固体颗粒及其特性简介.pptx

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1、*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述1第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性p 定义：定义：p沉降力场：重力、离心力。沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，在某种力场的作用下，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单元操作。使之发生相对运动而分离的单元操作。p 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述2第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性流体流体绕圆绕圆球球颗颗粒的流粒的流动动uFdFd与颗粒运动的方向相反。与颗粒运动的方向相反。当流体相当流体相

2、对对于静止的固体于静止的固体颗颗粒流粒流动时动时，或者固体，或者固体颗颗粒在静止粒在静止流体中移流体中移动时动时，由于流体的粘性，两者之，由于流体的粘性，两者之间间会会产产生作用力，生作用力，这这种作用力通常称种作用力通常称为为曳力或阻力。曳力或阻力。只要颗粒与流体之间有相对只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，只对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。颗粒的阻力就一样。一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述3第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其

3、特性阻力定阻力定义义式：式：一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力 流体密度；流体密度；流体粘度；流体粘度；dp颗颗粒的当量直径；粒的当量直径；A 颗颗粒在运粒在运动动方向上的投影面方向上的投影面积积；u 颗颗粒与流体相粒与流体相对对运运动动速度。速度。阻力系数，是雷阻力系数，是雷诺诺数数Re的函数，由的函数，由实验实验确定。确定。*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述4第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：斯托克斯区（斯托克斯区（10-4Re 1）过渡区或艾仑区（过渡区或艾仑区（1 R

4、e 103）湍流区或牛顿区（湍流区或牛顿区（103 Re 105）*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述5第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性一、一、颗颗粒在流体中的沉降粒在流体中的沉降过过程程颗颗粒与流体在力粒与流体在力场场中作相中作相对对运运动时动时，受到三个力的作用：，受到三个力的作用：质质量力量力 F m a 浮浮 力力 Fb=g Vp 曳曳 力力 Fd=A u2/2 对对于一定的于一定的颗颗粒和流体，重力粒和流体，重力Fg、浮力、浮力Fb一定，但曳力一定，但曳力Fd却随却随颗颗粒运粒运动动速度而速度而变变化。化。当当颗颗粒运粒运动动速度速度u等于某一数等于某一数值值后达到

5、匀速运后达到匀速运动动，这时颗这时颗粒粒所受的所受的诸诸力之和力之和为为零。零。*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述6第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性一、一、颗颗粒在流体中的沉降粒在流体中的沉降过过程程自由沉降：自由沉降：颗粒在重力作用下在无界流颗粒在重力作用下在无界流体中的沉降过程，称为自由沉降体中的沉降过程，称为自由沉降 。对单个球形颗粒的受力分析：对单个球形颗粒的受力分析：沉降的两个沉降的两个阶阶段：段：加速加速阶阶段和等速段和等速阶阶段段;加速段加速段时间时间很短，整个很短，整个过过程可以忽略；程可以忽略；等速等速阶阶段，段，颗颗粒相粒相对对流体的速度称流体的速度称为

6、为沉降速度；沉降速度；用用ut表示，也称表示，也称终终端沉降速度。端沉降速度。u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述7第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性一、一、颗颗粒在流体中的沉降粒在流体中的沉降过过程程u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:p 颗颗粒密度粒密度*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述8第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性是阻力系数，是颗粒对流体作相对运动的雷诺数是阻力系数，是颗粒对流体作相对运动的雷诺数

7、Re的函数的函数u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb当当du/dt=0时，令时，令u=ut，可得可得ut计算式计算式*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述9第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性Re=u dp/流体绕圆球的流动流体绕圆球的流动uFd*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述10第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：斯托克斯区（斯托克斯区（10-4Re 1）过渡区或艾仑区（过渡区或艾仑区（1 Re 103）湍流区或牛顿区（湍流区或牛顿区（103 Re 105）*

8、第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述11第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性层流区层流区过渡区过渡区湍流区湍流区将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在球形颗粒在各区相各区相应的沉降速度分别为：应的沉降速度分别为：*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述12第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性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：沉降速度的求法：假假设设流体流流体流动类动类型；型；计计算沉降速度算沉降速度 ut；计计算算Re，验证验证与假与假设设是否相符；是否相符；如果不相符，如果不相符，则转

9、则转。如果相符，。如果相符，OK!*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述13第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性 一直径一直径为为1mm、密度、密度为为2500kg/m3的玻璃球在的玻璃球在20的水中沉降，的水中沉降，试试求其求其终终端沉降速度端沉降速度 ut。校核流型，校核流型，Re=ut dp/=998.20.14510-3/(1.00510-3)=144解：假设其流型属过渡区，故有：解：假设其流型属过渡区，故有：故属于故属于过过渡区，与假渡区，与假设设相符。相符。反之，当已知沉降速度，求反之，当已知沉降速度，求颗颗粒直径粒直径时时，也需要，也需要试试差差计计算。算。*第一篇第

10、一篇 气固分离概述气固分离概述14第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性 已知一密度已知一密度为为3000kg/m3的球形的球形颗颗粒在粒在20的水中的的水中的终终端沉降端沉降速度速度 ut=9.810-3m/s，试试确定其粒径。确定其粒径。校核流型：校核流型：Re=ut dp/=998.29.810-39510-6/(1.00510-3)=0.92解：假设其流型属层流区，故有：解：假设其流型属层流区，故有：故属于故属于层层流区，与假流区，与假设设相符。相符。*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述15第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素(

11、以层流区为例以层流区为例)(1)颗颗粒直径粒直径dp啤酒生啤酒生产产，采用絮状酵母，采用絮状酵母，dput，使啤酒易于分离和澄清。使啤酒易于分离和澄清。均均质质乳化，乳化，dput，使使饮饮料不易分料不易分层层。加絮凝加絮凝剂剂，如水中加明，如水中加明矾矾。(2)连续连续相的粘度相的粘度 加加酶酶：清：清饮饮料中添加果胶料中添加果胶酶酶，使，使 ut，易于分离。易于分离。增稠：增稠：浓饮浓饮料中添加增稠料中添加增稠剂剂，使，使 ut，不易分不易分层层。加加热热：原油脱：原油脱盐盐脱水中的加脱水中的加热热。(3)两相密度差两相密度差(p-)：*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述16第一章第一

12、章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素(以层流区为例以层流区为例)(4)颗颗粒形状粒形状球形度球形度 s越小，越小，越大，但在越大，但在层层流区不明流区不明显显。ut非球非球ut球球。对对于于细细微微颗颗粒粒(d0.5 m)，应应考考虑虑分子分子热热运运动动的影响，不的影响，不能用沉降公式能用沉降公式计计算算ut；Cunningham修正系数。修正系数。沉降公式可用于沉降和上浮等情况。沉降公式可用于沉降和上浮等情况。(5)边边壁效壁效应应(wall effect)：当：当颗颗粒靠近器壁沉降粒靠近器壁沉降时时，由于器壁，由于器壁的影响，沉降速度的影响，沉降速度变

13、变慢小，慢小，这这种影响称种影响称为为壁效壁效应应。(6)干干扰扰沉降：当沉降：当颗颗粒体粒体积浓积浓度小于度小于0.2%时时，偏差在，偏差在1%以内，当以内，当颗颗粒粒浓浓度度较较高高时时便便发发生干生干扰扰沉降。由于干沉降。由于干扰扰作用，大作用，大颗颗粒的粒的实际实际沉降速度小于自由沉降速度；小沉降速度小于自由沉降速度；小颗颗粒的沉降速度增大。粒的沉降速度增大。*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述17第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性层层流区，流区，Fd与与ut 的的1次方成正比。次方成正比。过过渡区，渡区，Fd与与ut 的的1.4次方成正比。次方成正比。湍流区，湍流区，

14、Fd与与ut的平方成正比。的平方成正比。机理为何？机理为何？*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述18第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述19第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性重力沉降室重力沉降室/降尘室降尘室 流道突然扩大，流速降低，气体携流道突然扩大，流速降低，气体携带能力下降，气流中的颗粒沉降下来。带能力下降，气流中的颗粒沉降下来。因此，尺寸越大，分离能力越强。因此，尺寸越大，分离能力越强。优点优点l结结构构简单简单，造价低。，造价低。l阻力低。阻力低。50-150Pa。l运行可靠。运行可靠。l气量大，且适合高温使用。气量大

15、，且适合高温使用。缺点缺点l分离效率低，只适于大颗粒的分离。分离效率低，只适于大颗粒的分离。l尺寸大。尺寸大。重力沉降室示意图重力沉降室示意图*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述20第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性LHb净化气体净化气体含尘气体含尘气体uut假设：颗粒水平分速度与气体流速假设：颗粒水平分速度与气体流速 u 相同；相同；停留时间停留时间 L/u沉降时间沉降时间 t H/ut颗粒分离条件：颗粒分离条件：L/u H/ut；H Lut/u*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述21第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性1、降尘室、降尘室颗粒大小不同，沉降速度不

16、同。颗粒大小不同，沉降速度不同。设某粒子在设某粒子在内内沉降高度是沉降高度是 h且若且若h H，则则其分离效率其分离效率为为再再设设沉降位于沉降位于层层流区，流区，则则：*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述22第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性1、降尘室、降尘室再再设设降降尘尘室室处处理量理量为为Q，则则：*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述23第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性按照按照100%的分离效率，的分离效率，求求出可分离的最小粒径：出可分离的最小粒径：dmin也称也称临临界粒径界粒径(critical diameter)；临临界沉降速度界沉降速度utc

17、：*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述24第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性可可见见：l当气速当气速u一定一定时时，H越小，越小，dmin越小，效率越高。越小，效率越高。l常做成扁平型，或采用多常做成扁平型，或采用多层层沉降室的沉降室的结结构。构。l气速气速u不能太大，以免干不能太大，以免干扰颗扰颗粒沉降，或把粒沉降，或把尘尘粒重新粒重新卷起。一般卷起。一般u不超不超过过3m/s。l一定粒径的一定粒径的颗颗粒，生粒，生产产能力能力Q只与底面只与底面积积BL和和 utc有关，有关，而与而与H无关。无关。*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述25第一章第一章 固体颗粒及其特性固体

18、颗粒及其特性 当用隔板分为当用隔板分为N层，则每层高度为层，则每层高度为H/N。若速度若速度u不变，则：不变，则：沉降高度为原来的沉降高度为原来的1/N倍；倍；utc降为原来的降为原来的1/N倍倍(utc=Q/BL)；临界粒径为原来的临界粒径为原来的 1/N0.5 倍；倍；一般可分离一般可分离20m以上的颗粒；但排尘不方便。以上的颗粒；但排尘不方便。多层隔板降尘室示意图多层隔板降尘室示意图 含尘气体含尘气体粉尘粉尘隔板隔板净化气体净化气体*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述26第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例例：例：拟拟用降用降尘尘室回收常室回收常

19、压压炉气中的固体炉气中的固体颗颗粒，降粒，降尘尘室室长长5m，宽宽和和高均高均为为2m，炉气量炉气量为为4m3/s。操作条件下气体密度操作条件下气体密度为为0.75kg/m3，粘度粘度2.610-5Pas，固体，固体颗颗粒粒为为球形，密度球形，密度 3000kg/m3。求：求：(1)理理论论上能完全捕集下来的最小粒径；上能完全捕集下来的最小粒径；(2)粒径粒径为为40m颗颗粒的回收百分率；粒的回收百分率；(3)若完全回收若完全回收15m的的尘尘粒，粒，对对降降尘尘室室应应如何改如何改进进?解：解：与最小粒径或与最小粒径或临临界粒径界粒径对应对应的的临临界沉降速度：界沉降速度：假设流型并校核，有

20、：假设流型并校核，有：*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述27第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例(2)直径直径为为40m的的颗颗粒必在粒必在层层流区沉降，其沉降速度流区沉降，其沉降速度ut：故理故理论论上直径上直径40m颗颗粒的沉降高度粒的沉降高度H H=ut=0.1(L/ut)=0.5m设设降降尘尘室室入入口口炉炉气气均均布布，在在降降尘尘室室入入口口端端处处于于顶顶部部及及其其附附近近的的d=40m的的尘尘粒粒，它它们们随随气气体体到到达达出出口口时时还还没没有有沉沉到到底底，而而入入口口端端处处于距室底于距室底0.5m以下的以下的尘尘粒均能除去

21、，所以除粒均能除去，所以除尘尘效率：效率：=H/H=0.5/2=25%*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述28第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例(3)要完全回收要完全回收15m的的颗颗粒，可在降粒，可在降尘尘室内室内设设置水平隔板，置水平隔板，使之使之变为变为多多层层降降尘尘室。隔板室。隔板层层数数n及板及板间间距距h的的计计算算为为：圆圆整取整取 n=28，则则隔板隔板间间距：距：h=H/(n+1)=2/29=0.069m故理故理论论上在原降上在原降尘尘室内室内设设28层层隔板可全部回收隔板可全部回收15m的的颗颗粒。粒。加加长长L或增加或增加宽宽

22、度度B，是否可行，是否可行？*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述29第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例(3)要完全回收要完全回收15m的的颗颗粒，可在降粒，可在降尘尘室内室内设设置水平隔板，置水平隔板，使之使之变为变为多多层层降降尘尘室。隔板室。隔板层层数数n及板及板间间距距h的的计计算算为为：圆圆整取整取 n=28，则则隔板隔板间间距：距：h=H/(n+1)=2/29=0.069m故理故理论论上在原降上在原降尘尘室内室内设设28层层隔板可全部回收隔板可全部回收15m的的颗颗粒。粒。加加长长L或增加或增加宽宽度度B，是否可行，是否可行？*第一篇第一篇

23、 气固分离概述气固分离概述30第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例降尘室的设计计算降尘室的设计计算(1)计算计算ut：(2)确定底面积及确定底面积及B，L：(3)确定沉降高度确定沉降高度H：已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相物性参数。已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相物性参数。设计计算步骤：设计计算步骤：*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述31第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例说明：说明：l沉降速度沉降速度ut应应按需要分离下来的最小按需要分离下来的最小颗颗粒粒计计算算；l气流速度气流速度u不

24、不应应太高，以免干太高，以免干扰颗扰颗粒的沉降或把已粒的沉降或把已经经沉沉降下来的降下来的颗颗粒重新卷起。粒重新卷起。l降降尘尘室室结结构构简单简单，流，流动动阻力小，但体阻力小，但体积庞积庞大，效率低，大，效率低，通常通常仅仅适用于直径大于适用于直径大于50-100m的的颗颗粒粒，作，作预预除除尘尘。l多多层层降降尘尘室室虽虽能分离能分离50m以下以下的的颗颗粒，并粒，并节节省地面，省地面，但存在但存在诸诸多多问题问题。例例题题中在中在 2m 高度上加高度上加 28 层层不可行，安装，支撑，找平等。不可行，安装，支撑，找平等。另外，排灰也不可能。另外，排灰也不可能。而在沉降器内加而在沉降器内

25、加设设一些立式角一些立式角钢钢等，形成等，形成惯惯性分离，是提高分性分离，是提高分离效率的好方法。离效率的好方法。*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述32第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述33第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述34第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例二、惯性分离器二、惯性分离器分离机理分离机理：利用气体和：利用气体和颗颗粒的粒的密度差，当气流急速改密度差，当气流急速改变变方向方向

26、时时，颗颗粒脱离流粒脱离流线线从气流中分从气流中分离下来。离下来。这这种种惯惯性分离器，气性分离器，气流旋流旋转转角度小于角度小于360。*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述35第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例结构形式结构形式冲冲击击式气流冲式气流冲击挡击挡板捕集板捕集较较粗粒子粗粒子反反转转式改式改变变气流方向捕集气流方向捕集较细较细粒子粒子冲冲击击式式惯惯性除性除尘尘装置装置a单级单级 b多多级级 反反转转式式惯惯性除性除尘尘装置装置a 弯管型弯管型 b 百叶窗型百叶窗型 c 多多层层隔板型隔板型*第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述36第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降降尘尘室室计计算算举举例例应应用用一般一般净净化密度和粒径化密度和粒径较较大的金属或大的金属或矿矿物性粉物性粉尘尘净净化效率不高，一般只用于多化效率不高，一般只用于多级级除除尘尘中的一中的一级级除除尘尘，捕集捕集1020m以上的粗以上的粗颗颗粒粒压压力力损损失失1001000Pa