化工原理 沉降.pptx

5.1 概述 本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动。在流固两相物系中，不论作为连续相的流体处于静止还是作某种运动，只要固体颗粒的密度大于流体的密度，那么在重力场中，固体颗粒将在重力方向上与流体做相对运动，在离心力场中，则与流体作离心力方向上的相对运动。第1页/共71页5.1 概述许多化工生产过程与流固两相的相对运动密切相关：两相物系的沉降：包括重力沉降和离心沉降；固体物料的干燥、矿粉焙烧等物理化学过程；固体颗粒的流动输送。流固两相物系内的相对运动规律是上述过程计算的基础，其研究应从流体对颗粒运动的阻力入手。第2页/共71页5.2 颗粒的沉降运动 流体对固体颗粒的绕流 静止流体中颗粒的自由沉降 第3页/共71页流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种情况：颗粒静止，流体对其做绕流；流体静止，颗粒作沉降运动；颗粒与流体都运动，但保持一定的相对运动。流体对固体颗粒的绕流 FD 流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动u第4页/共71页流体对固体颗粒的绕流（1）两种曳力表面曳力和形体曳力第5页/共71页流体对固体颗粒的绕流黏性流体对球体的低速绕流（也称爬流）时FD的理论式：斯托克斯（Stokes）定律当流速较高时，Stokes定律不成立。因此，对一般流动条件下的球形颗粒及其其他形状的颗粒，FD的数值尚需通过实验解决。第6页/共71页流体对固体颗粒的绕流对球形颗粒，用量纲分析并整理后可得：（2）曳力（阻力）系数若令：Ap流动方向上颗粒的投影面积无因次曳力系数第7页/共71页流体对固体颗粒的绕流第8页/共71页 球形颗粒 的曲线在不同的雷诺数范围内可用公式表示如下：，Stokes定律区：，Allen定律区：，Newton定律区：流体对固体颗粒的绕流第9页/共71页流体对固体颗粒的绕流小结：Stokes区(Rep2105曳力系数骤然下降，层流边界层湍流边界层分离点后移，尾流区收缩，形体曳力突然下降，近似取=0.1。第10页/共71页（1）沉降的加速阶段问题：将一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体中，若颗粒在重力的作用下沿重力方向作沉降运动，此时颗粒受到哪些力的作用呢？u重力重力 Fg阻力阻力 FD浮力浮力 Fb第11页/共71页根据牛顿第二定律得：即：开始瞬间，最大，颗粒作加速运动。第12页/共71页ut称为颗粒的沉降速度或终端速度。对小颗粒，沉降的加速段很短，加速阶段所经历的距离也很小。因此，对小颗粒沉降的加速阶段可以忽略，而近似认为颗粒始终以ut下降。（2）沉降的等速阶段第13页/共71页（3）颗粒的沉降速度 对球形颗粒，当对球形颗粒，当 时时第14页/共71页讨论：讨论：1 1）u ut t与与d dp p有关，有关，d dp p愈大，愈大，u ut t则愈大则愈大2 2）斯托克斯区与阿仑区中，）斯托克斯区与阿仑区中，u ut t还与流体粘度有关。还与流体粘度有关。对一定系统来说，对一定系统来说，u ut t=f(=f(p p,d,dp p)TT，气体气体，阻力阻力 ，除沉不利，除沉不利TT，液体液体，阻力阻力 ，除沉有利，除沉有利液体粘度约为气体粘度的液体粘度约为气体粘度的5050倍，故颗粒在液体中的倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。沉降速度比在气体中的小很多。第15页/共71页当uuuut t时，颗粒向上运动当uuuut t时，颗粒向下运动当u=uu=ut t时，颗粒悬浮在流体中n3）当流体做水平运动时：n 4 4）当流体以一定的速度向上运动时：第16页/共71页（4）其他因素对沉降速度的影响1）公式成立假定条件：颗粒为球形；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。2）对实际颗粒需要考虑下列因素：干扰沉降；端效应；分子运动；非球形颗粒；液滴或气泡的运动。第17页/共71页假设流体流动类型；假设流体流动类型；计算沉降速度；计算沉降速度；计算计算ReRep p，验证与假设是否相符；验证与假设是否相符；如果不相符，则转如果不相符，则转。如果相符，。如果相符，OK!OK!求沉降速度通常采用试差法。求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法小结：沉降速度的求法小结：第18页/共71页计算直径为计算直径为9595 m m，密度为密度为30003000kg/mkg/m3 3的固体颗粒分别在的固体颗粒分别在20 20 的空气和水中的自的空气和水中的自由沉降速度。由沉降速度。计算计算Rep，核算流型：核算流型：假设正确，计算有效。假设正确，计算有效。解：解：（1 1）在在20 20 的水中：的水中：20 20 水的密度为水的密度为998.2998.2kg/mkg/m3 3，粘度为粘度为1.005101.00510-3-3 PaPa s s补充例题：补充例题：先设为斯托克斯定律区：先设为斯托克斯定律区：第19页/共71页（2 2）在在20 20 的空气中：的空气中：20 20 空气的密度为空气的密度为1.205kg/m1.205kg/m3 3，粘度为粘度为1 18.1108.110-6-6 PaPa s s先设为斯托克斯定律区：先设为斯托克斯定律区：计算计算Rep，核算流型：核算流型：假设不正确，重设为阿仑区：假设不正确，重设为阿仑区：假设正确，计算有效。假设正确，计算有效。第20页/共71页5.3 沉降分离设备 重力沉降设备离心沉降设备 第21页/共71页重力沉降设备重力沉降设备（1）降尘室藉重力沉降以除去气流中的尘粒的设备称为降尘室。按流体流动方式的不同，重力沉降设备可分为水平流动型与上升流动型两种。第22页/共71页lHb净化气体净化气体含尘气体含尘气体uut重力沉降设备第23页/共71页重力沉降设备重力沉降设备停留时间：，至少，至少所以：所以：降尘室的设计原理降尘室的设计原理n 沉降时间：第24页/共71页 含尘气体体积流量，含尘气体体积流量，。气速气速 ，一般，一般 应应1 5 m，dpc50=12 m。主要技术参数第44页/共71页 含尘气体的分离系统4050 m 5 m，dpc50=12 m 0.5 m达90%灰尘含尘气体净化气体灰尘灰尘重力沉降室旋风分离器袋滤器离心风机第45页/共71页（2）气力旋流分级 藉离心沉降可将气流中夹带的颗粒进行分级，此类分级设备型式较多。带固体颗粒的气流切向进入分级机，经分级后可得微粒、细粒和粗粒三种产品。带微粒的气流从分级机上部出口排出，其余颗粒在离心力和中心锥的作用下进入分级区。二次气流经导向叶片后进入分级区，在分级区形成一个旋流场，粗粒在旋流中被抛向边上落下，并从底部出口排出。细粒被分级区气流带至中心的下部气流出口排出。第46页/共71页（3）转鼓式离心机 中空的转鼓以约 10004500 转/分的转速旋转，转鼓的壁上无孔。悬浮液自转鼓的中间加入，固体颗粒因离心力作用沉至转鼓内壁，澄清的液体则由转鼓端部溢出。间歇操作的离心机转鼓一般为立式，沉渣层用人工卸除。连续操作的离心机转鼓常为卧式，设有专门的卸渣装置，以连续、自动地排出沉渣。第47页/共71页（4）碟式分离机 碟式分离机的转鼓内装有许多倒锥形碟片，碟片直径一般为 0.20.6m，碟片数目约为 50100 片。转鼓以 47008500 转/分的转速旋转，分离因数可达 400010000。这种分离机可用作澄清悬浮液中少量细小颗粒以获得清净的液体，也可用于乳浊液中轻、重两相的分离，如油料脱水等。第48页/共71页（5）管式高速离心机在转鼓的机械强度限定的条件下，增加转速，缩小转鼓直径可以提高离心分离因数。基于这一原理设计而成的管式高速离心机的转速常达 15000 转/分以上，分离因数可达 12500 左右。它也可在澄清和分离两种工况下操作。第49页/共71页5.4 固体流态化技术第50页/共71页固体流态化是一种使流体与固体颗粒接触并使整个流固系统具有流体性质的技术。广泛应用于：颗粒物料的加热、干燥、混合、浸取、煅烧、输送及反应过程。第51页/共71页当流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现下面三种不同的情况：第52页/共71页（1）固定床阶段如果流体通过床层的表观速度(即空塔速度)u较低，颗粒空隙中流体的实际流速u1ut，此时床层内颗粒将“浮起”，颗粒层“膨胀”，称为流化床。此时床层内流体的实际流速u1与与表观速度u的关系可表示为：u1=u/第54页/共71页（3）颗粒输送阶段如果继续提高流体的表观速度u，使真实速度u1ut，则颗粒将被气流所带走，此时床层上界面消失，这种状态称为颗粒输送阶段。依据此原理，可实现气力和液力输送。（4）狭义流化与广义流化狭义流态化u1=ut 阶段；广义流态化各种非固定床的流固系统，包括载流床和气力输送。第55页/共71页按照流体和颗粒的运动状况分类：（1）散式流化一般发生在液固系统，当表观流速接近临界值umf时，发生流化现象，将umf称为起始流化速度。此种流化床的上界面比较清晰，散式流化床比较接近理想流化床。（2）聚式流化一般发生在气固系统，当表观流速超过umf而开始流化后，床内出现一些空穴，气体将会优先穿过各个空穴至床层顶部逸出。聚式流化界面有频繁的起伏波动，界面以上的空间也会有部分固体颗粒，与理想流化床偏离较大。第56页/共71页（1）液体样特征第57页/共71页无定形，随容器的形状变化，有一定的上界面；如将小于床层密度的物体放入，此物体将浮在表面上；当容器倾斜时，床层上界面保持水平；两个床层连通时，其床面自动调整到同一水平面上；床层任意两截面间的压强变化等于这两截面间单位面积上床层的重力；流化床与液体一样具有流动性。第58页/共71页（2）固体充分混合床内c、t很快达到均一主要优点（3）气流不均匀分布和气-固不均匀接触 腾涌或节涌颗粒层象活塞那样被气泡向上推动，在达到床层上界面后气泡崩裂，颗粒分散下落，这种现象称为腾涌现象。第59页/共71页 沟流沟流是指气体通过床层时形成短路。发生沟流现象时，床层内密度分布不均，且气体不能充分与颗粒接触，使传质、传热等工艺条件恶化。（4）恒定的压降流体与颗粒间摩擦而产生的压降为：床层压降=单位截面床内颗粒的表观重力（重力-浮力）第60页/共71页F流+F浮=F重F流=F重-F浮n A床层截面积，m2n m床层颗粒的总质量，Kg恒压降流化床的压降等于单位截面床内固体的表观重量（即重量浮力），它与气速无关而始终保持定值。第61页/共71页恒定的压降是流化床的重要优点，可使流化床中采用细小颗粒而无需担心过大的压降。第62页/共71页在流化床操作时可以通过测量床层压降以判断床层流化的优劣第63页/共71页（1）起始流化速度umf对非均匀颗粒组成的流化床，起始流化床的表观速度为利用欧根方程，小颗粒条件下：第64页/共71页对工业常见颗粒（2）带出速度n当表观速度u=ut时，大量颗粒将被流体带出流化床设备外，即流化床的带出速度等于 ut，此速度为流化床操作范围的上限。n流化数：流化床实际操作速度与起始流化速度之比。第65页/共71页流化质量反映了流化床内流体分布及流固两相接触的均匀程度。在气固流化床内，气体沿床层横截面的分布及气固两相的接触总是存在相当程度的不均匀性，即流化质量不高。流化质量不高对流化床中气固间的传热、传质及反应过程都是不利的。床层的内生不稳定性为抑制流化床的这一不利工程因素，通常采用以下几种措施：增加分布板的阻力采用内部构件采用小直径、宽分布的颗粒采用细颗粒、高气速流化床第66页/共71页5.5 气力输送什么是气力输送？气力输送有哪些主要优点？稀相输送和密相输送的区别是什么？了解气力输送装置第67页/共71页补充例题：降尘室净化20流量为2500m3/h 的常压空气，尘粒的密度为1800kg/m 3，要求除去d为10m的尘粒，如降尘室底面宽2m，长5m，试求降尘室设多少块隔板？已知：t=20，qv=2500m3/h，p=1800kg/m3d=10m，B=2m，L=5m求:n解：由qv=ut A总=utA(n+1)设颗粒沉降在斯托克斯区，有第68页/共71页第69页/共71页第70页/共71页感谢您的观看。第71页/共71页