顆粒的沉0降PPT課件

1、概 述 化工生產(chǎn)中有時(shí)涉及由固體顆粒和流體組成的兩相流動(dòng)物系，流體為連續(xù)相，固體為分散相懸浮于流體中。 許多化工生產(chǎn)過(guò)程與此種相對(duì)運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系，例如： 兩相物系的沉降分離，其中依靠重力的稱為重力沉降，依靠離心力的則稱為離心沉降； 流固兩相之間進(jìn)行某種物理和化學(xué)過(guò)程，如固體物料的干燥、粉狀礦物的焙燒及固體催化劑作用下的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等； 固體顆粒的流體輸送。 流固兩相物系內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是上述各過(guò)程設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。第1頁(yè)/共46頁(yè)顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)1、流體對(duì)固體顆粒的繞流兩種曳力表面曳力和形體曳力設(shè)所取微元面積為dA與流動(dòng)方向成夾角，則剪應(yīng)力在流動(dòng)方向上的分力為wdAsin。將此分力沿整個(gè)顆粒表面積分而

2、得該顆粒所受剪力在流動(dòng)方向上的總和，成為表面曳力。 同樣，壓力pdA在流動(dòng)方向上的分力為pdAcos,將此力沿整個(gè)顆粒表面積分可得 ：第2頁(yè)/共46頁(yè)AAdApcosPAdAgzdAcoscos 由此可見(jiàn)，流體對(duì)固體顆粒作繞流運(yùn)動(dòng)時(shí)，在流動(dòng)方向上對(duì)顆粒施加一個(gè)總曳力，其值等于表面曳力和形體曳力之和。 總曳力與流體的密度、粘度、流動(dòng)速度u有關(guān)，而且受顆粒的形狀與定向的影響。例如，粘性流體對(duì)圓球的低速繞流（也稱爬流）總曳力的理論式為:udFPD3(5-1) 式中: FD總曳力； dP小球直徑。 此式稱為斯托克斯（Strokes）定律。第3頁(yè)/共46頁(yè)曳力系數(shù) 對(duì)光滑圓球，影響曳力的諸因素為 (),

3、 u,dF=FPD（5-2） 應(yīng)用因次分析可以得出udAFPPD221若令 udPPRe(5-3) PRe(5-4) 第4頁(yè)/共46頁(yè)則有 221uAFPD(5-5) 式中 Ap顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積； 無(wú)因次曳力系數(shù)。式(5-5)可作為曳力系數(shù)的定義式。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/ 圖 3-15 曳力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系 第5頁(yè)/共46頁(yè)二、 球形顆粒的自由沉降 任一顆粒的沉降不因流體中存在其他顆粒而受到干擾。自由沉降發(fā)生在流體中

4、顆粒湍流的情況下，一般認(rèn)為混合物中顆粒的體積百分?jǐn)?shù)不超過(guò)0.2時(shí)的沉降可看成是自由沉降。自由沉降第6頁(yè)/共46頁(yè)重力 gdmgFs3g61浮力gdgmFs3b61曳 力22 duAF二、 球形顆粒的自由沉降第7頁(yè)/共46頁(yè)浮力2brmFp曳力22uAFpD離心力 2cmrF 影影面面積積垂垂直直沉沉降降方方向向上上的的投投24ppdAr運(yùn)動(dòng)方向FdFbFc r 顆粒作圓周運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)半徑 顆粒的旋轉(zhuǎn)角速度m 顆粒的質(zhì)量，球形顆粒ppdm361p 顆粒密度第8頁(yè)/共46頁(yè)根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律 2323()()6426SSududgddd二、 球形顆粒的自由沉降分析顆粒運(yùn)動(dòng)情況：加速度最大阻力加速度

5、0u tuutuuu加速度=0加速度=0加速段勻速段終 端 速 度即 等 速 階段 速 度 沉降速度ut第9頁(yè)/共46頁(yè) 0ddu0432udgdduPPPP34PPtgdu球形顆粒 即通式二、 球形顆粒的自由沉降第10頁(yè)/共46頁(yè)三、 阻力系數(shù)（曳力系數(shù)） 通過(guò)量綱分析可知，是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)雷諾數(shù)Ret和球形度s的函數(shù) Re ,tsfRettdu 隨Ret及s 變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖3-2。第11頁(yè)/共46頁(yè) 關(guān)系曲線 Ret第12頁(yè)/共46頁(yè)對(duì)球形顆粒 關(guān)系曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域 Ret爬流（又稱蠕動(dòng)流Creeping flow） 410Re1t24Ret滯流區(qū)或斯托克斯(Stoke

6、s)定律區(qū) 2()18stdgu三、 阻力系數(shù)（曳力系數(shù)）第13頁(yè)/共46頁(yè)31Re10t過(guò)渡區(qū)或艾侖（Allen）定律區(qū) 0.618.5Ret0.6()0.27Resttdgu三、 阻力系數(shù)（曳力系數(shù)）第14頁(yè)/共46頁(yè)3510Re2 10t湍流區(qū)或牛頓（Newton）定律區(qū) 0.44()1.74stdgu三、 阻力系數(shù)（曳力系數(shù)）第15頁(yè)/共46頁(yè) 當(dāng)流體以一定的速度向上流動(dòng)時(shí)，則固體顆粒在流體中的絕對(duì)速度up必等于流體速度與顆粒沉降速度之差，即：tPuuu(5-21) 若uut，則顆粒向上運(yùn)動(dòng)；若uut，則顆粒向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)u=ut時(shí)，顆粒靜止地懸浮于流體中。 第16頁(yè)/共46頁(yè)計(jì)算ut時(shí)

7、需先知道所在沉降區(qū)域選擇相應(yīng)式計(jì)算。設(shè)在層流區(qū)計(jì)算utRe判斷yes結(jié)束no設(shè)在過(guò)渡區(qū) 通常微小顆粒的沉降一般屬層流區(qū)(Stokes區(qū)) 第17頁(yè)/共46頁(yè)滯流區(qū)湍流區(qū)過(guò)渡區(qū)表面摩擦阻力形體阻力三、 阻力系數(shù)（曳力系數(shù)）第18頁(yè)/共46頁(yè)（1）干擾沉降 發(fā)生于顆粒之間距離很小的情況下。多發(fā)生于非均相物系的沉降過(guò)程（物系內(nèi)部有兩個(gè)以上相）。 當(dāng)顆粒濃度，浮力 ut（2）端效應(yīng)（器壁效應(yīng)） 容器壁對(duì)顆粒沉降有阻止作用 ，使實(shí)際沉降速度 ut100dp,可忽略影響。 第19頁(yè)/共46頁(yè)（3）分子運(yùn)動(dòng) 當(dāng)顆粒直徑小到可與流體分子的平均自由程相比擬時(shí)，顆粒可穿過(guò)快速運(yùn)動(dòng)的流體分子之間，沉降速度可大于按斯

8、托克斯定律的計(jì)算值。 對(duì)于dp0.5m的顆粒，沉降將受到流體分子熱運(yùn)動(dòng)的影響。在這種情況下，流體已不能當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，上述關(guān)于顆粒所受曳力的討論的前提已不再成立。第20頁(yè)/共46頁(yè)（4）球形度 球形或近球形比圓球形沉降快。 psss球形度： 10s（5）液滴或汽泡的運(yùn)動(dòng) 液滴或氣泡在曳力和壓力作用下產(chǎn)生變形，使Fd 內(nèi)部流體環(huán)流 Fd s 球形表面積 sp 顆粒（非球形）表面積 第21頁(yè)/共46頁(yè)非均相混合物流沿一定途經(jīng)從設(shè)備入口流向出口相對(duì)運(yùn)動(dòng)顆粒向底面(或沉積面)沉降在達(dá)出口前顆粒能達(dá)到底面或沉積面則被分離條件停沉特征停設(shè)備尺寸根據(jù)力場(chǎng)的不同，分離設(shè)備可分為重力沉降設(shè)備 離心沉降設(shè)備。ut沉

9、為使顆粒沉降第22頁(yè)/共46頁(yè) 重力沉降：受重力作用而發(fā)生沉降的過(guò)程。適用于分離較大顆粒。 第23頁(yè)/共46頁(yè)簡(jiǎn)化模型： 長(zhǎng)：寬：高 L：b：H; 流量為qV m3/s的氣體 入口端氣體中顆粒均勻分布在截面上。LHBuutu降塵室底面積 bLA入沉降室，均勻分布在截面上，以u(píng)平行流向出口;演示第24頁(yè)/共46頁(yè)ttvuAuqblLHBuutu顆粒在室內(nèi)隨氣流運(yùn)動(dòng)沉降運(yùn)動(dòng)滿足沉降的條件： t 氣體通過(guò)時(shí)間：（停留時(shí)間） vqAH沉降時(shí)間： ttuHtvuHqAH則降塵室的最大生產(chǎn)能力： tvAuq 第25頁(yè)/共46頁(yè)討 論 由 ， 降塵室生產(chǎn)能力只與降塵室底面積及沉降速度有關(guān)，而與高度無(wú)關(guān)，因此

10、降塵室一般設(shè)計(jì)成扁平形； tvAuq 在降塵室內(nèi)設(shè)置隔板可增大底面積，提高生產(chǎn)能力， 若加1層隔板，則生產(chǎn)能力增加 1倍； tvAunq) 1( 若加n層隔板，則生產(chǎn)能力增加n倍，第26頁(yè)/共46頁(yè) 沉降速度應(yīng)按完全分離下來(lái)的最小顆粒直徑計(jì)算； 分離顆粒的粒徑 時(shí)，理論上可以100沉降除去 。mindd 分離顆粒的粒徑 時(shí)的沉降百分率為： mindd %ttttttuuuuHH小顆粒分離 降塵室分離效率低，適于分離直徑大于50m的粗顆粒，一般用于預(yù)除塵。 第27頁(yè)/共46頁(yè) 由下式可以確定： 已知qv、dmin確定室尺寸LB已知qv、Lb確定能100%除去 的最小顆粒dmin已知Lb，當(dāng)100

11、%除去的最小粒徑定后確定室的最大處理能力qvmax一定處理量qvdmin一定dminqvmax多層扁平沉降室(一般u50m)tvAuq 所謂最大生產(chǎn)能力指：第28頁(yè)/共46頁(yè)增稠器連續(xù)式沉降器澄清液體增稠懸浮液一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理。第29頁(yè)/共46頁(yè)第30頁(yè)/共46頁(yè) 離心沉降設(shè)備 對(duì)兩相密度差較小、顆粒粒度較細(xì)的非均相物系，可利用顆粒作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的離心力以加快沉降過(guò)程。由式（5-9）（5-10）可知，同一顆粒所受離心力與重力之比為：gRgRuKTc22（5-26） 比值Kc稱為離心分離因數(shù)，其數(shù)值的大小是反映離心分離設(shè)備性能的重要指標(biāo)。第31頁(yè)/共46頁(yè) 1.旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離

12、器 B 凈化氣體 含塵 氣體 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 塵粒 圖 3-19 旋風(fēng)分離器的尺寸及操作原理圖 結(jié) 構(gòu) 如右圖所示 ，主體的上部為圓筒形，下部為圓錐形，中央有一升氣管。 離心沉降設(shè)備 第32頁(yè)/共46頁(yè) 工作原理 含塵氣體從側(cè)面的矩形進(jìn)氣管切向進(jìn)入器內(nèi)，然后在圓筒內(nèi)作自上而下的圓周運(yùn)動(dòng)。顆粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)過(guò)程中被拋向器壁，沿器壁落下，自錐底排出。由于操作時(shí)旋風(fēng)分離器底部處于密封狀態(tài)，所以，被凈化的氣體到達(dá)底部后折向上，沿中心軸旋轉(zhuǎn)著從頂部的中央排氣管排出。 離心沉降設(shè)備 第33頁(yè)/共

13、46頁(yè) 旋風(fēng)分離器的分離性能 旋風(fēng)分離器的分離性能可以用臨界直徑和分離效率來(lái)表示。 （1）臨界直徑 指能夠從分離器內(nèi)全部分離出來(lái)的最小顆粒的直徑，用dc表示。 離心沉降設(shè)備 第34頁(yè)/共46頁(yè) 離心沉降設(shè)備 三個(gè)假定 I.顆粒及氣體的切線速度恒定，且等于進(jìn)口氣速； II.顆粒沉降過(guò)程中所穿過(guò)的氣流的最大厚度等于進(jìn)氣口寬度B； III. 顆粒沉降服從斯托克斯公式。 mipprrudu18222218ippmrrudBruB第35頁(yè)/共46頁(yè) 若氣體進(jìn)入排氣管之前在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為若氣體進(jìn)入排氣管之前在筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為N N，則運(yùn)，則運(yùn)行的距離為行的距離為2 2 r rm mN N，故氣體在器內(nèi)的停留

14、時(shí)間為：，故氣體在器內(nèi)的停留時(shí)間為： imuNr20令r=0，解得： picNuBd9 離心沉降設(shè)備 第36頁(yè)/共46頁(yè) 離心沉降設(shè)備 式中氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)N與進(jìn)口氣速有關(guān)，對(duì)常用形式的旋風(fēng)分離器，風(fēng)速1225m/s范圍內(nèi)，一般可取N =34.5，風(fēng)速愈大，N也愈大。 通常將經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器后能被除下50的顆粒直徑稱為分割直徑dpe，某些高效旋風(fēng)分離器的分割直徑可小至310m。 第37頁(yè)/共46頁(yè) 離心沉降設(shè)備 v（2）分離效率 指由分離器分離出來(lái)的顆粒量與入口氣體中總粒子量之比。不能準(zhǔn)確地代表旋風(fēng)分離器的分離性能。 進(jìn)出進(jìn)CCC0(5-27) 總效率第38頁(yè)/共46頁(yè)粒級(jí)效率是指每一種顆粒被分離的

15、質(zhì)量百分率，可以準(zhǔn)確表示旋風(fēng)分離器的分離性能。粒級(jí)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 顆粒直徑比，dp/dc 理論值 實(shí)際值 圖 3-20 旋風(fēng)分離器的粒級(jí)效率 離心沉降設(shè)備 粒級(jí)效率第39頁(yè)/共46頁(yè) 總效率與粒級(jí)效率的關(guān)系為： iix0（5-29） 式中xi為進(jìn)口氣體中粒徑為dpi顆粒的質(zhì)量分率。 離心沉降設(shè)備 粒級(jí)效率恰為50%的顆粒直徑，稱為分割粒徑。 分割粒徑 500.27()isDdu50d第40頁(yè)/共46頁(yè)圖3-11 標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的 50pdd曲線 離心沉降設(shè)備 第41頁(yè)/共46頁(yè) 離心沉降設(shè)備 旋風(fēng)分離器的壓降 性能好壞的重要指標(biāo)壓降損失1、氣流