颗粒床过滤中最难过滤粒子粒径及最具穿透率流速研究.docx

1、流态化与气溶胶3/-,V,n,.，颗粒床过滤中最难过滤粒子粒径及最具穿透率流速研究王启燕，何启梅，王志强(西北核技术研究所.陕内西安710024)摘要：研完了颗粒床过波中4种机理联合作用下的最具穿透奉粒子校径及景具穿透率气体流速特当气体流速、过滤介质杖径均不变时，得列了计算最推过滤栓子粒径的理论方程；当气溶胶ti子柱径、过注介质性径均不变时，得到了计算最具穿透率流速的理论方程，通过实检教据验证了理论的正确性。关键词：气淀般；过透；歆承过泳校径；氏戒过沽流速中图分类号：X513文献标识码:A文章编号：1()08-5548(2008)06-0022-04StudyonMostPenetrantPa

2、rticleSizeandFlowVelocityinGranularBedFiltrationWangQiyan,HeQimei,WangZhiqicmg(NorthwestInstituteonNuclearTechnology,Xian710024.China)Abstract:Thecharacteristicsofmostpenetrantparticlesizeandflowvelocityingranularbedfiltrationbyfourunitedmechanismwerestudied.Whentheflowvelocityandfiltrationmediumdia

3、meterdidntchange,thetheoreticalequationofcomputingmostpenetrantparticlesizewasgained.Whenbothoftheaerosolandfiltrationmediumparticlediameterdidntchange,thetheoreticalequationofcomputingmostpenetrantflowvelocitywasgained.Theexperimentaldatafurtherprovedthecorrectnessofaboveresults.Keywords:aerosol；fi

4、ltration；mostpenetrantparticlesize；mostpenetrantflowvelocity气溶胶过滤中使用较多的是纤维滤器和多孔膜式滤器，其次是颗粒床滤器。颗粒床滤器是利用细颗粒作为过滤材料，将少量粒子从各种流体中分离出来的处理方法。除了用于处理水和空气，颗粒床滤器还诃以用于处理燃烧产物、溶化的金属、石油化工原料、聚合体等。颗粒床滤器中通常使用的材料是砂子，它常用于高温、高压等恶劣环境下，如燃煤发电厂和炼钢厂的尾气净化、核工业产生的放射性气溶胶的过滤等。收稿日期：2008-01-14。第一作者简介：王启燕(1972-),男.高级工程帅，硕士.主要从串气溶股和人员辐

5、射防护领域的研究工作。E-mail:wqylcy-气溶胶粒子沉积在颗粒床滤器中的收集体上主要有如下几种机理惯性碰撞、布朗扩散、重力沉降、直接截留、静电吸引、热泳沉积等。当小粒子沿着非截留流线在收集体旁边流过时，布朗运动会大大地增加粒子撞在收集体上的可能性.一旦碰撞发生，由于粒子表面与收集体表面间范德华力的作用，粒子将会粘附在收集体表面。单个收集体的扩散收集效率加主要取决于无量纲参数Peclet数Pe:(1)式中：Dg为收集体的直径，cm；U为气流的正面速度,cm/s；OB为气溶胶粒子的扩散系数,cm2/s当粒子尺寸足够大时粒子由于惯性在收集体附近流线突然改变的区段不能足够迅速地调整，从而离开流

6、线撞在收集体上时.就出现了粒子在收集体上的惯性碰撞。单个收集体的惯性碰撞收集效率主要取决于无址纲参数Stokes数：Stk=pCJUJDG(2)式中：S次为Stokes无量纲参数；pp为气溶胶粒子的密度,g/cm、；Op为气溶胶粒子的直径,cm；Cp为气溶胶粒子的卡宁汉滑移修正因子普为气体的粘滞系数,g/(cm-s)o当粒子随着气体的流线恰好进入到距离收集体表面小于等于粒子半径的时候,由于粒子尺寸一定，粒子会碰到收集体表面发生截留收集。单个收集体的截留收集效率取决于无最纲参数匕：Ra(3)式中:为直接截留无址纲参数；0为气溶胶粒子的半径,cm；a为收集体的半径,cmo单个收集体的重力沉降收集效

7、率由伽利略数Ga和Stokes数的乘积无虽纲参数Grv控制：Ga=ag/U；(4)Grv=GaSfk(5)式中,Gq为伽利略数;g为重力加速度,cm/s2o作者已经分别研究了布朗扩散、重力沉降、惯性碰撞、直接截留等机理在颗粒床滤器过滤气溶胶粒子中的作用，并得出了4种机理单独作用时if算单个颗粒收集效率的经验关系式和单个颗粒的总收集效率的：rj=19.80Pe-067+03Grv072+5.78Sf88+1.42/?p+0.00075(6)另一方面，根据颗粒床过滤的球型模型，只要收集体粒径、过滤床密实度及厚度已知，就可以从所得到的单个颗粒的总收集效率汁算出相应的穿透率国P=exp(-3/3L/2

8、DG)77(7)式中，P为气溶胶粒子的穿透率;为过滤介质的密实度为整个过滤床的厚度,cm；7?为单个收集体总收集效率。从国内外公开发表的文献来看，很少有关于最难过滤气溶胶粒子粒径和最具穿透率气体流速的研究报道。本文中主要从理论分析的角度，研究颗粒床过滤中最具穿透率粒子粒径及气体流速特征，并将理论计算结果与实验值进行比较，以检验理论的正确性。1最难过滤粒子的粒径研究对式(6)进行分析发现，当气体流速及过滤介质粒径均不变时,4种过滤机理联合作用的结果使得总收集效率随气溶胶粒子粒径的增加呈现出先降低后升高的变化规律，在亚微米附近有极小值，表现在宏观现象上就是出现了最难过滤的粒子。为了更进一步研究最难

9、过滤粒子粒径随流速、介质粒径的变化规律，对式(6)取偏导数得：票一=_13.266票性-成40.216察命严+加p沥p叫5.0864嘿匕SWF42察(8)dDpdDp由于式(8)难于得到解析解，为了简化计算，先讨论当过滤介质粒径和流速均不变时最难过滤气溶胶粒径，上式经过简化可以改写为如下形式：爵53.266瓣/和.216翳GL+5.0864S妒%42柴(9)dpdp将式(1)-(5)代入上式化简得，粉=诂WW+皿f(10)式中：化=一13.27(3砂严(11)右0.43(欧pCp/1职t/。)。72(12)灼=10.17(ppCpUJl电)g严8(13)心=1.42/g(14)式中，K为玻尔兹

10、曼常数；丁为绝对温度，K。为了求出过滤介质粒径和气体流速已知时的最难过滤粒子的粒径，令：站。5)即：皿-成+松。*皿。冲知=0(16)当过滤介质粒径和气体流速已知时，待定系数灯虹可通过式(11)(M)直接计算。但是上式直接求解难度仍然较大，仰利用计算机在一定的气溶胶粒子粒径范围内进行数值求解，即可得到最难过滤粒子的粒径。值得一提的是，在式(11)中含有气溶胶粒子的卡宁汉滑移修正因子Cp,它实际上与气溶胶粒子大小有关，在推异过程中为了简化将其近似为常量:。从G的取值来看，当气溶胶粒径从0.3wm增大到0.8jim时,Cp相应从1.567降低到1.207,变化不大,对整个计算并无太大影响。为了验证

11、理论的准确性，利用式(16)计算出2cm厚1020目、2040目砂中各种流速下的最难过滤粒亍的粒径，代入式(6)中计算出过滤介质对该种粒子的单个颗粒总收集效率，然后通过式(7)计算出粒子的穿透率，与实验数据同进行比较，如图1、2所示。考虑到实验中研究气溶胶粒子粒径范围广(0.048.3|im)、气体流速范围大(0.29230cm/s),从图1中可以看出，大部分情况F,理论计算结果和实验数据较好地保持了一致。在所研究的条件下，当流速从0.29cm/s变化到8.17cm/s时，1020目砂中最难过滤粒子粒径范围的理论值为0.28-0.53jim,实验值范围为0.320.50*m；2040目砂中最难

12、过滤粒子粒径范围的理论值为0.27-0.64jxm,实验值为0.50Fxmo实验数据和理论计算结果也同时表明最难过滤粒子粒径受过滤介质粒径变化影响不大。从图2可以看出，对于两种粒径的过滤介质，最难过滤粒子穿透率的理论计算值和实验数据基本保持-致,二者变化规律也相同。当流速从0.29cm/s增大到8.17cm/s时，1020目砂中最难过滤粒子穿透率的理论值从74.91%增加到94.14%,实验值从49.21%增加到99.12%；2040日砂中最难过滤粒子穿透率理论值从46.24%增加到83.94%,实验值从37.73%增加到94.16%。理论计算和实羚均表明，流速增加引起收集效率下降，过滤介质粒

13、径减小使得气溶胶粒子穿透率降低。0.301.774.026.06&17流速/(cms1)65605550454035Qo.oOO.QO.化为：祟二-13.266券此一0+0.216碧写0”+dU0dU05.0864妒(18)将式(1)(5)代入上式化简得，(19)式中：幻=-13.27(3砂OnDp/ATCp)(20)站-0.22(g%)pCp/l职)皿(21)稣=5.09彷心。/1职0；)。圈(22)为了求出过滤介质粒径和气溶胶粒径已知时的最具穿透率的流速，令：(23)ffi1201)厚1020、2040目砂中不同流速下晨琳过滤溶胶粒子的粒径Fig.lMostpenetrantparticl

14、esizein2cmlength1020、2040meshsandunderdifferentflowvelocity908070605040流速/(cmr1)图22cm厚1020、2040目砂中不同流速下最艰过滤气溶胶粒子的穿透率Fig.2Penetrationofmostpenetrantparticlein2cmlength1020、2040meshsandunderdiflercntflowvelocity2最具穿透率的流速分析当气溶胶粒子粒径、过滤介质粒径均不变时，式(6)表明，随着流速的增加,4种机理联合作用使得单个颗粒的总收集效率呈现出先降低后升高的变化规律，反映在宏观现象就是气

15、溶胶粒子的穿透率随流速增加先升高后降低，也就是说存在最具穿透率的流速。为了详细研究最具穿透率流速随气溶胶粒径、介质粒径的变化规律，对式(6)取偏导数得：察-=-13.266券W+0.216驾ACr；4-dU0dUQdUo5.0864-S店+1.42舞(17)当气溶胶粒径和介质大小不变时，上式可以简即：农+心小心湘(24)当过滤介质粒径和气溶胶粒径已知时，待定系数kf可通过式(20)(22)计算同样对上式进行数值求解，既可求出同种粒径气溶胶粒子在一定大小过滤介质中最具穿透率的流速。利用公式(24)计算出不同粒径气溶胶粒子在2cm厚1020目砂中最具穿透率的流速，代入式(6)计算出该流速下的单个颗

16、粒总收集效率，再利用式(7)计算出对应的最大穿透率，与实验数据囹进行比较，如图3、4所示。从图3中可以看出，实验数据和理论计算结果基本保持一致。在所研究的条件下，当气溶胶粒子粒径从0.50增加到3.15rim时，最具穿透率的流速范围理论值从8.90cm/s减小到2.77cm/s,实验值为8.17cm/so图3不冏粒径气溶胶粒子在2cm厚】020目砂中的最具穿透率流速Fig.3Mostpenetrantflowvelocityofdifferentsizeparticlesin2cmlength1020meshsand100723.15气溶胶粒径/pm图4表明，最具穿透率流速下

17、穿透率理论计算结果和实验数据基本保持一致，二者变化规律也相同。随着气溶胶粒子粒径从0.50|im增加到3.15白m,最具穿透率流速下穿透率理论计算结果从93.63%减小到67.14%,实验值从99.12%减小到86.23%,二者均随粒径的增加而减小。图42cm厚1020目沙中不同粒径，溶股粒子在最具穿诿率流速下的穿透率Fig.4Penetrationofdifferentsizeparticlesin2cmlength1020meshsandundermostpenetrantflowvelocity另一方面，从图14中可以看出实验数据和理论计算结果间仍然存在一定的差异。这主要由以下两个方面的

18、因素造成：首先，实验所用过滤介质存在着一定的粒度分布范围，并不绝对均一，介质颗粒也不可能是真正的球体，而理论计算中假定过滤介质的粒径是完全均匀的，且是理想化的球体颗粒；其次，气溶胶发生器产生的粒子也带有一定程度的多(上接第21页)到粒子的动能损失，因此粒子质量流量:不会影响到粒子的破损率。,参考文献(References):1 TOMITAY.Funtaigijutsusyanotamenofuntaihandoringuhijutsu(JJ.KagakuSouchi,1999,41(5):23-72.2 KALMEANH,GODERD.Designcriteriaforparticleatt

19、rition(JJ.AdvancedPowderTechnology,1998.9:153-167.3 KONAMIM,TANAKAS,MATSUMOTOK.Attritionofhighbulkdensitygranulesbyb7!ow-tank-typedensephasepneumatictrans-portcrfJ.JSocPowderTechnolJapan.2002,39:4-11.4 UEDAH.KIMURAH,TOMITAY,etal.Influenceofpneumaticconveyanceonphysicalandchemicalpropertiesofwet-gran

20、ulespreparedbyextrudinggranulationJ.JSocPowderTcchnol,Japan,1999,36:819-824.5 UEDAH,LIJ,HORHK,ctal.StudyofswirlingpneumatictransportofgranulesinaverticalpipeJ.JSocPowderTechnolJapan,分散性，而理论计算中假定气溶胶粒子是绝对的单分散，所有这些因素都会造成实验结果与理论计算结果之间的差异。3结论1) 当气体流速和过滤介质粒径不变时，由于各种机理的联合作用，存在最具穿透率的气溶胶粒子粒径,其范围为0.300.80怯m,计

21、算方程式为：叫-成+皿心+心俱=02) 当气溶胶粒子粒径和过滤介质粒径不变时，由于各种机理的联合作用，最具穿透率的气体流速范围为2.778.90cm/s,计算方程式为：参考文献(References):1 GUTFINGERC,TARDOSG1.TheoreticalandexperimentalinvestigationongranularbedfillersJ.AtmosphericEnvironment,1979.13:853-867.2 OTANIY,KANAOKAC.Experimentalstudyofaerosolfiltrationbythegranularbedoverawi

22、derangeofReynoldsnumbersJ.AerosolScienceandTechnology.1989,10:463-474.3 TARDOSGI.YUE.ExperimentsonaerosolfiltrationingranularsandbcdsJ.JColloidandInterfaceSci,1979,71:616-621.4 王启燕，王志强.何启梅.不同障度颗粒床的过滤特性研究J.环境科学与技术,2007(10):28-30.5 王启燕.高鸿恩.何启梅.颗粒床过滤中的惯性碰撞效应研究J.环境科学与技术,2006(10):30-31.2003,40:482-488.6 UEDAH