颗粒的沉0降PPT课件

概 述 化工生产中有时涉及由固体颗粒和流体组成的两相流动物系，流体为连续相，固体为分散相悬浮于流体中。 许多化工生产过程与此种相对运动相联系，例如： 两相物系的沉降分离，其中依靠重力的称为重力沉降，依靠离心力的则称为离心沉降； 流固两相之间进行某种物理和化学过程，如固体物料的干燥、粉状矿物的焙烧及固体催化剂作用下的化学反应过程等； 固体颗粒的流体输送。 流固两相物系内的相对运动规律是上述各过程设计计算的基础。第1页/共46页颗粒的沉降运动1、流体对固体颗粒的绕流两种曳力表面曳力和形体曳力设所取微元面积为dA与流动方向成夹角，则剪应力在流动方向上的分力为wdAsin。将此分力沿整个颗粒表面积分而得该颗粒所受剪力在流动方向上的总和，成为表面曳力。 同样，压力pdA在流动方向上的分力为pdAcos,将此力沿整个颗粒表面积分可得 ：第2页/共46页AAdApcosPAdAgzdAcoscos 由此可见，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，其值等于表面曳力和形体曳力之和。 总曳力与流体的密度、粘度、流动速度u有关，而且受颗粒的形状与定向的影响。例如，粘性流体对圆球的低速绕流（也称爬流）总曳力的理论式为:udFPD3(5-1) 式中: FD总曳力； dP小球直径。 此式称为斯托克斯（Strokes）定律。第3页/共46页曳力系数 对光滑圆球，影响曳力的诸因素为 (), u,dF=FPD（5-2） 应用因次分析可以得出udAFPPD221若令 udPPRe(5-3) PRe(5-4) 第4页/共46页则有 221uAFPD(5-5) 式中 Ap颗粒在运动方向上的投影面积； 无因次曳力系数。式(5-5)可作为曳力系数的定义式。D 10000 4000 1000 400 100 40 10 4 1 0.4 0.1 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 105 106 Rep=dput/ 图 3-15 曳力系数与雷诺数关系 第5页/共46页二、 球形颗粒的自由沉降 任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰。自由沉降发生在流体中颗粒湍流的情况下，一般认为混合物中颗粒的体积百分数不超过0.2时的沉降可看成是自由沉降。自由沉降第6页/共46页重力 gdmgFs3g61浮力gdgmFs3b61曳 力22 duAF二、 球形颗粒的自由沉降第7页/共46页浮力2brmFp曳力22uAFpD离心力 2cmrF 影影面面积积垂垂直直沉沉降降方方向向上上的的投投24ppdAr运动方向FdFbFc r 颗粒作圆周运动的旋转半径 颗粒的旋转角速度m 颗粒的质量，球形颗粒ppdm361p 颗粒密度第8页/共46页根据牛顿第二运动定律 2323()()6426SSududgddd二、 球形颗粒的自由沉降分析颗粒运动情况：加速度最大阻力加速度0u tuutuuu加速度=0加速度=0加速段匀速段终 端 速 度即 等 速 阶段 速 度 沉降速度ut第9页/共46页 0ddu0432udgdduPPPP34PPtgdu球形颗粒 即通式二、 球形颗粒的自由沉降第10页/共46页三、 阻力系数（曳力系数） 通过量纲分析可知，是颗粒与流体相对运动时雷诺数Ret和球形度s的函数 Re ,tsfRettdu 随Ret及s 变化的实验测定结果见图3-2。第11页/共46页 关系曲线 Ret第12页/共46页对球形颗粒 关系曲线大致可分为三个区域 Ret爬流（又称蠕动流Creeping flow） 410Re1t24Ret滞流区或斯托克斯(Stokes)定律区 2()18stdgu三、 阻力系数（曳力系数）第13页/共46页31Re10t过渡区或艾仑（Allen）定律区 0.618.5Ret0.6()0.27Resttdgu三、 阻力系数（曳力系数）第14页/共46页3510Re2 10t湍流区或牛顿（Newton）定律区 0.44()1.74stdgu三、 阻力系数（曳力系数）第15页/共46页 当流体以一定的速度向上流动时，则固体颗粒在流体中的绝对速度up必等于流体速度与颗粒沉降速度之差，即：tPuuu(5-21) 若uut，则颗粒向上运动；若uut，则颗粒向下运动；当u=ut时，颗粒静止地悬浮于流体中。 第16页/共46页计算ut时需先知道所在沉降区域选择相应式计算。设在层流区计算utRe判断yes结束no设在过渡区 通常微小颗粒的沉降一般属层流区(Stokes区) 第17页/共46页滞流区湍流区过渡区表面摩擦阻力形体阻力三、 阻力系数（曳力系数）第18页/共46页（1）干扰沉降 发生于颗粒之间距离很小的情况下。多发生于非均相物系的沉降过程（物系内部有两个以上相）。 当颗粒浓度，浮力 ut（2）端效应（器壁效应） 容器壁对颗粒沉降有阻止作用 ，使实际沉降速度 ut100dp,可忽略影响。 第19页/共46页（3）分子运动 当颗粒直径小到可与流体分子的平均自由程相比拟时，颗粒可穿过快速运动的流体分子之间，沉降速度可大于按斯托克斯定律的计算值。 对于dp0.5m的颗粒，沉降将受到流体分子热运动的影响。在这种情况下，流体已不能当作连续介质，上述关于颗粒所受曳力的讨论的前提已不再成立。第20页/共46页（4）球形度 球形或近球形比圆球形沉降快。 psss球形度： 10s（5）液滴或汽泡的运动 液滴或气泡在曳力和压力作用下产生变形，使Fd 内部流体环流 Fd s 球形表面积 sp 颗粒（非球形）表面积 第21页/共46页非均相混合物流沿一定途经从设备入口流向出口相对运动颗粒向底面(或沉积面)沉降在达出口前颗粒能达到底面或沉积面则被分离条件停沉特征停设备尺寸根据力场的不同，分离设备可分为重力沉降设备 离心沉降设备。ut沉为使颗粒沉降第22页/共46页 重力沉降：受重力作用而发生沉降的过程。适用于分离较大颗粒。 第23页/共46页简化模型： 长：宽：高 L：b：H; 流量为qV m3/s的气体 入口端气体中颗粒均匀分布在截面上。LHBuutu降尘室底面积 bLA入沉降室，均匀分布在截面上，以u平行流向出口;演示第24页/共46页ttvuAuqblLHBuutu颗粒在室内随气流运动沉降运动满足沉降的条件： t 气体通过时间：（停留时间） vqAH沉降时间： ttuHtvuHqAH则降尘室的最大生产能力： tvAuq 第25页/共46页讨 论 由 ， 降尘室生产能力只与降尘室底面积及沉降速度有关，而与高度无关，因此降尘室一般设计成扁平形； tvAuq 在降尘室内设置隔板可增大底面积，提高生产能力， 若加1层隔板，则生产能力增加 1倍； tvAunq) 1( 若加n层隔板，则生产能力增加n倍，第26页/共46页 沉降速度应按完全分离下来的最小颗粒直径计算； 分离颗粒的粒径 时，理论上可以100沉降除去 。mindd 分离颗粒的粒径 时的沉降百分率为： mindd %ttttttuuuuHH小颗粒分离 降尘室分离效率低，适于分离直径大于50m的粗颗粒，一般用于预除尘。 第27页/共46页 由下式可以确定： 已知qv、dmin确定室尺寸LB已知qv、Lb确定能100%除去 的最小颗粒dmin已知Lb，当100%除去的最小粒径定后确定室的最大处理能力qvmax一定处理量qvdmin一定dminqvmax多层扁平沉降室(一般u50m)tvAuq 所谓最大生产能力指：第28页/共46页增稠器连续式沉降器澄清液体增稠悬浮液一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理。第29页/共46页第30页/共46页 离心沉降设备 对两相密度差较小、颗粒粒度较细的非均相物系，可利用颗粒作圆周运动时的离心力以加快沉降过程。由式（5-9）（5-10）可知，同一颗粒所受离心力与重力之比为：gRgRuKTc22（5-26） 比值Kc称为离心分离因数，其数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。第31页/共46页 1.旋风分离器旋风分离器 B 净化气体 含尘 气体 A D1 A=D/2 S1 B=D/4 H1 D1=D/2 D H1=2D H H2=2D S1=D/8 H2 D2D/4 D2 尘粒 图 3-19 旋风分离器的尺寸及操作原理图 结 构 如右图所示 ，主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，中央有一升气管。 离心沉降设备 第32页/共46页 工作原理 含尘气体从侧面的矩形进气管切向进入器内，然后在圆筒内作自上而下的圆周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落下，自锥底排出。由于操作时旋风分离器底部处于密封状态，所以，被净化的气体到达底部后折向上，沿中心轴旋转着从顶部的中央排气管排出。 离心沉降设备 第33页/共46页 旋风分离器的分离性能 旋风分离器的分离性能可以用临界直径和分离效率来表示。 （1）临界直径 指能够从分离器内全部分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。 离心沉降设备 第34页/共46页 离心沉降设备 三个假定 I.颗粒及气体的切线速度恒定，且等于进口气速； II.颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大厚度等于进气口宽度B； III. 颗粒沉降服从斯托克斯公式。 mipprrudu18222218ippmrrudBruB第35页/共46页 若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为N N，则运，则运行的距离为行的距离为2 2 r rm mN N，故气体在器内的停留时间为：，故气体在器内的停留时间为： imuNr20令r=0，解得： picNuBd9 离心沉降设备 第36页/共46页 离心沉降设备 式中气体旋转圈数N与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速1225m/s范围内，一般可取N =34.5，风速愈大，N也愈大。 通常将经过旋风分离器后能被除下50的颗粒直径称为分割直径dpe，某些高效旋风分离器的分割直径可小至310m。 第37页/共46页 离心沉降设备 v（2）分离效率 指由分离器分离出来的颗粒量与入口气体中总粒子量之比。不能准确地代表旋风分离器的分离性能。 进出进CCC0(5-27) 总效率第38页/共46页粒级效率是指每一种颗粒被分离的质量百分率，可以准确表示旋风分离器的分离性能。粒级效率 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.1 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 10 颗粒直径比，dp/dc 理论值 实际值 图 3-20 旋风分离器的粒级效率 离心沉降设备 粒级效率第39页/共46页 总效率与粒级效率的关系为： iix0（5-29） 式中xi为进口气体中粒径为dpi颗粒的质量分率。 离心沉降设备 粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径。 分割粒径 500.27()isDdu50d第40页/共46页图3-11 标准旋风分离器的 50pdd曲线 离心沉降设备 第41页/共46页 离心沉降设备 旋风分离器的压降 性能好坏的重要指标压降损失1、气流进入旋风分离器时，由于突然扩大引起的损失 ；2、与器壁摩擦的损失； 4、在排气管中的摩擦和旋转运动的损失； 3、气流旋转导致的动能损失； 2/2icupc与设备的型式和几何尺寸有关旋风分离器的压降损失一般在5002000Pa左右。第42页/共46页 操作温度，颗粒密度、粒径、进口气速度及粉尘浓度等情况。 影响旋风分离器性能的因素 离心沉降设备 第43页/共46页 离心沉降设备 第44页/共46页旋风分离器组 离心沉降设备 第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页