第五章顆粒的沉降與流態(tài)化

第五章

顆粒的沉降與流態(tài)化第一節(jié)概述第二節(jié)顆粒的沉降運動第三節(jié)沉降分離設(shè)備第四節(jié)固體流態(tài)化技術(shù)第五節(jié)氣力輸送第一節(jié)概述本章考察流固兩相物系中固體顆粒與流體之間的相對運動流體相對顆粒的流動流體繞過顆粒的流動顆粒在流體中的流動流體通過顆粒床層的流動過濾重力沉降離心沉降機械分離固體顆粒與流體間的相對運動在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用有：（1）兩相物系的沉降分離—重力沉降、離心沉降（2）流固相之間進行的物理-化學(xué)過程—固體物料的干燥、粉狀礦物的焙燒、催化反應(yīng)（3）固體顆粒的流動運輸流固兩相物系內(nèi)的相對運動規(guī)律是上述各過程設(shè)計計算的基礎(chǔ)本章重點：顆粒沉降速度與沉降設(shè)備計算本章難點：流化床的主要特性第二節(jié)顆粒的沉降運動●

流體對固體顆粒的繞流

●靜止流體中顆粒的自由沉降

●

沉降速度的討論與應(yīng)用

單顆粒（或充分分散、互不干擾的顆粒群）在流體中自由沉降時所受合力為：合力為零時，加速度為零，顆粒與流體之間將保持一個穩(wěn)定的相對速度。FD

Fg

Fb

一.流體對固體顆粒的繞流

曳力FD：流體對顆粒的作用力顆粒與流體無相對運動則無曳力存在，而浮力始終存在；當(dāng)流體對固體顆粒作繞流運動時，顆粒就受到流體的曳力?？傄妨εc流體的密度、粘度、流動速度有關(guān)，同時受顆粒形狀的影響，問題較為復(fù)雜。至今，只有幾何形狀簡單的少數(shù)例子獲得曳力的理論計算式，例如粘性流體對圓球的低速繞流（爬流Re<2）。曳力FD：流體對顆粒的作用力Ap取顆粒最大投影面積，ReP中的dp取體積當(dāng)量直徑。阿侖區(qū)（過渡區(qū)）牛頓區(qū)：與Rep無關(guān)，相當(dāng)于阻力平方區(qū)斯托克斯區(qū)（層流區(qū)）二、靜止流體中顆粒的自由沉降物理學(xué)自由落體不考慮阻力，顆粒沉降必須考慮阻力?；ぶ懈信d趣的是小顆粒，不能忽略阻力。力與運動關(guān)系——牛頓第二定律場力F曳力FDFD

Fg

Fb

即對球形顆粒所以顆粒的凈重曳力項重力場中：沉降的加速階段與等速階段小顆粒開始時加速，隨著下降速度的不斷增加，曳力項逐漸增大，加速度逐漸減小。當(dāng)下降速度增至一定值時，曳力等于顆粒在流體中的凈重，此時加速度等于零，顆粒將以速度ut勻速繼續(xù)下降。ut稱為顆粒的沉降速度或終端速度。小顆粒的加速階段很短，可以忽略，近似認為以ut下降。顆粒的凈重曳力項沉降階段包括兩個過程：加速階段與勻速階段，終端速度為勻速沉降速度ut。

t

u

ut加速段勻速段三、沉降速度的討論與應(yīng)用1、沉降速度計算公式（重力場中）即（1）顆粒直徑小，處于斯托克斯定律區(qū)將代入，（2）顆粒直徑較大，處于牛頓定律區(qū)

討論：⑴⑵對的討論：氣體液體先冷卻后除塵先除塵后冷卻溫度對粘度的影響大，小氣體基本無影響，總是小量；液體要考慮10倍的影響左右dp影響最大，平方關(guān)系2、流體流動的方向與顆粒運動流體作水平運動顆粒運動軌跡流體向上運動懸浮↑上浮↓下沉·uut3、沉降速度公式的應(yīng)用⑴用顆粒沉降速度ut測顆粒直徑dp；見P147例5-1⑵落球粘度計測流體粘度μ；見P147例5-24、其它因素對沉降速度的影響⑴干擾沉降：⑵端效應(yīng)：由于干擾作用，實際沉降速度小于自由沉降速度。由于端效應(yīng)，實際沉降速度小于自由沉降速度。⑷液滴、氣泡運動：大液滴由于變形使曳力增大。⑸流體分子熱運動：直徑很小的顆粒受此影響。⑶非球形顆粒：ξ非球形＞ξ球形，沉降速度減小。球形度越小，沉降速度越?。活w粒的位向?qū)Τ两邓俣纫灿杏绊?。第三?jié)沉降分離設(shè)備沉降分離設(shè)備重力沉降離心沉降重力沉降設(shè)備1、降沉室2、增稠器3、分級器離心沉降設(shè)備1、旋風(fēng)分離器2、轉(zhuǎn)鼓式離心機

沉降分離的基礎(chǔ)是懸浮物系中的顆粒在外力作用下的沉降運動

1、降塵室：1

籍重力沉降以除去氣流中的塵粒的設(shè)備

一、重力沉降設(shè)備顆粒沉降時間氣流停留時間

BqV

ut

uL

H顆粒在降塵室中的運動結(jié)論：降塵室的處理能力只取決于其底面積而與高度無關(guān)（可采用扁平形狀，多層隔板；廢水處理用斜板、斜管）設(shè)計型計算：計算公式：

A（ut）

已知任務(wù)操作型計算：已知設(shè)備條件A及操作條件求操作結(jié)果或已知設(shè)備條件A及操作結(jié)果核算處理能力解題時可以先假定處在斯托克斯區(qū)，按斯托克斯公式計算ut，再驗Re值是否在stokes區(qū)范圍；否則用牛頓區(qū)公式求解，再驗Re值。解題步驟及注意點：例：擬采用降塵室除去常壓爐氣中的球形塵粒。降塵室的寬和長分別為2m和6m，氣體處理量為1標(biāo)m3/s（標(biāo)態(tài)：273K，1atm），爐氣溫度為427℃，相應(yīng)的密度ρ=0.5kg/m3，粘度μ=3.4×10-5Pa.s，固體密度ρS=400kg/m3，操作條件下，規(guī)定氣體速度不大于0.5m/s，試求：1．降塵室的總高度H，m；2．理論上能完全分離下來的最小顆粒尺寸；3．粒徑為40μm的顆粒的去除百分率；4．欲使粒徑為10μm的顆粒完全分離下來，需在降塵室內(nèi)設(shè)置幾層水平隔板？解：1）降塵室的總高度H2）理論上能完全除去的最小顆粒尺寸

用試差法由ut求dp,min。假設(shè)沉降在斯托克斯區(qū)

BqV

ut

uL

H顆粒在降塵室中的運動核算沉降流型

∴原假設(shè)正確

3）粒徑為40μm的顆粒的回收百分率假設(shè)粒徑為40μm的顆粒在斯托克斯區(qū)，其沉降速度氣體通過降塵室的時間為：

直徑為40μm的顆粒在12s內(nèi)的沉降高度為：

結(jié)論：顆粒被去除的百分率等于顆粒的沉降高度H’與降塵室高度H之比，也等于顆粒直徑dp與100%完全去除最小顆粒直徑dpmin之比的平方。直徑為40μm的顆粒被回收的百分率為：

4）水平隔板層數(shù)增加水平隔板實質(zhì)：降低沉降高度，增大底面積A→(n+1)A粒徑為10μm的顆粒的沉降必在斯托克斯區(qū)，

取33層

板間距為

2、增稠器

工業(yè)上用于對大量懸浮液的分離環(huán)保方面的污水處理：清液產(chǎn)率取決于增稠器的直徑，qv=Aut顆粒在流體中的自由沉降雙重功能：澄清液體增稠懸浮液3、分級器

利用重力沉降對懸浮液中的顆粒按粒度粗略分級以管徑控制沉降速度，顆粒絕對速度up=u-ut通過控制流體密度和流量可將懸浮液中顆粒按指定的粒度范圍加以分級1、旋風(fēng)分離器

離心沉降設(shè)備氣固非均相物系——旋風(fēng)分離器1，2，3離心力切向速度液固非均相物系——沉降式離心機離心分離系數(shù)：(離心力與重力之比)反映離心分離設(shè)備性能重要指標(biāo)二、離心沉降設(shè)備雙螺旋旋風(fēng)分離1.外螺旋起主要除塵作用，以離心力將顆粒拋向器壁。2.內(nèi)螺旋具有較大旋轉(zhuǎn)角速度，可將細小顆粒拋向器壁，同樣是分離的積極部分。D大，粗短，處理能力大D小，細長，分離效率高返回返回旋風(fēng)分離評價指標(biāo)：（1）分離效率a、總效率b、粒級效率（2）壓降

CLG型：ξ=5.0-5.5分割直徑：指經(jīng)過旋風(fēng)分離器后能被除下50%的顆粒直徑。高效旋風(fēng)分離器的分割直徑可小至3～10μm提高分離效率方法：⑴錐底集塵斗密封良好，否則空氣竄入影響分離效率⑵下部設(shè)計成上小下大擴散式，減小塵粒重新卷起的可能性⑶進氣管略低于器頂一小段距離，并切向開狹槽防止粉塵環(huán)作業(yè)P168：4、5第四節(jié)固體流態(tài)化技術(shù)●

流化床的基本概念●

實際的流化現(xiàn)象●流化床的主要特性●流化床的操作范圍●流化質(zhì)量流態(tài)化技術(shù)是20世紀四十年代化工原理上的重大發(fā)現(xiàn)，運用非常廣泛。

大量固體顆粒懸浮于運動的流體之中，顆粒具有類似于流體的表觀特性，這種流固接觸狀態(tài)稱為固體流態(tài)化。

二次大戰(zhàn)后，石油催化裂化的催化劑再生，原來是通空氣使表面炭層燒除，易發(fā)生危險，用流化技術(shù)后得到改進，石油加工得到發(fā)展。一、流化床的基本概念1、流態(tài)化的理論根據(jù)—單顆粒運動懸浮↑上浮↓下沉·uut2、流化床存在的基礎(chǔ)—大量顆粒群居顆粒能在相當(dāng)寬范圍內(nèi)懸而不走，離開群體的個別顆粒上升后，速度將減小，則會回落。u：空塔速度（表觀速度），u1：流體通過顆?？障兜膶嶋H流速，兩者關(guān)系為u=u1ε

L

Le

u

de、u1

3、流態(tài)化機理通過調(diào)節(jié)氣速，改變床層的空隙率，使床層處于流態(tài)化。

固定床階段→流化床階段→顆粒輸送階段流化床過程的幾個階段二、實際流化現(xiàn)象聚式流化氣-固系統(tǒng)存在空穴（氣泡）的移動和合并空穴破裂→界面起伏

界面以下濃相區(qū)界面以上稀相區(qū)均勻顆粒理想流化，實際流化床顆粒不均勻。散式流化液-固系統(tǒng)固體顆粒均勻分布、上界面清晰三、流化床的主要特性1、液體樣特性2、固體顆粒的均勻混合流化床的主要優(yōu)點流化床的一般特性3、氣流的不均勻分布和氣-固的不均勻接觸（1）騰涌或節(jié)涌（2）溝流（a、b）流化床的嚴重缺點流化床床層壓降=（重量-浮力）/單位床截面積流化階段，壓降與氣速無關(guān)，始終保持定值4、恒定的壓降流化床的重要優(yōu)點固定床

流化床

帶出開始

C

B

A

￠

起始流化速度

D（帶出速度）表觀速度

logΔPlogu流體通過顆粒床層的壓降推導(dǎo)：流化床的優(yōu)缺點比較

①顆?；旌暇鶆颉矊訙囟炔钚、劬哂辛鲃有浴阌谳斔廷诤愣▔航怠墒褂眯☆w粒優(yōu)點：小顆粒大（比表面積），則阻力大。對固定床則不同，①流動不均勻（空穴的存在引起），催化劑利用率、反應(yīng)器利用率均較低。②催化劑破碎嚴重（相互碰撞引起），損失大。（一般需配套良好的旋風(fēng)分離器）主要用途：缺點：強放熱反應(yīng)催化劑再生細顆粒干燥四、流化床的操作范圍因為床層的非均勻性，不能簡單以顆粒直徑求起始流化速度umf原因在于：1、起始流化速度umf二者壓降相等起始流化點為固定床階段與流化床階段之交點Umf為流化床操作范圍下限固定床

流化床

帶出開始

C

B

A

￠

起始流化速度

D（帶出速度）表觀速度

logΔPlogu常見顆粒的起始流化速度umf

：（非均勻顆粒）公式提供了影響umf的變量，如顆粒直徑相差6倍以上，當(dāng)大顆粒起動，而小顆粒已被帶走；但公式不適用于粒徑變化很大的顆粒床層。umf偏差較大（±34%），實際umf應(yīng)以實驗測定值為準(zhǔn)；當(dāng)實驗條件與操作條件不同時，可用來對實驗結(jié)果進行修正。流化數(shù)（操作范圍）=流化