五- 过滤1-3节

第五章颗粒沉降与流态化 第一节概述第二节颗粒的沉降运动第三节沉降分离设备第四节固体流态化技术第五节气力输送 第一节概述 本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体之间的相对运动 固体颗粒与流体间的相对运动在化工生产中的应用有 1 两相物系的沉降分离 重力沉降 离心沉降 2 流固相之间进行的物理 化学过程 固体物料的干燥 粉状矿物的焙烧 催化反应 3 固体颗粒的流动运输 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 本章重点 颗粒沉降速度与沉降设备计算本章难点 流化床的主要特性 第二节颗粒的沉降运动 一 管流与绕流 1 管流 管流感兴趣的是阻力损失 绕流 曳力 流体对颗粒的作用力阻力 颗粒对流体的作用力 流体作用于颗粒上任意一点力均可分为剪力和压力在颗粒表面上任取一微元面积 作用其上的剪力为 压力为 绕流感兴趣的是力 在流动方向上颗粒受力 将此力沿整个颗粒表面积分 可得 形体曳力浮力 即 颗粒与流体无相对运动则无曳力存在 而浮力始终存在 当流体对固体颗粒作绕流运动时 颗粒就受到流体的曳力 总曳力 形体曳力 表面曳力 不包括浮力 总曳力与流体的密度 粘度 流动速度有关 同时受颗粒的形状的影响 问题较为复杂 至今 只有几何形状简单的少数例子获得曳力的理论计算式 例如粘性流体对圆球的低速绕流 爬流 3 斯托克斯 stokes 定律 条件 极其缓慢的流动 Re 2 爬流 4 实验推导式 可用因次分析法得出以下表达式 第一版教材P73 习题第一章第22题 理论计算式粘性流体对圆球 对光滑圆球 影响曳力的因素为 见教材P194 145图5 2比较摩擦系数 与雷诺数Re关系 曳力系数 与颗粒雷诺数Re的关系由实验测定 stokes定律 球形颗粒 爬流Rep 2 与理论推导式结果一致 阿仑区相当于过渡区 斯托克斯定律区相当于层流区 Ap取颗粒最大投影面积 不用全表面积是因为形状是主要因素 在床层过滤中 因是爬流 极其缓慢 故用表面积 不能用横截面积 ReP 500 形体曳力是主要的 表面曳力可忽略 说明 公式类似于阻力计算式 为曳力系数 二 自由落体与颗粒沉降 伽利略实验是大物体 重力与空气阻力比较 阻力可忽略 化工中感兴趣的是小颗粒 不能忽略空气阻力 场力F 曳力FD 不管是否运动总是存在 力与运动关系 牛顿第二定律 即 对球形颗粒 沉降的等速阶段 小颗粒开始加速 但很快就匀速 随着下降速度的不断增加 曳力项逐渐增大 加速度逐渐减小 当下降速度增至一定值时 曳力等于颗粒在流体中的净重 此时加速度等于零 颗粒将以速度匀速继续下降 称为颗粒的沉降速度或终端速度 颗粒的沉降速度 对球形颗粒 可由求取 沉降速度ut包括两个过程 加速与匀速 终端速度为匀速 小颗粒的加速阶段很短 可以忽略 近似认为以下降 三 沉降速度的讨论与应用 1 沉降速度计算公式 重力场中 式中u为沉降速度 即 对确定的流固系统 p为定值ut只与dp有关 ut f dp 1 颗粒直径小 处于斯托克斯定律区 将代入 2 颗粒直径较大 处于牛顿定律区 讨论 对的讨论 气体无影响 总是小量 液体要考虑 影响10倍左右 dp影响最大 是平方关系 温度对粘度 的影响 解题时可以先假定处在斯托克斯定律区 按小颗粒公式计算 再验Re值 是否在stokes区范围 否则用牛顿区公式求解 再验Re值 解题步骤及注意点 求解沉降速度ut原则上用试差法 联立两式可得 2 流体流动的方向与颗粒运动 流体作水平运动 流体向上运动 3 应用 用颗粒沉降速度ut测颗粒直径dp见P147例5 1 用颗粒沉降速度ut测流体粘度 见P147例5 2 4 其它因素对沉降速度的影响 干扰沉降相邻颗粒之间 端效应器壁的影响 非球形 非球形 球形 液滴 气泡运动大液滴由于变形使曳力增大 流体分子热运动直径很小颗粒受影响 第三节沉降分离设备 沉降分离的基础是悬浮物系中的颗粒在外力作用下的沉降运动 对沉降越有利 根据沉降速度公式 重力沉降设备1 降尘室2 增稠器3 分级器 离心沉降设备1 旋风分离器2 转鼓式离心机 1 降尘室 籍重力沉降以除去气流中的尘粒的设备 颗粒沉降时间 气流停留时间 q 结论 降尘室的处理能力只取决于其底面积而与高度无关 可采用扁平形状 多层隔板 废水处理用斜板 斜管 根据颗粒沉降公式 与某直径颗粒必对应一沉降速度大直径的颗粒要大 其沉降时间必短因而必须明确除尘粒径的要求 讨论 设计型计算 操作型计算 计算中应明确的问题 1 沉降速度ut与颗粒直径dp具有对应关系 大小不同颗粒的沉降速度不同 大颗粒先沉降 小颗粒后沉降 2 颗粒沉降速度的大小还与颗粒进入沉降设备位置高低有关 颗粒直径相同 处于低位的先沉降 3 处理能力 底面积一定时 其沉降速度为理论上可100 除去的最小直径dpmin颗粒所对应的沉降速度 4 使用stokes定律区公式 对计算结果要进行验算 例题1 降尘室空气处理能力的计算教材P150 例5 3 已知 降尘室底面积A 2m2 含尘空气 1 2kg m3 1 81 10 5Pa s 尘粒密度 p 1800kg m3 需将直径为dp 25 m的颗粒全部除去 试求 1 qVm3 s 2 在降尘室中设置9块水平隔板 则qV又为多少 思路分析 2 实际降尘面积为 n 1 A底 qV n 1 A底ut 例题2 可去除的最小颗粒直径某重力沉降室长5m 宽2m 高1m 在常压下处理7200m3 h的含尘气体 气体密度 1 2kg m3 粘度 2 10 5Pa s 颗粒为球形 其密度为3000kg m3 试求理论上可100 除去的最小颗粒直径dpmin m 设在stokes区 解 以上计算有效 校验 例题3 可全部除去的最小颗粒直径 已知qm 2 5kg s t 20 常压含尘空气在进入反应器前必须除尘并预热至150 p 1800kg m3 A底总 130m2 1 81 10 5Pa s求降尘器可全部除去的最小颗粒直径dpmin 1 先除尘后预热 2 先预热后除尘 解 由qm qV 1 t 20 可全部除去的最小颗粒的沉降速度为 假设颗粒沉降处于stokes区 可全部除去的最小颗粒的沉降速度为 假设颗粒沉降处于stokes区 2 t 150 2 增稠器 工业上用于对大量悬浮液的分离 环保方面的污水处理 清液产率取决于增稠器的直径浓度程度取决于进口管以下的深度 颗粒在流体中的自由沉降 双重功能 澄清液体增稠悬浮液 3 分级器 利用重力沉降对悬浮液中的颗粒按粒度粗略分级 以管径控制沉降最小颗粒的速度up u ut 加分布板使颗粒均匀 通过控制流体密度和流量可将悬浮液中颗粒按指定的粒度范围加以分级 4 旋风分离器 离心沉降设备 气固非均相物系 旋风分离器 1 2 3 离心力 切向速度 固体悬浮液 沉降式离心机 用于两相密度差较小 颗粒粒度较细的非均相物系 返回 双螺旋 1 2 外螺旋起除尘产生涡流阻力作用大内螺旋起把关作用 返回 d小 把关好 d过小则阻力损失大有啸叫声 D大 粗短 处理能力大D小 细长 分离效率高 评价指标 1 分离