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1、颗粒的沉降第一页，本课件共有47页颗 粒 的 沉 降第二页，本课件共有47页概概 述述 化化工工生生产产中中有有时时涉涉及及由由固固体体颗颗粒粒和和流流体体组组成成的的两两相相流流动动物物系系，流体为连续相，固体为分散相悬浮于流体中。流体为连续相，固体为分散相悬浮于流体中。许许多多化化工工生生产产过过程程与与此此种种相相对对运运动动相相联联系系，例例如如：两两相相物物系系的的沉沉降降分分离离，其其中中依依靠靠重重力力的的称称为为重重力力沉沉降降，依依靠靠离离心心力的则称为离心沉降；力的则称为离心沉降；流流固固两两相相之之间间进进行行某某种种物物理理和和化化学学过过程程，如如固固体体物物料料的的
2、干燥、粉状矿物的焙烧及固体催化剂作用下的化学反应过程等；干燥、粉状矿物的焙烧及固体催化剂作用下的化学反应过程等；固体颗粒的流体输送。固体颗粒的流体输送。流流固固两两相相物物系系内内的的相相对对运运动动规规律律是是上上述述各各过过程程设设计计计计算的基础。算的基础。第三页，本课件共有47页颗粒的沉降运动颗粒的沉降运动1、流体对固体颗粒的绕流、流体对固体颗粒的绕流两种曳力两种曳力表面曳力和形体曳力表面曳力和形体曳力设设所所取取微微元元面面积积为为dAdA与与流流动动方方向向成成夹夹角角，则则剪剪应应力力在在流流动动方方向向上上的的分分力力为为w wdAsindAsin。将将此此分分力力沿沿整整个个
3、颗颗粒粒表表面面积积分分而而得得该该颗颗粒粒所所受受剪剪力力在在流流动动方方向向上上的的总总和和，成成为表面曳力。为表面曳力。同同样样，压压力力pdApdA在在流流动动方方向向上上的的分分力力为为pdAcos,pdAcos,将将此此力力沿沿整整个颗粒表面积分可得个颗粒表面积分可得 ：第四页，本课件共有47页P 由由此此可可见见，流流体体对对固固体体颗颗粒粒作作绕绕流流运运动动时时，在在流流动动方方向向上上对对颗粒施加一个总曳力，其值等于表面曳力和形体曳力之和。颗粒施加一个总曳力，其值等于表面曳力和形体曳力之和。总总曳曳力力与与流流体体的的密密度度、粘粘度度、流流动动速速度度u有有关关，而而且且
4、受受颗颗粒粒的的形形状状与与定定向向的的影影响响。例例如如，粘粘性性流流体体对对圆圆球球的的低低速速绕绕流流（也也称称爬爬流流）总曳力的理论式为总曳力的理论式为:(5-1)式中式中:FD总曳力；总曳力；dP小球直径。小球直径。此式称为斯托克斯（此式称为斯托克斯（Strokes）定律。）定律。第五页，本课件共有47页曳力系数曳力系数 对光滑圆球，影响曳力的诸因素为对光滑圆球，影响曳力的诸因素为（5-2）应用因次分析可以得出应用因次分析可以得出若令若令(5-3)(5-4)第六页，本课件共有47页则有则有(5-5)式中式中 Ap颗粒在运动方向上的投影面积；颗粒在运动方向上的投影面积；无因次曳力系数。
5、无因次曳力系数。式式(5-5)可作为曳力系数的定义式。可作为曳力系数的定义式。第七页，本课件共有47页二、二、球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降 任任一一颗颗粒粒的的沉沉降降不不因因流流体体中中存存在在其其他他颗颗粒粒而而受受到到干干扰扰。自自由由沉沉降降发发生生在在流流体体中中颗颗粒粒湍湍流流的的情情况况下下，一一般般认认为为混混合合物物中中颗颗粒粒的的体体积积百百分分数数不不超超过过0.20.2时时的的沉沉降降可可看看成成是自由沉降。是自由沉降。自由沉降自由沉降第八页，本课件共有47页重力重力 浮力浮力曳曳 力力重重力力场场中中颗粒在沉降过程中受力颗粒在沉降过程中受力二、二、球形颗粒的自
6、由沉降球形颗粒的自由沉降第九页，本课件共有47页离心力离心力场中场中浮力浮力曳力曳力离心力离心力 r运运动动方方向向FdFbFc r 颗粒作圆周运动的旋转半径颗粒作圆周运动的旋转半径 颗粒的旋转角速度颗粒的旋转角速度m 颗粒的质量，球形颗粒颗粒的质量，球形颗粒p 颗粒密度颗粒密度第十页，本课件共有47页根据牛顿第二运动定律 二、球形颗粒的自由沉降分析颗粒运动情况：加速度最大阻力加速度加速度=0加速度=0加速段匀速段终终端端速速度度即即等等速速阶阶段段速速度度 沉沉降降速度速度u ut t第十一页，本课件共有47页球形颗粒球形颗粒 即即通式通式二、球形颗粒的自由沉降第十二页，本课件共有47页三、
7、三、阻力系数（曳力系数）阻力系数（曳力系数）通通过过量量纲纲分分析析可可知知，是是颗颗粒粒与与流流体体相相对对运运动动时时雷雷诺诺数数ReRet t和球形度和球形度s s的函数的函数 随随ReRet t及及 s s 变化的实验测定结果见图变化的实验测定结果见图3-23-2。第十三页，本课件共有47页 关系曲线关系曲线 第十四页，本课件共有47页对球形颗粒对球形颗粒 关系曲线大致可分为三个区域关系曲线大致可分为三个区域 爬流（又称蠕动流爬流（又称蠕动流Creeping flowCreeping flow）滞流区或斯托克斯滞流区或斯托克斯(Stokes)(Stokes)定律区定律区 三、三、阻力系
8、数（曳力系数）阻力系数（曳力系数）第十五页，本课件共有47页过渡区或艾仑（过渡区或艾仑（AllenAllen）定律区）定律区 三、三、阻力系数（曳力系数）阻力系数（曳力系数）第十六页，本课件共有47页湍流区或牛顿（湍流区或牛顿（NewtonNewton）定律区）定律区 三、三、阻力系数（曳力系数）阻力系数（曳力系数）第十七页，本课件共有47页 当流体以一定的速度向上流动时，则固体颗粒在流当流体以一定的速度向上流动时，则固体颗粒在流体中的绝对速度体中的绝对速度up必等于流体速度与颗粒沉降速度之差，必等于流体速度与颗粒沉降速度之差，即：即：(5-21)若若uut，则颗粒向上运动；若，则颗粒向上运动
9、；若uut，则颗粒向下运，则颗粒向下运动；当动；当u=ut时，颗粒静止地悬浮于流体中。时，颗粒静止地悬浮于流体中。第十八页，本课件共有47页沉降速度沉降速度u u u ut t t t计算方法计算方法计算计算u ut t时需先知道所在沉降区域时需先知道所在沉降区域选择相应式计算。选择相应式计算。试差法试差法试差法试差法设在层流区设在层流区计算计算u ut tReRe判断判断yesyes结束结束nono设在过渡区设在过渡区 通常微小颗粒的沉降一般属层流区通常微小颗粒的沉降一般属层流区(Stokes(Stokes区区)第十九页，本课件共有47页滞流区滞流区湍流区湍流区过渡区过渡区表面摩擦阻力表面摩
10、擦阻力形体阻力形体阻力三、三、阻力系数（曳力系数）阻力系数（曳力系数）第二十页，本课件共有47页沉降速度的影响因素沉降速度的影响因素 （1）干扰沉降 发生于颗粒之间距离很小的情况下。多发生于非均相物系的沉降过程（物系内部有两个以上相）。当颗粒浓度，浮力 ut（2）端效应（器壁效应）容器壁对颗粒沉降有阻止作用，使实际沉降速度 ut100dp,可忽略影响。第二十一页，本课件共有47页（3）分子运动 当颗粒直径小到可与流体分子的平均自由程相比拟时，颗粒可穿过快速运动的流体分子之间，沉降速度可大于按斯托克斯定律的计算值。对于dp0.5m的颗粒，沉降将受到流体分子热运动的影响。在这种情况下，流体已不能当
11、作连续介质，上述关于颗粒所受曳力的讨论的前提已不再成立。沉降速度的影响因素沉降速度的影响因素沉降速度的影响因素沉降速度的影响因素 第二十二页，本课件共有47页（4）球形度 球形或近球形比圆球形沉降快。球形度：（5）液滴或汽泡的运动 液滴或气泡在曳力和压力作用下产生变形，使Fd 内部流体环流 Fd s 球形表面积 sp 颗粒（非球形）表面积 沉降速度的影响因素沉降速度的影响因素 第二十三页，本课件共有47页二、沉降分离设备二、沉降分离设备二、沉降分离设备二、沉降分离设备 沉降条件沉降条件非均相混合物流非均相混合物流沿一定途经从设沿一定途经从设备入口流向出口备入口流向出口相对运动颗相对运动颗粒向底
12、面粒向底面(或或沉积面沉积面)沉降沉降在达出口前在达出口前颗粒能达到颗粒能达到底面或沉积底面或沉积面则被分离面则被分离条件条件停停沉沉特征特征停停设备尺寸设备尺寸根据力场的不同，分离设备可分为根据力场的不同，分离设备可分为重力沉降设备重力沉降设备 离心沉降设备。离心沉降设备。u ut t沉沉为使颗粒沉降为使颗粒沉降第二十四页，本课件共有47页二、二、重力沉降设备重力沉降设备 重力沉降：受重力作用而发生沉降的过程。适用于重力沉降：受重力作用而发生沉降的过程。适用于分离较大颗粒。分离较大颗粒。1 1 1 1 降尘室降尘室降尘室降尘室(气固沉降设备气固沉降设备气固沉降设备气固沉降设备)第二十五页，本
13、课件共有47页降尘室降尘室(气固沉降设备气固沉降设备)简化模型：简化模型：长：宽：高长：宽：高 L L：b b：H H;流量为流量为q qV V m m3 3/s/s的气体的气体 入口端气体中颗粒均匀分布在截面上。入口端气体中颗粒均匀分布在截面上。L HBuutu降尘室底面积降尘室底面积 入沉降室，均匀分布在截面上，以入沉降室，均匀分布在截面上，以u u平行流向出口平行流向出口;演示演示第二十六页，本课件共有47页L HBuutu颗粒在室内颗粒在室内随气流运动随气流运动沉降运动沉降运动满足沉降的条件：满足沉降的条件：t 气体通过时间：气体通过时间：（停留时间）（停留时间）沉降沉降时间：时间：则
14、则降尘室的最大生产能力：降尘室的最大生产能力：第二十七页，本课件共有47页讨讨 论论 由由 ，降尘室生产能力只与降尘室底面积及沉降降尘室生产能力只与降尘室底面积及沉降速度有关，而速度有关，而与高度无关与高度无关，因此降尘室一般设计成扁平形；，因此降尘室一般设计成扁平形；在降尘室内设置隔板可增大底面积，提高生产能力，在降尘室内设置隔板可增大底面积，提高生产能力，若加若加1 1层隔板，则生产能力增加层隔板，则生产能力增加 1 1倍；倍；若加若加n n层隔板，则层隔板，则生产能力增加生产能力增加n n倍，倍，第二十八页，本课件共有47页 沉降速度应按完全分离下来的最小颗粒直径计算；沉降速度应按完全分
15、离下来的最小颗粒直径计算；分离颗粒的粒径分离颗粒的粒径 时，理论上可以时，理论上可以100100沉降除去沉降除去 。分离颗粒的粒径分离颗粒的粒径 时的沉降百分率为：时的沉降百分率为：降尘室分离效率低，适于分离直径大于降尘室分离效率低，适于分离直径大于50m50m的的粗颗粒，一般用于预除尘。粗颗粒，一般用于预除尘。第二十九页，本课件共有47页 由下式可以确定：由下式可以确定：已知已知q qv v、d dminmin确定室尺寸确定室尺寸LBLB已知已知q qv v、LbLb确定能确定能100%100%除去除去 的最小颗粒的最小颗粒d dminmin已知已知LbLb，当，当100%100%除去的最小
16、粒径定后除去的最小粒径定后确定室的最大处理能力确定室的最大处理能力q qv vmaxmax一定处理量一定处理量q qv vd dminmin一定一定d dminminq qv vmaxmax多层扁平沉降室多层扁平沉降室(一般一般u u0.3m/s50m)50m)所谓最大生产能力指：所谓最大生产能力指：第三十页，本课件共有47页增稠器增稠器连续式沉降器连续式沉降器澄清液体澄清液体增稠悬浮液增稠悬浮液一般用于大流量、低一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理。浓度悬浮液的处理。双锥分级器双锥分级器第三十一页，本课件共有47页重力沉降分级器重力沉降分级器第三十二页，本课件共有47页 离心沉降设备离心沉降设
17、备 对对两两相相密密度度差差较较小小、颗颗粒粒粒粒度度较较细细的的非非均均相相物物系系，可可利利用用颗颗粒粒作作圆圆周周运运动动时时的的离离心心力力以以加加快快沉沉降降过过程程。由由式式（5-9）（5-10）可知，同一颗粒所受离心力与重力之比为：）可知，同一颗粒所受离心力与重力之比为：（5-26）比值比值Kc称为离心分离因数，其数值的大小是反映离心称为离心分离因数，其数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。分离设备性能的重要指标。第三十三页，本课件共有47页v1.旋风分离器旋风分离器 结结 构构 如如右右图图所所示示 ，主主体体的的上上部部为为圆圆筒筒形形，下下部部为为圆圆锥锥形形，中中央
18、央有有一一升气管。升气管。离心沉降设备离心沉降设备 第三十四页，本课件共有47页 工作原理工作原理 含尘气体从侧面的矩形进气管切向进入器内，然后含尘气体从侧面的矩形进气管切向进入器内，然后在圆筒内作自上而下的圆周运动。颗粒在随气流旋转过在圆筒内作自上而下的圆周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落下，自锥底排出。由于操作程中被抛向器壁，沿器壁落下，自锥底排出。由于操作时旋风分离器底部处于密封状态，所以，被净化的气体时旋风分离器底部处于密封状态，所以，被净化的气体到达底部后折向上，沿中心轴旋转着从顶部的中央排气到达底部后折向上，沿中心轴旋转着从顶部的中央排气管排出。管排出。离心沉降设备
19、离心沉降设备 第三十五页，本课件共有47页v旋风分离器的分离性能旋风分离器的分离性能 旋风分离器的分离性能可以用临界直径和分离效率来表示。旋风分离器的分离性能可以用临界直径和分离效率来表示。（1 1）临界直径）临界直径 指能够从分离器内全部分离出来的最指能够从分离器内全部分离出来的最小颗粒的直径，用小颗粒的直径，用d dc c表示。表示。离心沉降设备离心沉降设备 第三十六页，本课件共有47页 离心沉降设备离心沉降设备 三个三个假定假定I I.颗粒及气体的切线速度恒定，颗粒及气体的切线速度恒定，且等于进口气速；且等于进口气速；II.II.颗粒沉降过程中所穿过的气颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大厚
20、度等于进气口宽流的最大厚度等于进气口宽度度B B；III.III.颗粒沉降服从斯托克斯颗粒沉降服从斯托克斯公式。公式。第三十七页，本课件共有47页v若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为若气体进入排气管之前在筒内旋转圈数为N N，则运行的距离，则运行的距离为为2 2 r rm mN N，故气体在器内的停留时间为：，故气体在器内的停留时间为：令令 r r=0 0，解得：，解得：离心沉降设备离心沉降设备 第三十八页，本课件共有47页 离心沉降设备离心沉降设备 式中气体旋转圈数式中气体旋转圈数N N与进口气速有关，对常用形式与进口气速有关，对常用形式的旋风分离器，风速的旋风分离器，风速1212 25m
21、/s25m/s范围内，一般可取范围内，一般可取N N =3=3 4.54.5，风速愈大，风速愈大，N N也愈大。也愈大。通常将经过旋风分离器后能被除下通常将经过旋风分离器后能被除下50的颗粒直径的颗粒直径称为分割直径称为分割直径dpe，某些高效旋风分离器的分割直径可，某些高效旋风分离器的分割直径可小至小至310m。第三十九页，本课件共有47页 离心沉降设备离心沉降设备 v（2 2）分离效率）分离效率 指由分离器分离出来的颗粒量与入口气体中总粒子量指由分离器分离出来的颗粒量与入口气体中总粒子量之比。不能准确地代表旋风分离器的分离性能。之比。不能准确地代表旋风分离器的分离性能。(5-27)总效率第
22、四十页，本课件共有47页粒级效率是指每一种颗粒被分离的质量百分率，可以准确表示旋风分离器的分离性能。离心沉降设备离心沉降设备 粒级效率第四十一页，本课件共有47页 总效率与粒级效率的关系为：总效率与粒级效率的关系为：（5-29）式中式中xi为进口气体中粒径为为进口气体中粒径为dpi颗粒的质量分率。颗粒的质量分率。离心沉降设备离心沉降设备 粒级效率恰为粒级效率恰为50%50%的颗粒直径，称为分割粒径。的颗粒直径，称为分割粒径。分割粒径 第四十二页，本课件共有47页图3-11 标准旋风分离器的 曲线 离心沉降设备离心沉降设备 第四十三页，本课件共有47页 离心沉降设备离心沉降设备 旋风分离器的压降
23、旋风分离器的压降性能好坏的重要指标性能好坏的重要指标压降损失压降损失1 1、气流进入旋风分离器时，由于突然扩、气流进入旋风分离器时，由于突然扩大引起的损失大引起的损失 ；2 2、与器壁摩擦的损失；、与器壁摩擦的损失；4 4、在排气管中的摩擦和旋转、在排气管中的摩擦和旋转运动的损失；运动的损失；3 3、气流旋转导致的动能损失；、气流旋转导致的动能损失；c c与设备的型与设备的型式和几何尺寸式和几何尺寸有关有关旋风分离器的压降损失一般在旋风分离器的压降损失一般在500500 2000Pa2000Pa左右。左右。第四十四页，本课件共有47页 操作温度，颗粒密度、粒径、进口气速度及粉尘浓度等情况。影响旋风分离器性能的因素 离心沉降设备离心沉降设备 第四十五页，本课件共有47页 离心沉降设备离心沉降设备 第四十六页，本课件共有47页旋风分离器组 离心沉降设备离心沉降设备 第四十七页，本课件共有47页