2.1.化工原理第.章ppt課件

1、5.5.顆粒的沉降顆粒的沉降 5.1 概述 5.2顆粒的沉降運(yùn)動(dòng) 5.3沉降分離設(shè)備 5.1 概述 本章考察流固兩相物系中固體顆粒與流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在流固兩相物系中，不論作為連續(xù)相的流體處于靜止還是作莫種運(yùn)動(dòng)，只要固體顆粒的密度 大于流體的密度 ，那么在重力場(chǎng)中,固體顆粒將在重力方向上與流體做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在離心力場(chǎng)中，則與流體作離心力方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 5.2 顆粒的沉降運(yùn)動(dòng) 5.2.1 5.2.1 流體對(duì)固體顆粒的繞流流體對(duì)固體顆粒的繞流 5.2.2 5.2.2 靜止流體中顆粒的自由沉降靜止流體中顆粒的自由沉降 流體與固體顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可分為以下三種情況： 顆粒靜止，流體對(duì)其做繞流； 流

2、體靜止，顆粒作沉降運(yùn)動(dòng)； 顆粒與流體都運(yùn)動(dòng)，但保持一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。5.2.1 5.2.1 流體對(duì)固體顆粒的繞流流體對(duì)固體顆粒的繞流 （1 1兩種曳力兩種曳力表面曳力和形體曳力表面曳力和形體曳力 回顧第1章流體沿固體壁面流過(guò)的阻力分為兩類(lèi)：表皮阻力即表面摩擦阻力和形體阻力邊界層分離產(chǎn)生旋渦），繞流時(shí)顆粒受到流體的總曳力: （1 1兩種曳力兩種曳力表面曳力和形體曳力表面曳力和形體曳力 FD與流體 、 、相對(duì)流速 有關(guān)，而且受顆粒的形狀與定向的影響，問(wèn)題較為復(fù)雜。至今，只有幾何形狀簡(jiǎn)單的少數(shù)情況才可以得到FD的理論計(jì)算式。例如，粘性流體對(duì)球體的低速繞流也稱(chēng)爬流時(shí)FD的理論式即斯托克律Stokes定律

3、為： 當(dāng)流速較高時(shí)，Stokes定律不成立。因而，對(duì)一般流動(dòng)條件下的球形顆粒及其其他形狀的顆粒，F(xiàn)D的數(shù)值尚需通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決。 uudFpD3（2曳力阻力系數(shù)曳力阻力系數(shù) 對(duì)球形顆粒，用因次分析并整理后可得：),(= pDudFF)(RePudpPRe 2PD21uAF 球形顆粒 的曲線(xiàn)在不同的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可用公式表示如下： ) 1( ，層流區(qū)，Sokes定律區(qū)： 2RePPRe24 ，過(guò)渡區(qū)，Allen定律區(qū)： 500Re2P6 . 0PRe5 .18 ，湍流區(qū)，Newton定律區(qū)：5P102Re50044. 0（2曳力阻力系數(shù)曳力阻力系數(shù)5.2.2 靜止流體中顆粒的自由沉降（1沉降的加速段

4、將一個(gè)表面光滑的球形顆粒置于靜止的流體中，假設(shè)，顆粒在重力的作用下沿重力方向作沉降運(yùn)動(dòng)，此時(shí)顆粒受到哪些力的作用呢？ gdmgFgP3P6gdFPb3622221421uduAFPPD根據(jù)牛頓第二定律得：ddududgdgdmaFFFFPPPPPPDbg32233621466 或者 ：243)(udgdduPPPP 開(kāi)始瞬間， ， 最大，顆粒作加速運(yùn)動(dòng)。 0uddu5.2.2 靜止流體中顆粒的自由沉降5.2.2 靜止流體中顆粒的自由沉降 （2沉降的等速階段 隨 ， ,到某一數(shù)值 時(shí)，式5-16右邊等于零，此時(shí) ，顆粒將以恒定不變的速度 維持下降。此 稱(chēng)為顆粒的沉降速度或造端速度。對(duì)小顆粒，沉降

5、的加速段很短，加速度所經(jīng)歷的距離也很小。因而，對(duì)小顆粒沉降的加速度可以忽略，而近似認(rèn)為顆粒始終以 下降。uFdtu0ddutututu5.2.2 靜止流體中顆粒的自由沉降 （3顆粒的沉降速度 對(duì)球形顆粒，當(dāng) 時(shí)，可得0ddu3)(4PPgdut 式中： )()(RePPud 因 與 有關(guān)，也與 有關(guān)，將不同區(qū)域的與的關(guān)系式5-6）式5-8分別帶入上式，整理得：tuPRe ，層流區(qū)Sokes區(qū)） 2ReP18)(2gduPPt ，過(guò)渡區(qū)Allen區(qū)） 500Re2P714. 06 . 04 . 06 . 1)(781. 0gduPPt ，湍流區(qū)Newton區(qū)） 5102Re500PgduPPt)

6、(74. 15.2.2 靜止流體中顆粒的自由沉降（4其他因素對(duì)沉降速度的影響 干擾沉降端效應(yīng)分子運(yùn)動(dòng) 非球形顆粒 5.2.2 靜止流體中顆粒的自由沉降5.3沉降分離設(shè)備沉降分離設(shè)備 5.3.1重力沉降設(shè)備 5.3.2離心沉降設(shè)備 5.3.1重力沉降設(shè)備（1降塵室 停留時(shí)間 ： 沉降時(shí)間 ：VrqAHttuH ，至少 所以： （降塵室的設(shè)計(jì)原理）trtrtVuHqAHtVAuq 含塵氣體體積流量， 。氣速 ，一般 應(yīng)1 ，實(shí)際上為避免已沉下的塵粒重新被揚(yáng)起， 往往取更低 。降塵室一般用于分離 的粗顆粒。 Vqsm /3BHquVusm/usmu/5 . 0mdP50降塵室底面積， 。 A2mBL

7、A 顆粒的沉降速度， 。 應(yīng)根據(jù)要分離的最小顆粒直徑 決定。 tusm/tumin,Pd 5.3.1重力沉降設(shè)備 對(duì)一定物系， 一定，降塵室的處理能力只取決于降塵室的底面積 ，而與高度 無(wú)關(guān)，故降塵室應(yīng)設(shè)計(jì)成扁平形狀，或在室內(nèi)設(shè)置多層水平隔板。tuAH設(shè)計(jì)型計(jì)算 知 、 、 、 、 ，計(jì)算 。 VqPmin,PdA 操作型計(jì)算 知 、 、 、 、 ，核算 ； APmin,PdVq 或已知 、 、 、 、 ，求 。 AVqPmin,Pd 5.3.1重力沉降設(shè)備 （2增稠器 分離懸浮液，在中心距液面下0.31 處連續(xù)加料，清液往上走，稠液往下走，錐形底部有一緩慢旋轉(zhuǎn)的齒耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠

8、漿從底部出口出去。（內(nèi)部沉降分為上部自由沉降和下部干擾沉降）m 大的增稠器直徑可達(dá)10100 ，深2.54 （為什么？）。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理，常見(jiàn)的污水處理就是一例。mm 5.3.1重力沉降設(shè)備（3分級(jí)器 利用不同粒徑或不同密度的顆粒在流體中的沉降速度不同這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)它們分離的設(shè)備稱(chēng)為分級(jí)器。 將沉降速度不同的兩種顆粒傾倒到向上流動(dòng)的水流中，若水的速度調(diào)整到在兩者的沉降速度之間，則沉降速度較小的那部分顆粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b兩種顆粒要分離，且兩種顆粒的直徑范圍都很大，則由于密度大而直徑小的顆粒與密度小而直徑大的顆?？赡芫哂邢嗤某两邓俣龋箖烧卟荒芡耆蛛x。

9、5.3.1重力沉降設(shè)備181822gdgdbbaa2/1baabdd 上式表明，不同直徑的顆粒因?yàn)槊芏炔煌哂邢嗤某两邓俣?，該式代表了具有相同沉降速度的兩種顆粒的直徑比。 5.3.1重力沉降設(shè)備 5.3.2 5.3.2離心沉降設(shè)備離心沉降設(shè)備 對(duì)于兩相密度差較小，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。定義同一顆粒所受的離心力與重力之比為離心分離因數(shù) grugrmgmrFFgc222式中 為流體和顆粒的切線(xiàn)速度， ； 為旋轉(zhuǎn)半徑， ； 為旋轉(zhuǎn)角速度， 。 ru sm/rmsrad/(弧度） 數(shù)值的大小是反映離心分離設(shè)備性能的重要指標(biāo)。假設(shè) ，則說(shuō)明同一顆粒在

10、離心力場(chǎng)中受到的離心力 是在重力場(chǎng)中受到的重力 的1000倍，當(dāng)然大大加快沉降分離過(guò)程。1000cFgF 旋風(fēng)分離器是利用離心沉降原理從氣流中分離出顆粒的設(shè)備。如下圖，上部為圓筒形、下部為圓錐形；含塵氣體從圓筒上側(cè)的矩形進(jìn)氣管以切線(xiàn)方向進(jìn)入，藉此來(lái)獲得器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣體在器內(nèi)按螺旋形路線(xiàn)向器底旋轉(zhuǎn)，到達(dá)底部后折而向上，成為內(nèi)層的上旋的氣流，稱(chēng)為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣體中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于密度較大，受離心力的作用逐漸沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。 旋風(fēng)分離器的構(gòu)造簡(jiǎn)單，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件設(shè)備不動(dòng)，離心力是由切線(xiàn)進(jìn)入的氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成的），操作不受溫度、

11、壓強(qiáng)的限制。一般其分離因數(shù) ，可分離氣體中 直徑的粒子。 用降塵室分離經(jīng)濟(jì)）， 可用袋式除塵器， 用靜電除塵器。 25005m755mdP75mdmP51 . 0mdP1 . 0 5.3.2 5.3.2離心沉降設(shè)備離心沉降設(shè)備 5.3.25.3.2離心沉降設(shè)備離心沉降設(shè)備 旋風(fēng)分離器各部分的尺寸都有一定的比例，只要規(guī)定出其中一個(gè)主要尺寸，如圓筒直徑D或進(jìn)氣口寬度B，則其它各部分的尺寸亦確定。 評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能指標(biāo)，我們的教材上介紹兩個(gè)： 1） 旋風(fēng)分離器的分離效率 總效率 0進(jìn)出進(jìn)CCC0式中 、 分別為進(jìn)出旋風(fēng)分離器氣體顆粒的質(zhì)量濃度， 。 進(jìn)C出C3/mg 總效率并不能準(zhǔn)確地代表旋風(fēng)分離

12、器的分離性能。因?yàn)闅怏w中顆粒大小不等，各種顆粒被除下的比例也不相同。顆粒的尺寸越小，所受的離心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。因而，總效率相同的兩臺(tái)旋風(fēng)分離器其分離性能卻可能相差很大，這是因?yàn)楸环蛛x的顆粒具有不同粒度分布的緣故。 5.3.2 5.3.2離心沉降設(shè)備離心沉降設(shè)備 粒級(jí)效率進(jìn)出進(jìn)iiiCCC0式中 、 分別為進(jìn)出旋風(fēng)分離器氣體中粒徑為 的顆粒的質(zhì)量濃度， 。 進(jìn)iC出iCPid3/mg 總效率與粒級(jí)效率的關(guān)系為： iix0式中 為進(jìn)口氣體中粒徑為 顆粒的質(zhì)量分率。 ixPid 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(chēng)為分割直徑，某些高效旋風(fēng)分離器的分割直

13、徑可小至 。不同粒徑 的粒級(jí)分離效率 不同。 Pcdm103Pidi 5.3.2 5.3.2離心沉降設(shè)備離心沉降設(shè)備 2旋風(fēng)分離器的壓降 氣體經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器時(shí)，由于進(jìn)氣管和排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力、流動(dòng)時(shí)的局部阻力以及氣體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量損失等，都將造成氣體的壓力降。旋風(fēng)分離器的壓降大小是評(píng)價(jià)其性能好壞的重要指標(biāo)。氣體通過(guò)旋風(fēng)分離器的壓降應(yīng)盡可能小。通常壓降用入口氣體動(dòng)能的倍數(shù)來(lái)表示：22iup 除了上述兩個(gè)性能指標(biāo)外，有的教材還介紹了另外一個(gè)性能指標(biāo)，即臨界直徑 ， 指旋風(fēng)分離器能夠分離的最小顆粒直徑。cdcd 5.3.2 5.3.2離心沉降設(shè)備離心沉降設(shè)備 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： ，

14、，錐體長(zhǎng)度 ， 。粗短形旋風(fēng)分離器在 一定時(shí)，處理量大；細(xì)長(zhǎng)形旋風(fēng)分離器 ，但 ，從經(jīng)濟(jì)角度看一般可取進(jìn)口氣速 。若處理量大，則可采用多個(gè)小尺寸的旋風(fēng)分離器并聯(lián)操作，這較用一個(gè)大尺寸的旋風(fēng)分離器可望獲得更高的效率，同樣原因，投入使用的旋風(fēng)分離器處于低氣體負(fù)荷下操作是不適宜的。Du2Hppsmu/2515 旋風(fēng)分離器的內(nèi)旋氣流在底部旋轉(zhuǎn)上升時(shí)，會(huì)在錐底成升力。即使在常壓下操作，出口氣體直接排入大氣，也會(huì)在錐底造成顯著的負(fù)壓。如果錐底集塵室密封不良，少量空氣串入器內(nèi)將使分離效率嚴(yán)重下降。故出灰口的密封問(wèn)題非常重要。 5.3.2 5.3.2離心沉降設(shè)備離心沉降設(shè)備 下面介紹旋風(fēng)分離器的改型問(wèn)題： 底部旋轉(zhuǎn)上升會(huì)將已沉下的部分顆粒重新卷起，這是影響旋風(fēng)分離器分離效率的重要因素之一。為抑制這一不利因素而設(shè)計(jì)了一種擴(kuò)散式旋風(fēng)分離器，它具有上小下大的外殼，這種分離器底部設(shè)有中央帶孔的錐形分割屏，氣流在分割屏上部轉(zhuǎn)向排氣管，少量氣體在分割屏與外錐體之間的環(huán)隙進(jìn)入底部集塵斗，再?gòu)闹醒胄】咨仙＿@樣就減少了已沉下的粉粒重新被卷起的可能性。因而，擴(kuò)散式旋風(fēng)分離器分離效率提高，宜用于凈化顆粒濃度較高的氣體。 5.3.2 5.3.2離心沉降設(shè)備離心沉降設(shè)備 5.3.2離心沉降設(shè)備 靠近旋風(fēng)分離器排氣管的頂部旋渦中帶有不少