天津大学化工流体流动与传热第15次课

1、1 3.2.2 离心沉降离心沉降 利用惯性离心力作用下实现的沉降过程称为离心沉降。 n气固非均相物系的离心沉降是在旋风分离器中进行.n液固悬浮物系的离心沉降可在旋液分离器或离心机中进行。2一、惯性离心力作用下的沉降速度 UTUrF离心力F向心力F阻力惯性离心力= 向心力= 阻力= R3 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程称为离心沉降。颗粒受到三个力 颗粒与流体在径向上的相对速度236udRT向心力236udRTs惯性离心力2242udr阻力颗粒的圆周运动速度4 上述三个力达到平衡时，222332TTrs06642uuudddRR 平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是它在此位置上的离

2、心沉降速度。2sTr4 ()3duuR离心沉降速度5 离心沉降时，若颗粒与流体的相对运离心沉降时，若颗粒与流体的相对运动处于滞流区，则可得离心沉降速度动处于滞流区，则可得离心沉降速度22()18duuRsTr2uKgRTc 同一颗粒所受的离心力与重力之比称为离心分离因数。 离心分离因数6离心分离因数: 同一颗粒在相同介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比。是离心分离设备的重要指标。 7二、旋风分离器的结构与操作原理 结构：圆筒、圆锥形筒、进出口。原理：下行的外漩流（颗粒抛向器壁）排灰口；上形的内漩流（气芯）应用：分离气流中中等粒度的颗

3、粒。不适合粘性大、湿含量高、腐蚀性大的粉尘。一般除去d5m颗粒，5m的颗粒，用袋滤器或湿法扑集。8 旋 风 分 离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。图3-7 标准旋风分离器图3-8 气体在旋风分离器内的运动情况910三、旋风分离器的性能 评价性能的主要指标： （1）从气流中分离颗粒的效果，分离效果可用临界粒径和分离效率来表示。 （2）气体经过旋风分离器的压力降。 119 BdNucesi1. 临界粒径旋风分离器的进气口宽度旋风分离器的进口气速气流的有效旋转圈数 临界粒径是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据。临界粒径越小，说明旋风分离器的分离性能越好。121201CCC2. 分

4、离效率总效率0 三、旋风分离器的性能 C1旋风分离器进口气体含尘浓度，旋风分离器进口气体含尘浓度，g/m3； C2旋风分离器出口气体含尘浓度，旋风分离器出口气体含尘浓度，g/m3。13121iiiiCCCp粒级效率pi 三、旋风分离器的性能 C1i进口气体中粒径在第进口气体中粒径在第i小段范围内的颗粒的小段范围内的颗粒的浓度，浓度，g/m3； C2i出口气体中粒径的第出口气体中粒径的第i小段范围内的颗粒的小段范围内的颗粒的浓度，浓度，g/m3。14 粒级效率p与颗粒直径di的对应关系可用曲线表示，称为粒级效率曲线。这种曲线可通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒的浓度及粒度分布而获得。粒级效率

5、曲线 粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径。 50s0.27()iDdu分割粒径 50d三、旋风分离器的性能15 同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器 50pdd-曲线相同，因此依该曲线估算旋风分离器的效率较为方便。 曲线曲线16图3-9 标准旋风分离器的 p50dd-曲线 1722iup3. 压力降阻力系数标准旋风分离器为8 影响旋风分离器性能的因素：操作温度、颗粒密度、粒径、进口气速度及粉尘浓度等情况。 18四、旋风分离器类型与选用 目前对各种类型的旋风分离器已制定了系列标准，各种型号旋风分离器的尺寸和性能均可从有关资料和手册中查到。 1）CLT/A型 2）CLP型 3）扩散式19旋风

6、分离器类型XLT/A型 20XLP/B型 四、旋风分离器的结构形式与选用21XLK型(扩散式) 四、旋风分离器的结构形式与选用22旋风分离器的选用u首先根据系统的物性与任务的要求，结合各型设备的特点，选定旋风分离器的形式，而后通过计算决定尺寸与个数。u旋风分离器计算的主要依据有三个方面：一是含尘气的体积流量，二是要求达到的分离效率，三是允许的压强降。23u为提高分离效率或降低压降，在旋风分离器的结构设计中，进行改进： 1）采用细而长的器身 减小器身直径可增大惯性离心力，增加器身长度可延长气体停留时间，所以，细而长的器身有利于颗粒的离心沉降，使分离效率提高。 2）减小上涡流的影响减小上涡流的影响

7、 3）消除下旋流影响消除下旋流影响 4）排气管和灰斗尺寸的合理设计都可使除尘效率提）排气管和灰斗尺寸的合理设计都可使除尘效率提高高 24五、旋液分离器水力漩流器 旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备，它的结构与操作原理和旋风分离器类似。 25旋液分离器水力漩流器 原理与旋风分离器类似。原理与旋风分离器类似。 可增浓（顶部排出清液）可增浓（顶部排出清液） 可分级（顶部排出含细小颗粒的液体）可分级（顶部排出含细小颗粒的液体） 国际上开发直径国际上开发直径15mm，分离的最小粒径，分离的最小粒径2-5 m的的超小型超小型旋液分离器旋液分离器.26 3.3 流体通过

8、固体颗粒床层的运动3.3.1 固体颗粒群的特性 27 1）颗粒群的粒度分布 n筛分分析是在一套标准筛中进行的，标准筛的筛网为金属丝网，各国标准筛的规格不尽相同，n常用的泰勒制是以每英寸边长的孔数为筛号，称为目。 28 （1）颗粒群的粒度分布测量 n将一套标准筛按筛孔上大下小的顺序叠在一起，从上向下筛子的序号分别为1、2.i-1及i，相应筛孔的直径分别为d1、d2.di-1及di。n第i号筛网上的颗粒的尺寸应在di-1和di之间，分别称取各号筛网上的颗粒重量，即可得到样品的粒度分布。 29 （2）颗粒群的平均直径 停留在第i层筛网上的颗粒的平均直径dpi值可按di-1和di的算术平均值计算，即：

9、 21iipiddd30按下式可计算出颗粒群的平均直径：式中： 颗粒群的平均直径，m； 粒径段内颗粒的质量分率； 被截留在第i层筛网上的颗粒的平均直径,m。 piipdxd1pdixid313.1.2 固体颗粒床层的特性1 1）床层的空隙率）床层的空隙率 床层中颗粒之间的空隙体积与整个床层体积之比，称为空隙率，以表示 式中 床层的空隙率，m3/ m3。 床层体积颗粒体积床层体积32（1）影响因素n空隙率大小与颗粒形状、粒度分布、颗粒直径与床层直径的比值、床层填充方式等因素有关.n对颗粒形状和直径均一的非球形颗粒床层，其空隙率主要取决于颗粒球形度和床层填充方法。n采用“湿装法” 填充颗粒，常形成

10、较疏松排列。n填充方式对床层空隙率的影响较大，即使相同的颗粒，同样的填充方式重复填充，每次所得的空隙率也未必相同。33n非球形颗粒的球形度越小，则床层的空隙率越大。由大小不均匀的颗粒所填充成的床层，小颗粒可以嵌入大颗粒之间的空隙中，因此床层空隙率比均匀颗粒填充的床层小。n粒度分布越不均匀，床层的空隙率就越小.n颗粒表面愈光滑，床层的空隙率亦愈小。n采用大小均匀的颗粒是提高固定床空隙率一个方法。 34（2）壁效应n在容器壁面附近，空隙率较大；而在床层中心处，空隙率较小。器壁对空隙率的这种影响称为壁效应。n壁效应使得流体通过床层的速度不均匀，流动阻力较小的近壁处流速较床层内部大。n改善壁效应的方法

11、通常是限制床层直径与颗粒直径之比不得小于某极限值。若床层的直径比颗粒的直径大得多，则壁效应可忽略。 35（3）测量方法n在体积为V的颗粒床层中加水，直至水面达到床层表面，测定加入水的体积V水，则床层空隙率为V水/ V。n 一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层的空隙率大致在0.470.7之间。均匀的球体最松排列时的空隙率为0.48，最紧密排列时的空隙率为0.26。362）床层的自由截面积定义: 床层截面上未被颗粒占据的，流体可以自由通过的面积。n小颗粒乱堆床层可认为是各向同性的。各向同性床层的自由截面积与床层截面积之比在数值上与床层空隙率相等。n同床层空隙率一样，由于壁效应的影响，壁面附近的自由截面

12、积较大。373）床层的比表面积床层的比表面积定义: 单位体积床层中具有的颗粒表面积（即颗粒与流体接触表面积）。n如果忽略床层中颗粒间相互重叠的接触面积，对于空隙率为的床层，床层的比表面积ab(m2/m3)与颗粒的比表面积a具有如下关系：aba(1-) 38n床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即 式中式中 颗粒的堆积密度，颗粒的堆积密度，kg/m3； 颗粒的真实密度，颗粒的真实密度，kg/m3。eses166ddasbbbs394）床层的当量直径）床层的当量直径定义: 将固定床中不规则的流道简化成一组与床层高度L相等的平行细管，细管的当量直径de可由床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。 床

13、层中不规则通道假设成长度为L，当量直径为de 的一组平行细管，并且规定：（1）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积；（2）细管内表面积等于颗粒床层的全部表面积。40LLuu表观速度颗粒床层的简化模型颗粒床层的简化模型41 依照非圆形管的当量直径定义，床层的当量直径deb为： 水力半径 流通截面/润湿周边 可以推得：deb44adeb)1 (流道表面积流道截容积流道长度润湿周边流道长度流道截面积42adeb)1 (流道表面积流道截容积流道长度润湿周边流道长度流道截面积1流道截容积a11颗粒比表面积颗粒体积流道表面积其中其中435）流体通过固定床的压降）流体通过固定床的压降 （1）流体与颗粒表

14、面间的摩擦作用产生的压力降； （2）流动过程中，蜿蜒曲折的孔道使流速的大小和方向不断变化而产生的形变阻力所引起的压力降; n层流时，压力降主要由表面摩擦作用产生；n湍流和在薄的床层中流动时，形体阻力和突然扩大及突然缩小的损失起主要作用。44 将流体通过床层的流动看作流体通过当量直径为deb的管流，其压强降为： 式中 L床层高度，m； deb床层流道的当量直径，m； u1流体在床层内的实际流速，m/s； 流体通过床层的摩擦系数。 221udLPebf45uu1PLauf2132()PLauf()132等式：等式：u1与按整个床层截面计算的空床与按整个床层截面计算的空床（表观）流速表观）流速u的关系的关系为：为：导出导出46 流体通过床层的摩擦系数 是床层雷诺数Reb的函数: 康采尼（Kozeny）关联式在滞流（Reb2）使用： 通常取K5 康采尼方程欧根（Ergun）关联式关联式在较宽的Reb数范围内使用： )1 (4Re1auudebbReKbPLa uf51223().Re.417029b47流体通过床层的