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(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)流體相對(duì)顆粒的流動(dòng)流體繞過顆粒的流動(dòng)顆粒在流體中的流動(dòng)流體通過顆粒床層的流動(dòng)過濾重力沉降離心沉降機(jī)械分離固體顆粒與流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(dòng)運(yùn)輸流固兩相物系內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是上述各過程設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)本章重點(diǎn)：顆粒沉降速度與沉降設(shè)備計(jì)算本章難點(diǎn)：流化床的主要特性第二節(jié)顆粒的沉降運(yùn)動(dòng)●

流體對(duì)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(shí)所受合力為：合力為零時(shí)，加速度為零，顆粒與流體之間將保持一個(gè)穩(wěn)定的相對(duì)速度。FD

Fg

Fb

一.流體對(duì)固體顆粒的繞流

曳力FD：流體對(duì)顆粒的作用力顆粒與流體無相對(duì)運(yùn)動(dòng)則無曳力存在，而浮力始終存在；當(dāng)流體對(duì)固體顆粒作繞流運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒就受到流體的曳力?？傄妨εc流體的密度、粘度、流動(dòng)速度有關(guān)，同時(shí)受顆粒形狀的影響，問題較為復(fù)雜。至今，只有幾何形狀簡(jiǎn)單的少數(shù)例子獲得曳力的理論計(jì)算式，例如粘性流體對(duì)圓球的低速繞流（爬流Re<2）。曳力FD：流體對(duì)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(yùn)動(dòng)關(guān)系——牛頓第二定律場(chǎng)力F曳力FDFD

Fg

Fb

即對(duì)球形顆粒所以顆粒的凈重曳力項(xiàng)重力場(chǎng)中：沉降的加速階段與等速階段小顆粒開始時(shí)加速，隨著下降速度的不斷增加，曳力項(xiàng)逐漸增大，加速度逐漸減小。當(dāng)下降速度增至一定值時(shí)，曳力等于顆粒在流體中的凈重，此時(shí)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(rèn)為以u(píng)t下降。顆粒的凈重曳力項(xiàng)沉降階段包括兩個(gè)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(jì)算公式（重力場(chǎng)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(duì)的討論：氣體液體先冷卻后除塵先除塵后冷卻溫度對(duì)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(dòng)的方向與顆粒運(yùn)動(dòng)流體作水平運(yùn)動(dòng)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡流體向上運(yùn)動(dòng)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(cè)顆粒直徑dp；見P147例5-1⑵落球粘度計(jì)測(cè)流體粘度μ；見P147例5-24、其它因素對(duì)沉降速度的影響⑴干擾沉降：⑵端效應(yīng)：由于干擾作用，實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度。由于端效應(yīng)，實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度。⑷液滴、氣泡運(yùn)動(dòng)：大液滴由于變形使曳力增大。⑸流體分子熱運(yùn)動(dòng)：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??；顆粒的位向?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(jí)器離心沉降設(shè)備1、旋風(fēng)分離器2、轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)

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(yùn)動(dòng)

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(shí)間氣流停留時(shí)間

BqV

ut

uL

H顆粒在降塵室中的運(yùn)動(dòng)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(jì)型計(jì)算：計(jì)算公式：

A（ut）

已知任務(wù)操作型計(jì)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(shí)可以先假定處在斯托克斯區(qū)，按斯托克斯公式計(jì)算ut，再驗(yàn)Re值是否在stokes區(qū)范圍；否則用牛頓區(qū)公式求解，再驗(yàn)Re值。解題步驟及注意點(diǎn)：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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)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(jí)器

利用重力沉降對(duì)懸浮液中的顆粒按粒度粗略分級(jí)以管徑控制沉降速度，顆粒絕對(duì)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(jí)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(jī)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(xì)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(xì)長(zhǎng)，分離效率高返回返回旋風(fēng)分離評(píng)價(jià)指標(biāo)：（1）分離效率a、總效率b、粒級(jí)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(jì)成上小下大擴(kuò)散式，減小塵粒重新卷起的可能性⑶進(jìn)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(shí)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(jì)四十年代化工原理上的重大發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用非常廣泛。

大量固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)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(xiǎn)，用流化技術(shù)后得到改進(jìn)，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(yùn)動(dòng)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(gè)別顆粒上升后，速度將減小，則會(huì)回落。u：空塔速度（表觀速度），u1：流體通過顆?？障兜膶?shí)際流速，兩者關(guān)系為u=u1ε

L

Le

u

de、u1

3、流態(tài)化機(jī)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(gè)階段二、實(shí)際流化現(xiàn)象聚式流化氣-固系統(tǒng)存在空穴（氣泡）的移動(dòng)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(shí)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(diǎn)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(yán)重缺點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)比較

①顆?；旌暇鶆颉矊訙囟炔钚、劬哂辛鲃?dòng)性——便于輸送②恒定壓降——可使用小顆粒優(yōu)點(diǎn)：小顆粒大（比表面積），則阻力大。對(duì)固定床則不同，①流動(dòng)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(yán)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(diǎn)：強(qiáng)放熱反應(yīng)催化劑再生細(xì)顆粒干燥四、流化床的操作范圍因?yàn)榇矊拥姆蔷鶆蛐?，不能?jiǎn)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(diǎn)為固定床階段與流化床階段之交點(diǎn)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(dòng)，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(shí)際umf應(yīng)以實(shí)驗(yàn)測(cè)定值為準(zhǔn)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件與操作條件不同時(shí)，可用來對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。流化數(shù)（操作范圍）=流化