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,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,p,pdA,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一、两种曳力(Drag)表,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动方向上总表面力：由剪力产,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，其,总曳力,F,D,=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,F,D,=0,5.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,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,F,D,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3、几何形状不对称的固体颗粒,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 与 关,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(,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对于球形颗粒(,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流体绕球形颗粒流动时的边界层,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流,问题：影响,F,D,为什么是用,A,p,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,5.2.1 流体对固体颗粒的绕流问题：影响FD为什么是用Ap,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：,F,D,F,g,F,b,1、体积力：重力场：,离心力：,其中：对于球形颗粒：,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前提：一、沉降的加速阶段,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根据牛顿第二定律：若在重,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二、沉降的等速阶段 5.,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将不同的 数值代,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,u,t,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,u,t,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三、颗粒的沉降运动5.,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,R,ep,500；否则，就是阿仑区，取,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,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,R,ep,2，所以计算有效，小珠的直径为0.283mm。,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降例5-1 颗粒大小测定。,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降,2、影响,u,t,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？,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,(2),dp,0.5,m，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，,u,t,减少。,2、端效应：近壁或底部，,F,D,增加，,u,t,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间，,u,t,增大。,(2)dp0.5m，沉降受液体分子热运动的影响（流体不连,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，,u,t,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。,5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降5、非球形：曳力系数比同,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 沉降分离设备基础：颗粒在外力作用下产生沉降运动，具有,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.颗粒的沉降和流态化,返回,5.3 沉降分离设备5.3.1 重力沉降分离设备5.颗粒的,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,5.3.1 重力沉降分离设备一、降尘室5.颗粒的沉降和流态,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,：,室大：降尘室的容积一般较大，气体在其中的流速,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，,q,v,m,3,/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,d,pmin,的颗粒的沉降速度为,u,t,沉降时间,5.3.1 重力沉降分离设备2、过程数学描述5.颗粒的沉降,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 重力沉降分离设备降尘条件（分离条件）：5.颗粒,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 重力沉降分离设备问题：同气速下，为什么装有横向隔,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，其生产能力可提高到原来的(n+1)倍。,(2)温度T对降尘室生产能力的,q,v,影响,5.颗粒的沉降和流态化,降尘能力下降,5.3.1 重力沉降分离设备讨论：5.颗粒的沉降和流态化降,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3、过程计算5.颗粒的沉降和流,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 重力沉降分离设备习题p1685.颗粒的沉降和流,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5.颗粒的沉降和流态化所以假设,5.3.1 重力沉降分离设