第三章颗粒流体力学基础与机械分离24课件

第三章颗粒流体力学基础与机械分离概述均相物系和非均相物系均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。溶液以及各种气体的混合物都是均相物系。非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的混合物系。一、相关定义分类①气态非均相物系：含尘气体，含雾气体②液态非均相物系：悬浮液，乳浊液，泡沫液二、分离方法：1.沉降：依据重力、离心力、惯性力，使分散相与连续相分离。据力的不同分：重力沉降和离心沉降2.过滤：借助压力或离心力使混合物通过某介质(固体)，使液相与固相截留于介质两侧而达到分离的目的。主要用于分离液态非均相物系。3.气体湿法净制：让含尘气体通过水或其它液体中，使颗粒溶于液体中或润湿颗粒，而使颗粒粘在一起，通过重力沉降分离。4.电子除尘：使含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过金属电极间的高压直流静电场，气体电离产生离子附着于悬浮尘粒或雾滴上而使之荷电。荷电的尘粒、雾滴在电场力的作用下至电极后发生中和而恢复中性从而达到分离。三、非均相物系分离的依据：分散相与连续相之间的物理性质的差异。如密度、颗粒外径等四、理论基础：颗粒流体力学－探讨颗粒与流体相对运动规律的学科六、分离目的：①回收分散质

②净化连续介质③环境保护与安全生产

从气固催化反应器的尾气中收集催化剂颗粒从结晶器中分离出晶粒烟道气中煤炭粉粒的除去原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料，以保证触媒的活性很多含碳物质与金属细粉及空气混合会形成爆炸物，必须除去这些物质以消除爆炸的隐患

1球形颗粒3.1单颗粒与颗粒群的几何特性3.1.1单颗粒的几何特性单颗粒球形颗粒非球形颗粒颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小（体积）及表面积。体积v=(π/6)dp3m3

表面积s=πdp2m2比表面积为a=s/v=6/dp

1/m

dp

球形颗粒的直径，m2.非球形颗粒（1）常用的参量：①等体积当量直径de,v：与非球形颗粒体积相等的球的直径。de,v=(6v/π)1/3v为非球形颗粒的体积。

equivalentvolume②球形系数ψ：与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面积之比。

ψ=πd2e,v/s

S为非球形颗粒的表面积。（2）非球形颗粒的体积、表面积、比表面积体积v=(π/6)d3e,vm3

表面积s=πd2e,v/ψm2

比表面积a=s/v=6/ψde,v

1/m

床层空隙率一般在0.47至0.7之间波动。

堆积密度：单位体积床层内固体颗粒的质量。

真实密度：颗粒的密度。

3.1.2.床层特性固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。.床层空隙率定义:床层空隙率ε=（床层体积-颗粒体积）/床层体积

3.2颗粒沉降与沉降分离设备研究背景沉降运动理论沉降分离设备基本概念研究背景及应用场合沉降操作在化工、医药、冶金、食品、环境保护等部门都有广泛应用。固体粒子与流体的相对运动环保：空气或烟道气的除尘、从废水中除去固体物质等沉降分离过程。干燥：气流干燥、喷雾干燥、沸腾干燥

造粒：喷雾造粒生物制药：絮凝沉淀法制取精制的中药制剂固体颗粒的流动输送

基本概念定义：沉降操作是借助某种力的作用，利用分散物质与分散介质的密度差异使之发生相对运动而分离的过程。与流体流动的联系：从原理上看，流体—固粒相对运动是流体力学的绕流问题。二者的着眼点不同，流体流动篇中着重研究的是单相流体的管流问题，后者在在固体颗粒；离心沉降自由落体运动区分自由沉降重力沉降干扰沉降沉降运动分类：沉降运动不考虑流体对固体运动的阻力

阻力不容忽略

3.2.1重力沉降一、球形颗粒的自由沉降自由沉降：任一颗粒的沉降不因流体中存在其它颗粒而受干扰。即颗粒彼此间相互独立，互不影响。它发生在流体中颗粒稀疏的情况中。流体—固粒间的相对运动有三种情况；①固粒静止．流体对其作绕流运动；②流体静止．固粒作沉降运动；③两者都运动，但保持一定的相对运动。流体对固体表面作用力粘性引起的表面曳力表面压差引起的形体曳力流体静止，球形颗粒的直径dp，密度ρs，流体密度ρ，颗粒作下沉运动时，受力为:FbFDFg重力浮力阻力1沉降颗粒的受力分析

2．颗粒的自由沉降速度如何得到ξ？3曳力系数的求解1)滞流orStokes区Rep<22)过渡orAllen区2<Rep<5003)湍流orNewton区Rep>5003)湍流orNewton区4光滑球形的沉降速度代入ξ~Rep的关系式，所以ut为stokes方程Allen方程Newton方程Rep<22<Rep<500Rep>500二沉降速度公式的应用(1)试差法、、p

确定已知dput已知ut

dp设沉降属于某一流型选用该流型的沉降速度式计算ut据ut检验Rep是否在原设流型范围是否按计算另选流型原设正确输出ut1球形颗粒的沉降计算(2)用无因次数群K判断流型

、、p

确定，已知dp

求utRep<2

K<3.3Stokes区=3.3

43.6Allen区>43.6Newton区已测得密度为1630Kg/m3的塑料珠在20℃的ccl4液体中的沉降速度为1.7×10-3m/s，20℃时ccl4的密度1590Kg/m3

，粘度μ=1.03×10-3Pa•s，求此塑料珠的直径。解：设小珠沉降在斯托克斯定律区，按式可得校核<2计算有效，小珠直径约为0.283mm例3—5

三、非球形颗粒的自由沉降1．非球形颗粒自由沉降的特征：非球颗粒的特征需用二个参数来表征de,v，ψ研究方法同球形颗粒不同ψ的ξ~Rep的实验曲线示于图3-122、非球形颗粒的沉降计算据Ψ值查图3－12,初设ξ’根据ut计算Rep据Ψ与Rep查图3－12,查得ξ=ξ’是否设ξ’=ξ原设正确输出ut(1）试差法已知dev求ut代入(2)摩擦数群法、、p

确定1)已知dp求ut2)已知ut求dp重力沉降速度计算小结λ与ζ计算比较都是反映阻力的影响因素摩擦系数λ曳力系数ζ因次分析因次分析λ＝f(Re,ε/d)ζ＝f(Rep,Ψ)应用摩擦系数λ层流λ＝64/Re过渡区湍流光滑管粗糙管λ＝f(Re,ε/d)λ＝0.3164/Re0.25曳力系数ζ层流过渡区湍流球形颗粒非球形颗粒ζ＝24/Repζ＝0.44ζ＝f(Rep,Ψ)降尘室是利用重力沉降除去气流中颗粒的设备3.4.2重力沉降室降尘室的分离原理为:垂直方向上τt=H/ut

水平方向上τr=AH/VS

τt≤τr时，颗粒能从气流中分离出来。

VS:降尘室的处理能力，则VS≤Aut

(降尘室面积A=长L×宽B)

由此可见，只与沉降面积及有关，而与降尘室的高度无关。

降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板，叫多屋降尘室。隔板间距一般为40~100mm。多层降尘室能分离较细小的颗粒并节省地面，但出灰不便。多层降尘室生产能力(n层水平隔板)：VS≤(n+1)ut·A说明①应根据需分离下来的最小颗粒计算。②不宜过高，避免沉降下来的颗粒重新卷起。③适用于作预除尘器使用（通常只适用于分离粒度大于50mm的粗粒）。例：拟采用降尘室回收常压炉气中所含的固体颗粒，降尘室底面积为10m2，宽和高均为2m，炉气处理量为4m3/s。操作条件下气体密度为0.75kg/m3，粘度2.6×10-5Pa·s,固体密度为3000kg/m3。求(1)理论上能完全捕集下来的最小粒径；(2)粒径为40μm颗粒的回收百分率；(3)若完全回收直径为15μm的尘粒，对降尘室应作如何改进?解：(1)能完全分离出的最小颗粒的沉降速度ut=VS/bl=4/10=0.4m/s故沉降属于层流区，因而能除去最小颗粒直径为：(2)直径为40μm的颗粒必在层流区沉降，其沉降速度ut′：因气体通过降尘室的时间为：θ=lb·H/VS=10×2/4=5s

故理论上直径40μm的颗粒在此时间内沉降高度H′=utθ=0.1006×5=0.503m

设降尘室入口炉气均布，在降尘室入口端处于顶部及其附近的d=40μm的尘粒，因其ut<0.4m/s，它们随气体到达出口时还没有沉到底而随气体带出，而入口端处于距室底0.503m以下的40μm的尘粒均能除去，所以40μm尘粒的除尘效率：η=H′/H=0.503/2=25.15%

(3)要完全回收直径为15μm的颗粒，则可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室。降尘室内隔板层数n及板间距h的计算为：取n=28,则隔板间距h=H/(n+1)=2/29=0.069m

因而在原降尘室内设置28层隔板理论上可全部回收直径为15μm的颗粒。

质量流量为2.5Kg/s

、温度为20℃的常压含尘空气在进入反应器之前必须除尘并预热至150℃，所含尘粒密度为1800Kg/m3

。现有一台总面积为130m3

的多层降尘器，试求在下列两种情况时此降尘器可全部除去的最小颗粒直径：（1）

先除尘后预热；（2）

先预热后除尘。例3—6解：（1）

据题意

可全部除去的最小颗粒的沉降速度为由计算可知，先除尘后预热的顺序较好，可以全部除去的最小颗粒直径较小。假定颗粒沉降处于斯托克斯定律区，则

以上计算有效（2）

据题意假定颗粒沉降仍处于斯托克斯定律区

dmin=23.8µmRep=0.019<2以上计算有效惯性离心力F离：任何质量为m的物体在与转轴的距离为R，切向速度为uT的位置上的Fc为Fc=muT2/R，方向沿旋转半径从中心指向外周，从而能更快更好地将分散质与分散介质分离出来。若R↓或uT↑→F离↑离心沉降:依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程叫离心沉降。3.4.3离心沉降离心加速度不是常数，随位置及切向速度而变，其方向是沿旋转半径从中心指向外周。而重力加速度g基本上可视作常数，其方向指向地心。1.离心力3.4.3.1惯性离心力作用下的沉降速度2.向心力（颗粒周围的流体对颗粒的作用力)与重力场中的浮力相当3.曳力一、离心力场中颗粒在径向的受力情况：ur相对径向运动速度

ur与ut比较，ut式中的g改用uT2/R

ut方向向下，是恒值，而ur方向沿径向由中心指向外，并随R的不同而不同，其值是变化的。二、离心沉降速度K=(uT2/R)/gK为分离因数三、分离因数对于一定的悬浮液，当采用离心沉降时，可加快沉降过程。K值大小是反映离心分离设备性能的重要指标。高速离心机的K值可达1万以上。一、旋风分离器的结构及工作原理3.4.3.2旋风分离器

旋风分离器一般用来除去气流中直径在5μm以上的颗粒。对颗粒含量高于200g/m3的气体，由于颗粒聚结作用，它甚至能除去3μm以下的颗粒。旋风分离器还可以从气流中分离除去雾沫。对于直径在5μm以下的小颗粒，需用袋滤器或湿法扑集。旋风分离器不适用于处理粘性粉尘、含湿量高的粉尘及腐蚀性粉尘。二、旋风分离器的性能1临界粒径dc临界粒径是判断旋风分离器分离效率高低的重要依据之一。评价旋风分离器性能的主要指标是从气流中分离颗粒的效果及气体经过旋风分离器的压力降。分离效果可用临界粒径和分离效率来表示。2分离效率旋风分离器的分离效率有两种表示法，一是总效率，以η0代表；一是分效率，又称粒级效率，以ηpi代表。3压力降压力降的大小，直接影响动力消耗，也为工艺条件所限制。

临界粒径的计算简化条件1）进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路线作等速运动，其切向速度等于进口气速ui；2）颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气口宽度B的气流层，方能达到壁面被分离。3）颗粒在stokes区，作自由沉降，其径向沉降速度可用ut=dp2ρs(ui2/Rm)/18μ计算，

Rm为平均回旋半径∵ρs≥ρ

∴ρs-ρ≈ρs

，1临界粒径dc定义：临界粒径是指理论上能够完全被旋风分离器分离下来的最小颗粒直径。则颗粒到达器壁所需的沉降时间τ1为τ1=B/ut=18μRmB/(dp2ρsui2

)含气流的有效旋转圈数为Ne，气流在器内的所需时间τ2为τ2=2пRmNe/ui

τ1=τ2，dp=dc18μRmB/(dp2ρsui2

)=2пRmNe/uiNe↑→dc↓B↑→dc↓ui↑→dc↓ρs↑→dc↓。2分离效率1)总分离效率η0:

单位时间内被除去的固体颗粒质量占进入分离器的全部颗粒质量的分率。η0=(c1-c2)/c1

c1:进口气体含尘浓度，g/m3

c2:出口气体含尘浓度，g/m3

总效率是工程中最常用的，也是最易于测定的分离效率。但这种表示方法的缺点是不能表明旋风分离器对各种尺寸粒子的不同分离效率。2.粒级效率（1）ηpi=(c1i-c2i)/c1i

C1i:进口气体中所带颗粒中第i段范围内的颗粒浓度，g/m3

C2i:出口气体中所带颗粒中第i段范围内的颗粒浓度，g/m3

通常把旋风分离器的粒级效率ηpi标给成粒径比

d/d50的函数曲线。d50是粒级效率为50%的颗粒直径，称之为分割粒径。（2）由粒级效率估算总效率

对于同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通用同一条

曲线，这就给旋风分离器效率的估算带来了很大方便。

3、压强降气体流径旋风分离器时，由于进气管，排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力及气体旋转运动时所产生的动能损失等等，造成了气体的压强降△p=ξ(ρui2/2)△p表示为与进口气体动能成正比。标准型ξ=0.8(实测)。一般△p介于500~2000Pa。思考：影响旋风分离器性能的因素？

最重要的是物系性质及操作条件。比如：颗粒密度大、粒径大、进口气速度高及粉尘浓度高等情况均有利于分离一、旋风分离器的类型与改进旋风分离器的性能不仅受含尘气的物理性质、含尘浓度、粒度分布及操作条件的影响，还与设备的结构尺寸密切相关。只有各部分结构尺寸恰当，才能获得较高的分离效率和较低的压力降。3.4.3.3旋风分离器的类型与选用1改进：采用细而长的器身

减小上涡流的影响消除下旋流影响排气管和灰斗尺寸的合理设计都可使除尘效率提高

CLK型（扩散型）：圆筒以下的部分为倒锥型，并在底部装有挡灰盘（亦称反射屏）。挡灰盘有效地防止了已下沉的细粉被重新卷起，使效率提高了，尤其对10μm以下的颗粒，效果更为明显。CLP型：带有旁路分离室的旋风分离器。对细微粉尘的聚结有促进作用。2旋风分离器的类型

CLT型（标准型）：如前所述。

CLT/A型：切向进口改为倾斜螺旋召进口，尺寸比例与标准型旋风分离器相近。二、旋风分离器的选用(1)选用的依据有：1.处理气量（体积流量）m3/h(m3/s)2.实际达到的分离效率η0（ηpi往往规定dpi≥某值ηpi≥某值）3.容许的压强降△p

(2)一般实例选用步骤为：1．据处理量及容许压强降，要求的分离效率确定类型。2．类型确定后，查阅其性能表，确定型号。（性能表中有不同尺寸的该型旋风分离器在若干个压降下的处理气量，依性能型号，表中所列的△p为ρ=1.2kg/m3下的数值，当ρ不同需校正）3．按照规定的压强降和分离效率确定旋风分离器并串联的台数。在旋风分离器数实际操作中，还需物别注意防止“窜漏”。若排灰口密封不好而发生漏气，即外面空气窜入旋风分离器内，则上升气流会将已沉降下来的尘粒重新卷起，会大大降低收尘效果。标准型：压降△p=8.0(u12/2)ρu1=ui

气体流量V=u1Bh=D2u1/8

Bh=D2/8D=4Bh=2B

Ne=5n个串联：△pi=△p/nη=1-(1-ηi)nV=Vi=D2ui/8

n个并联：△pi=△pη=ηiVi=D2ui/8Vi=V/n三、计算3.5固体流态化

3.5.1固体流态化现象一.固体颗粒床层的三种操作类型(1)固定床①定义:当流体空速u较低，流体通过颗粒床层时床层静止，故称这种固体颗粒床层为固定床。②特点:若床层横截面直径比颗粒直径大得多，床层各向同性。流体在颗粒间孔隙流动的真正流速为u1，颗粒静止不动，说明流体对颗粒的曳力与浮力之和小于颗粒的重量，或颗粒的沉降速度大于流体的真正流速。(2)流化床①定义:当流体空速趋进于某一临界速度umf

，颗粒开始松动，床层略有膨胀，床层高度增子增至Lmf

，颗粒位置稍作调整，当流速继续加大，固体颗粒呈悬浮状，颗粒重量不是靠与其接触的下面颗粒的支撑，而是靠流体对其产生的曳力与浮力支托，悬浮的颗粒在向上流过的流体中作随机运动，或摆动，或自转，并同时发生固体颗粒沿不同的回路作上下运动，由于这时固体颗粒的行为犹如沸腾液体在翻腾，故被称为流化床或沸腾床。

流化床现象可在一定的流体空速范围内出现，在这流速范围内，随着流速的增加，流化床高度增大，床层空隙率增大。②种类1.散式流化:若流化床中固体颗粒均匀地分散于流体，床层中各处空隙率大致相等，床层有稳定的上界面，这种流化形式称为散式流化。2.聚式流化:如图所示ⅰ气泡相:因固体与气体密度差别很大，气体对颗粒的浮力很小，气体对颗粒的支托主要靠曳力，这时床层会产生不均匀现象，在床层内形成若干孔穴，孔穴内固体含量很少，是气体排开固体颗粒后占据的空间，被称为气泡相。气体通过床层时优先通过孔穴，孔穴不是稳定不变的，气体支撑的孔穴上方的颗粒会落下，使孔穴位置上升，在上界面破裂。ⅱ乳化相:当床层产生孔穴时，非孔穴部位的颗粒床层仍维持刚发生流化时的状态，通过的气流量较少，被称为乳化相。ⅲ稀相区:在发生聚式流化时，细颗粒被气体带到上方，形成稀相区。ⅳ浓相区:较大颗粒留在下部，形成浓相区。两个区之间有分界面。一般称的流化床层主要指浓相区，床层高度指浓相区高度。(3)输送床当流体空速超过流化床上限空速后，床层高度不断升高，床层空隙率趋于1，流体空速与真正速度一致，且大于颗粒的沉降速度，则颗粒不能停留在容器中，逐渐被流体带出容器，被称为输送床。二流化床操作中固体颗粒类似液体的特性流化床操作中固体颗粒有类似液体的特性，流化床的名称由此得来。1.流化床操作时，固体颗粒会取得水平的床层上表面，可从侧孔流出，使流化床操作中能连续加料和出料。2.流化床能对全部或部分浸没其中的物体产生浮力，浮力的大小即物体排开流化床体积内颗粒的重量，体现了流体的特性。三流化床操作的特点P1313.5.2固体流态化的流体力学特性一.“床层压降~流体空速”曲线1.“△pm~u”的实验曲线:固体颗粒床层随着流体空速的增加，先后出现固定床和流化床的“△pm~u”的实验曲线，如图所示。(见下一页)A-B:颗粒静止，为固定床阶段;B-C:床层膨胀，颗粒松动，为疏松堆积状态;C点:颗粒群保持接触的最松状态，固定床以C点为限，随着空速的增加，床层进入流化阶段;起始流化速度umf:C点的流体空速;C-D:床层颗粒自上而下逐粒浮起。2.压降:①散式流化:△pm=m(ρs-ρ)g/Aρp=L(1-ε)(ρs-ρ)gPa△pm:流化床层的修正压强差m:整个床层内颗粒的质量A:床层横截面积上式表明，散式流化过程床层压降不随流体空速的改变而改变，实际上，由于颗粒与器壁的摩擦，随空速的增大，流化床层的压降略为升高。②聚式流化:由于气穴的形成与破裂，流化床层的压降会有起伏，还可能发生两种不正常的操作状况，即腾涌与沟流。Ⅰ腾涌:若床层直径较小且流化床浓相区较高，气穴合并成与床层直径相等的大气穴，把床层固体颗粒分段，气穴如活塞般将颗粒朝上推，部分颗粒则落下，这种现象被称为腾涌。发生腾涌时，气固接触不良，设备易损坏，腾涌的流化压降高于散式流化压降。Ⅱ沟流:若颗粒堆积不均匀，可能发生固定床层局部区域流化而其余区域仍为固定床的情况，这种现象被称为沟流。发生沟流时，气固接触不良，沟流的流化压降低于散式流化压降。二流化床的流体空速范围(1)起始流化速度umf起始流化速度由固定床和流化床的“压降~流速”曲线交点决定。流化床:△pm=L(1-ε)(ρs-ρ)g固定床:∵△pm

相等∴εmf固定床起始流化时的床层空隙率定义:最小流化系数Cmf则umf=Cmfde2(ρs-ρ)g/μCmf通过实验确定。白井-李伐提出了如下计算umf的方法:令Re,mf=deumfρ/μ则Re,mf﹤1Cmf=6.05×10-4(Re,mf)-0.0625

20﹤Re,mf﹤6000Cmf=2.20×10-3(Re,mf)-0.555由于umf未知，不能计算Re,mf

，故需要试差。若要避免试差，可令:u’mf=8.024×10-3[ρ(ρs-ρ)]0.94de1.82/ρμ0.88由u’mf计算Re,mf，若Re,mf﹥10

，则乘以校正系数可计算umf

。白井-李伐提出的校正系数曲线如图所示。(见下一页)(2)带出速度当流化床的流体空速增大，床层高度和床层空隙率均增大，到空隙率为1时，颗粒被全部带出。带出速度就是最大流化速度即颗粒沉降速度