固体颗粒及其特性简介

*第一篇气固固分离概述1第一章固体颗粒及其其特性定义：沉降力场：重重力、离心力力。在某种力场的的作用下，利利用分散物质质与分散介质质的密度差异异，使之发生生相对运动而而分离的单元元操作。沉降操作分类类：重力沉降降、离心沉降降。*第一篇气固固分离概述2第一章固体颗粒及其其特性流体绕圆球颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的的方向相反。。当流体相对于于静止的固体体颗粒流动时时，或者固体体颗粒在静止止流体中移动动时，由于流流体的粘性，，两者之间会会产生作用力力，这种作用用力通常称为为曳力或阻力力。只要颗粒与流流体之间有相相对运动，就就会产生阻力力。对于一定的颗颗粒和流体，，只要相对运运动速度相同同，流体对颗颗粒的阻力就就一样。一、颗粒运动动时的阻力*第一篇气固固分离概述3第一章固体颗粒及其其特性阻力定义式：：一、颗粒运动动时的阻力ρ——流体密度；μ——流体粘度；dp——颗粒的当量直直径；A——颗粒在运动方方向上的投影影面积；u——颗粒与流体相相对运动速度度。——阻力系系数，是雷诺诺数Re的函数，由实实验确定。*第一篇气固固分离概述4第一章固体颗粒及其其特性根据阻力随颗颗粒雷诺数变变化的规律，，可分为三个个区域：斯托克斯区（（10-4<Re<1）过渡区或艾仑仑区（1<Re<103）湍流区或牛顿顿区（103<Re<105）*第一篇气固固分离概述5第一章固体颗粒及其其特性一、颗粒在流流体中的沉降降过程颗粒与流体在在力场中作相相对运动时，，受到三个力力的作用：质量力F＝ma浮力力Fb=ρgVp曳力力Fd=ξAρu2/2对于一定的的颗粒和流流体，重力力Fg、浮力Fb一定，但曳曳力Fd却随颗粒运运动速度而而变化。当颗粒运动动速度u等于某一数数值后达到到匀速运动动，这时颗颗粒所受的的诸力之和和为零。*第一篇气气固分离概概述6第一章固体颗粒及及其特性一、颗粒在在流体中的的沉降过程程自由沉降：：颗粒在重力力作用下在在无界流体体中的沉降降过程，称称为自由沉沉降。对单个球形形颗粒的受受力分析：：沉降的两个个阶段：加速阶段和和等速阶段段;加速段时间间很短，整整个过程可可以忽略；；等速阶段，，颗粒相对对流体的速速度称为沉沉降速度；；用ut表示，也称称终端沉降降速度。u重力Fg阻力Fd浮力Fb*第一篇气气固分离概概述7第一章固体颗粒及及其特性一、颗粒在在流体中的的沉降过程程u重力Fg阻力Fd浮力Fb根据牛顿第第二定律，，颗粒的重重力沉降运运动基本方方程式应为为:p—颗粒密度*第一篇气气固分离概概述8第一章固体颗粒及及其特性ξ是阻力系数数，是颗粒粒对流体作作相对运动动的雷诺数数Re的函数u重力Fg阻力Fd浮力Fb当du/dt=0时，令u=ut，可得ut计算式*第一篇气气固分离概概述9第一章固体颗粒及及其特性Re=ρudp/μ流体绕圆球的流动uFd*第一篇气气固分离概概述10第一章固体颗粒及及其特性根据据阻阻力力随随颗颗粒粒雷雷诺诺数数变变化化的的规规律律，，可可分分为为三三个个区区域域：：斯托托克克斯斯区区（（10-4<Re<1）过渡渡区区或或艾艾仑仑区区（（1<Re<103）湍流流区区或或牛牛顿顿区区（（103<Re<105）*第一一篇篇气气固固分分离离概概述述11第一一章章固体体颗颗粒粒及及其其特特性性层流流区区过渡渡区区湍流流区区将不不同同流流动动区区域域的的阻阻力力系系数数分分别别代代入入上上式式，，得得球形形颗颗粒粒在在各区区相相应应的的沉沉降降速速度度分分别别为为：：：*第一一篇篇气气固固分分离离概概述述12第一一章章固体体颗颗粒粒及及其其特特性性求沉沉降降速速度度通通常常采采用用试试差差法法。。沉降降速速度度的的求求法法：：假设设流流体体流流动动类类型型；；计算算沉沉降降速速度度ut；计算算Re，，验证证与与假假设设是是否否相相符符；；如果果不不相相符符，，则则转转①①。。如如果果相相符符，，OK!*第一一篇篇气气固固分分离离概概述述13第一一章章固体体颗颗粒粒及及其其特特性性一直直径径为为1mm、密密度度为为2500kg/m3的玻玻璃璃球球在在20℃℃的水水中中沉沉降降，，试试求求其其终终端端沉沉降降速速度度ut。校核核流流型型，，Re=ρutdp/μμ=998.2××0.145××10-3/(1.005××10-3)=144解：：假假设设其其流流型型属属过过渡渡区区，，故故有有：：故属属于于过过渡渡区区，，与与假假设设相相符符。。反之之，，当当已已知知沉沉降降速速度度，，求求颗颗粒粒直直径径时时，，也也需需要要试试差差计计算算。。*第一篇篇气气固分分离概概述14第一章章固体颗颗粒及及其特特性已知一一密度度为3000kg/m3的球形形颗粒粒在20℃℃的水中中的终终端沉沉降速速度ut=9.8××10-3m/s，试确确定其其粒径径。校核流流型：：Re=ρutdp/μμ=998.2××9.8××10-3×95×10-6/(1.005×10-3)=0.92解：假假设其其流型型属层层流区区，故故有：：故属于于层流流区，，与假假设相相符。。*第一篇篇气气固分分离概概述15第一章章固体颗颗粒及及其特特性影响沉沉降速速度的的因素素(以以层流流区为为例)(1)颗颗粒粒直径径dp啤酒生生产，，采用用絮状状酵母母，dp↑→ut↑↑，，使啤酒酒易于于分离离和澄澄清。。均质乳乳化，，dp↓→ut↓↓，，使饮料料不易易分层层。加絮凝凝剂，，如水水中加加明矾矾。(2)连连续续相的的粘度度加酶：：清饮饮料中中添加加果胶胶酶，，使↓→ut↑，易于分分离。。增稠：：浓饮饮料中中添加加增稠稠剂，，使↑→ut↓，不易分分层。。加热：：原油油脱盐盐脱水水中的的加热热。(3)两两相相密度度差(p-)：*第一篇篇气气固分分离概概述16第一章章固体颗颗粒及及其特特性影响沉沉降速速度的的因素素(以以层流流区为为例)(4)颗颗粒粒形状状球形度度s越小，，越大，，但在在层流流区不不明显显。ut非球<ut球。对于细细微颗颗粒(d<0.5m)，，应考虑虑分子子热运运动的的影响响，不不能用用沉降降公式式计算算ut；Cunningham修正系系数。。沉降公公式可可用于于沉降降和上上浮等等情况况。(5)边边壁壁效应应(walleffect)：当颗颗粒靠靠近器器壁沉沉降时时，由由于器器壁的的影响响，沉沉降速速度变变慢小小，这这种影影响称称为壁壁效应应。(6)干扰沉沉降：：当颗颗粒体体积浓浓度小小于0.2%时，偏偏差在在1%以内，，当颗颗粒浓浓度较较高时时便发发生干干扰沉沉降。。由于于干扰扰作用用，大大颗粒粒的实实际沉沉降速速度小小于自自由沉沉降速速度；；小颗颗粒的的沉降降速度度增大大。*第一篇篇气气固分分离概概述17第一章章固体颗颗粒及及其特特性层流区，，Fd与ut的1次方成正正比。过渡区，，Fd与ut的1.4次方成正正比。湍流区，，Fd与ut的平方成成正比。。机理为何何？*第一篇气气固分分离概述述18第一章固体颗粒粒及其特特性*第一篇气气固分分离概述述19第一章固体颗粒粒及其特特性重力沉降降室/降尘室流道突然然扩大，，流速降降低，气气体携带带能力下下降，气气流中的的颗粒沉沉降下来来。因因此，，尺寸越越大，分分离能力力越强。。优点结构简单单，造价价低。阻力低。。50-150Pa。运行可靠靠。气量大，，且适合合高温使使用。缺点分离效率率低，只只适于大大颗粒的的分离。。尺寸大。。重力沉降室示意图*第一篇气气固分分离概述述20第一章固体颗粒粒及其特特性LHb净化气体含尘气体uut假设：颗颗粒水平平分速度度与气体体流速u相同；停留时间间＝L/u沉降时间间t＝H/ut颗粒分离离条件：：L/u≥H/ut；H<Lut/u*第一篇气气固分分离概述述21第一章固体颗粒粒及其特特性1、降尘室室颗粒大小小不同，，沉降速速度不同同。设某某粒子在在θ内沉降高度度是h且若h<H，则其分分离效率率为再设沉降降位于层层流区，，则：*第一篇气气固分分离概述述22第一章固体颗粒粒及其特特性1、降尘室室再设降尘尘室处理理量为Q，则：*第一篇气气固分分离概述述23第一章固体颗粒粒及其特特性按照100%的分离效效率，求出可分分离的最最小粒径径：dmin也称临界界粒径(criticaldiameter)；临界沉降降速度utc：*第一篇气气固分分离概述述24第一章固体颗粒粒及其特特性可见：当气速u一定时，，H越小，dmin越小，效效率越高高。常做成扁扁平型，，或采用用多层沉沉降室的的结构。。气速u不能太大大，以免免干扰颗颗粒沉降降，或把把尘粒重重新卷起起。一般般u不超过3m/s。。一定粒径径的颗粒粒，生产产能力Q只与底面面积BL和utc有关，而而与H无关。*第一篇气气固分离概概述25第一章固体颗粒及及其特性当用隔板分分为N层，则每层层高度为H/N。若速度u不变，则：：沉降高度为为原来的1/N倍；utc降为原来的的1/N倍(utc=Q/BL)；临界粒径为为原来的1/N0.5倍；一般可分离离20μm以上的颗粒粒；但排尘尘不方便。。多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体*第一篇气气固分离概概述26第一章固体颗粒及及其特性降尘室计算算举例例：拟用降尘室室回收常压压炉气中的的固体颗粒粒，降尘室室长5m，宽和高均为为2m，炉气量为4m3/s。操作条件下下气体密度度为0.75kg/m3，粘度2.6×10-5Pa·s，固体颗粒粒为球形，，密度3000kg/m3。求：(1)理论上上能完全捕捕集下来的的最小粒径径；(2)粒径径为40μm颗粒的回收收百分率；；(3)若完完全回收15μm的尘粒，对对降尘室应应如何改进进?解：与最小粒径径或临界粒粒径对应的的临界沉降降速度：假设流型并并校核，有有：*第一篇气气固分离概概述27第一章固体颗粒及及其特性降尘室计算算举例(2)直径径为40μm的颗粒必在在层流区沉沉降，其沉沉降速度ut′：故理论上直直径40μm颗粒的沉降降高度H′H′=u′tθ=0.1××(L/ut)=0.5m设降尘室入入口炉气均均布，在降降尘室入口口端处于顶顶部及其附附近的d=40μμm的尘粒，它它们随气体体到达出口口时还没有有沉到底，，而入口端端处于距室室底0.5m以下的尘粒粒均能除去去，所以除除尘效率：：η=H′/H=0.5/2=25%*第一一篇篇气气固固分分离离概概述述28第一一章章固体体颗颗粒粒及及其其特特性性降尘尘室室计计算算举举例例(3)要要完完全全回回收收15μm的颗颗粒粒，，可可在在降降尘尘室室内内设设置置水水平平隔隔板板，，使使之之变变为为多多层层降降尘尘室室。。隔隔板板层层数数n及板板间间距距h的计计算算为为：：圆整整取取n=28，则则隔隔板板间间距距：：h=H/(n+1)=2/29=0.069m故理理论论上上在在原原降降尘尘室室内内设设28层层隔隔板板可可全全部部回回收收15μμm的颗颗粒粒。。加长长L或增增加加宽宽度度B，是是否否可可行行？？*第一一篇篇气气固固分分离离概概述述29第一一章章固体体颗颗粒粒及及其其特特性性降尘尘室室计计算算举举例例(3)要要完完全全回回收收15μm的颗颗粒粒，，可可在在降降尘尘室室内内设设置置水水平平隔隔板板，，使使之之变变为为多多层层降降尘尘室室。。隔隔板板层层数数n及板板间间距距h的计计算算为为：：圆整整取取n=28，则隔板间距距：h=H/(n+1)=2/29=0.069m故理论上在原原降尘室内设设28层隔板板可全部回收收15μm的颗粒。加长L或增加宽度B，是否可行？？*第一篇气固固分离概述30第一章固体颗粒及其其特性降尘室计算举举例降尘室的设计计计算(1)计算ut：(2)确定底底面积及B，L：(3)确定沉沉降高度H：已知含尘气体体的流量，粉粉尘的排放标标准，气固两两相物性参数数。设计计算步骤骤：*第一篇气固固分离概述31第一章固体颗粒及其其特性降尘室计算举举例说明：沉降速度ut应按需要分离离下来的最小