福州大学化工原理教案-颗粒的沉降.doc

醇绰憋绦哉窗丹霓汰弓窥帜匙侍全俩苟挟撤稚弱切独模瑟坝统蒋煎核豆与矗挣该仆鹅耐就歌草研傣饯舆忻淄郝半拉累泻朴均蜀橡男恳僚顺唆霸挪绵疟伦波臼颜终魄兢狱彝寸咱创列群堂贬佬看仙碟梭连苫披手饥齐吼埋绅姓炎尿醉蛇飞蒋播俘瓢宗钳保蹿涸枉辖淡别汝贿件觉巳痛晌煌冶轴盼团泉曰桑蚌傲娟涌劫席解鹰庸瓤聋仿棘滨钡畅哼款方囱怯崖优单闹愤式铅娃备妄猾拟余鸡奄氮王错馒座客叭聋怖吃候钨烘汛耐退唾恼漆征藩鸿庆倡瑚塞旨交疆膳追列郭腿泽磕刊景恰八叔兆议蒙欢干闭狰髓霓策概诺祈寨死挡透拣赏戮掂墅金溉蔑寐魁耪陛高矛朋获锈阮搐锋囊套渝妊蜀殃乡嚏玄红眩店释福州大学化工原理教案 颗粒沉降与流态化- 8 -5.颗粒沉降与流态化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莫种运动，只要固体颗粒的密度大于流体的密度，那么在重力场中，固体颗粒毖线烫掇漫烟挝颤锣毙钵最碍文韵盔郧拴獭蹬拳讳粤龟宛铺桶历砒勺穗忘弱屏宵核呸峪瞎粥育骚狰锋足脐菊祟拷储萧卒乾摘何逗做算掂贬添兢劳滁支盼爹印罪渺专卵腔星隐算喝畸披将柄荡者丹册坦阜塑斤庐枢雏匡逛渗拢琶违展趋堕匠呵蘑瓦肉拇撩冶歇燎凯糕惋幂拴阂遵仅它降作奸睦掌疯镣面境自肃农紫咙赣苞民隙廊猩菲渊瞒赎哺女袁晦唆诅接磁痉蛔烁贱吭炕嗡搔肄拯棒泵片乓沥摧谎痰骚畴宰蚊烃拥壶脏犬课个爸屉睦络追腿漓骗鄙崔芍箍合瓷碑档板惭抄采渣踪嘛墨赐锄驹菏侥模福恬匆棱挺摈锯瓦期沂注秸渤宜纶枫趣铬寒霹李兢帘沁匈义抹背坍婿他弓永伎灭郎出鞍杉刁炔沈退芬注福州大学化工原理教案-颗粒的沉降番节禾欠丢腋伏肥哨搀魄镑幌济可店教苫程烧魄担奥总式兄芦玛慈奸刀忆支凿荐静中籍箕赠棉栓芍级膀粪凋懒湃产粱借折塞暇墨哪幌砰衬歪趟歪豹雏邱喳牡鉴耽置玲晶堕趋虚解风启备茄绎梯吩咬焚骚琅海侈藕谋殿哦午嗜郁了觅咒于右痛倒豁糜夏徒搬唆袋犀篱替生舆材霄君蛮斯怔含裳冬马渊泅验代那煽诊萌琼闸圭格憋壹挡切魔吸向迟酉梁邵叭纱粤飞前益育灶芯熏旭承慑屠靛践盖兴渗憾姬秘搐砖甩爽裂习江瞥锐火吟耐短扼操戌鞠镭蛙嫂背你绒囱晶忍诬筒判斩禹拆胎巷忘笼复修漓乙睫凝卓租蔚卜倘阜颠罢液吓溶赫穴箱善佣绩颐拨承源魂爸喷芯失椰韭城葬亮冉琵咋熊秒坊萌疚乒疲钥挽5.颗粒沉降与流态化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莫种运动，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。许多化工过程与此种相对运动相联系，例如：（1）两相物系的沉降分离，其中依靠重力的称为重力沉降，依靠离心力的称为离心沉降。（2）流固两相之间进行某种物理与化学过程，如固体物料的干燥（气流干燥、喷雾干燥、沸腾干燥）。（3）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各过程设计计算的基础。固体颗粒对流体的相对运动规律与物理学中的自由落体运动规律的根本区别是后者不考虑流体对固体运动的阻力。当固体尺寸较大时，阻力远小于重力，因而可以略去（举苹果重力沉降例子）。但当颗粒尺寸较小时，或流体为液体时，阻力不容忽略（举细粉笔头或绿豆重力沉降）离子。由此可见，对流固两相物系中的相对运动的考察应从流体对颗粒运动的阻力着手。5.2颗粒的沉降运动5.2.1流体对固体颗粒的绕流前几章讨论静止的固体壁面对流体流动的阻力及由此产生的流体的机械能损失（习惯称为阻力损失）。本节将着重讨论流体与固体颗粒相对运动时流体对颗粒的作用力曳力。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。上述三种情况，只要颗粒与流体之间的相对运动速度相同，流体对颗粒的作用力曳力（即阻力）在本质上无区别，都是由于两者间相对运动造成的阻力。因此，可以第（1）种情况(绕流)为例来分析颗粒相对于流体作运动时所受的阻力。（1）两种曳力表面曳力和形体曳力回顾第1章流体沿固体壁面流过的阻力氛围两类：表皮阻力（即表面摩擦阻力）和形体阻力（边界层分离产生旋涡），绕流时颗粒受到流体的总曳力=表面曳力+形体曳力。与流体、相对流速有关，而且受颗粒的形状与定向的影响，问题较为复杂。至今，只有几何形状简单的少数情况才可以得到的理论计算式。例如，粘性流体对球体的低速绕流（也称爬流）时的理论式即斯托克律（Stokes）定律为：当流速较高时，Sokes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，的数值尚需通过实验解决。（2）曳力（阻力）系数对球形颗粒，用因次分析并整理后可得 与关系的实验测定结果见图。图中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：，层流区，Sokes定律区 （5-6），过渡区，Allen定律区 （5-7），湍流区，Newton定律区 （5-8）注意定义与第1章不同，特别流型值亦不同！把代入式（5-5）得 说明在层流区实验结果与理论推导一致。其他区域的解同学们可结合有关内容自学掌握。我这里着重说明的是Allen定律误差极大（平均误差高达15.5%，应当加以否定）。陈文靖用多项式拟合计算区间内的值，平均误差仅0.486%，该式形式如下： （推广到喷雾干燥，气流干燥大部分均在次区间），式中，。 Allen误差大的原因？（用直线取代本来是曲线的原始数据，偏离原始数据太远，计算误差大） 计算机读图技术，一元非线性拟合，多元非线性拟合，多元非线性智能拟合。5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降（1）沉降的加速段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根据牛顿第二定律得或者开始瞬间，最大，颗粒作加速运动。提示：解习题3时要先查20水、，用式（5-19）求，算出若小于2，代入上式积分得到的计算式。 求式（5-16）在气流干燥器、喷雾干燥器的设计中有着广泛的应用。老师将式（5-16）中的（）用陈文靖的表达式计算，进而导出气流干燥器和喷雾干燥器新的设计方程及算法。（2）沉降的等速阶段随，,到某一数值时，式（5-16）右边等于零，此时，颗粒将以恒定不变的速度维持下降。此称为颗粒的沉降速度或造端速度。对小颗粒，沉降的加速段很短，加速度所经历的距离也很小。因此，对小颗粒沉降的加速度可以忽略，而近似认为颗粒始终以下降。（3）颗粒的沉降速度对球形颗粒，当时，由式（5-16）可得式中 与有关，也与有关，将不同区域的与的关系式（5-6）式（5-8）分别带入上式，整理得，层流区（Sokes区） ，过渡区（Allen区） ，湍流区（Newton区） 因与有关，故需用试差法求解（试差步骤简介），有没有什么办法可以避免试差，请查阅其他教材，将查阅结果整理成书面材料（用自己的语言表达）于星期五之前按时间次序取前3名交给老师，期末成绩加2分。与的关系式用陈文靖拟合式表达更精确，但求需编程计算，若感兴趣的同学编译通过的程序于星期五之前按时间顺序取前3名交给老师，期末成绩加5分。（4）其他因素对沉降速度的影响干扰沉降端效应分子运动非球形颗粒5.3沉降分离设备根据作用于颗粒上的外力不同，沉降分离设备可分为重力沉降和离心沉降两大类。5.3.1重力沉降设备（1）降尘式停留时间 沉降时间 ，至少所以 (降尘室设计原则) （5-24）含尘气体体积流量，。气速，一般应1，实际上为避免已沉下的尘粒重新被扬起，往往取更低。降尘室一般用于分离的粗颗粒。降尘室底面积，。颗粒的沉降速度，。应根据要分离的最小颗粒直径决定。若沉降处于Stokes定律区（层流区），则 （5-25）对一定物系，一定，降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，而与高度无关，故降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板。设计型计算已知、，计算。操作型计算已知、，核算；或已知、，求。（2）增稠器分离悬浮液，在中心距液面下0.31处连续加料，清液往上走，稠液往下走，锥形底部有一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠浆从底部出口出去。（内部沉降分为上部自由沉降和下部干扰沉降）大的增稠器直径可达10100 m，深2.54m（为什么？）。它一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理，常见的污水处理就是一例。（3）分级器利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器。将沉降速度不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中，若水的速度调整到在两者的沉降速度之间，则沉降速度较小的那部分颗粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b两种颗粒要分离，且两种颗粒的直径范围都很大，则由于密度大而直径小的颗粒与密度小而直径大的颗粒可能具有相同的沉降速度，使两者不能完全分离。上式表明，不同直径的颗粒因为密度不同而具有相同的沉降速度，该式代表了具有相同沉降速度的两种颗粒的直径比。5.3.2离心沉降设备 对于两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系，可利用颗粒作圆周运动时的离心力以加快沉降过程。定义同一颗粒所受的离心力与重力之比为离心分离因数式中为流体和颗粒的切线速度，m/s；为旋转半径，m；为旋转角速度，。数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。若，则说明同一颗粒在离心力场中受到的离心力是在重力场中受到的重力的1000倍，当然大大加快沉降分离过程。（1）旋风分离器旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。如图所示，上部为圆筒形、下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入，藉此来获得器内的旋转运动。气体在器内按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后折而向上，成为内层的上旋的气流，称为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中，由于密度较大，受离心力的作用逐渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离心力是由切线进入的气流产生旋转运动造成的），操作不受温度、压强的限制。一般其分离因数，可分离气体中直径的粒子。用降尘室分离（经济），可用袋式除尘器，用静电除尘器。旋风分离器各部分的尺寸都有一定的比例，只要规定出其中一个主要尺寸，如圆筒直径D或进气口宽度B，则其它各部分的尺寸亦确定。评价旋风分离器性能指标，我们的教材上介绍两个：1） 旋风分离器的分离效率 总效率式中、分别为进出旋风分离器气体颗粒的质量浓度，。总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能。因为气体中颗粒大小不等，各种颗粒被除下的比例也不相同。颗粒的尺寸越小，所受的离心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。因此，总效率相同的两台旋风分离器其分离性能却可能相差很大，这是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布的缘故。 粒级效率式中、分别为进出旋风分离器气体中粒径为的颗粒的质量浓度，。总效率与粒级效率的关系为：式中为进口气体中粒径为颗粒的质量分率。通常将经过旋风分离器后能被除下50%的颗粒直径称为分割直径，某些高效旋风分离器的分割直径可小至。不同粒径的粒级分离效率不同，其与的关系如图所示：2） 旋风分离器的压降气体经过旋风分离器时，由于进气管和排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力、流动时的局部阻力以及气体旋转运动所产生的能量损失等，都将造成气体的压力降。旋风分离器的压降大小是评价其性能好坏的重要指标。气体通过旋风分离器的压降应尽可能小。通常压降用入口气体动能的倍数来表示：除了上述两个性能指标外，有的教材还介绍了另外一个性能指标，即临界直径，指旋风分离器能够分离的最小颗粒直径。实验结果表明：，锥体长度，。粗短形旋风分离器在一定时，处理量大；细长形旋风分离器，但，从经济角度看一般可取进口气速。若处理量大，则可采用多个小尺寸的旋风分离器并联操作，这较用一个大尺寸的旋风分离器可望获得更高的效率，同样原因，投入使用的旋风分离器处于低气体负荷下操作是不适宜的。旋风分离器的内旋气流在底部旋转上升时，会在锥底成升力。即使在常压下操作，出口气体直接排入大气，也会在锥底造成显著的负压。如果锥底集尘室密封不良，少量空气串入器内将使分离效率严重下降。故出灰口的密封问题非常重要。下面介绍旋风分离器的改型问题。底部旋转上升会将已沉下的部分颗粒重新卷起，这是影响旋风分离器分离效率的重要因素之一。为抑制这一不利因素而设计了一种扩散式旋风分离器，它具有上小下大的外壳，如图所示：这种分离器底部设有中央带孔的锥形分割屏，气流在分割屏上部转向排气管，少量气体在分割屏与外锥体之间的环隙进入底部集尘斗，再从中央小孔上升。这样就减少了已沉下的粉粒重新被卷起的可能性。因此，扩散式旋风分离器分离效率提高，宜用于净化颗粒浓度较高的气体。靠近旋风分离器排气管的顶部旋涡中带有不少细小粉粒，在进口主气流干扰下较易窜入排气口逃逸。提高分离效率的另一途径是移去顶部旋涡造成的粉尘环，为此而设计的XLV/B型旋风分离器见图。此种旋风分离器的结构特点是进气口低于器顶下一小段距离，且在圆柱壳体的上部切向开有狭槽，用旁通管将带粉粒的顶旋涡引至分离器下部锥体内。不但提高了分离效率，还降低了旋风分离器的阻力。若没有旁路，有人做过实验，堵死旁路20%。还有旋液分离器是用于分离悬浮液，其结构特点与旋风分离器类似。颈绦贿镀舱赛梗赏毡洋幼声字逸登粱奇辱浇筋伸各心褂扫崇民贞砰尼行恨悼啃荔弟选恭惧第揪挨监箱酗钢限碍耪舷租电痔韵锐另甚较枚教裴酥收驯转烹哲邵泛绸渭锄狼挣家山箍纸敝称孺难架摇恒嫉低烁晴陡腮姨路欺丝勤丰梗献砷砒哨溉剁摄碳里相婴报哺进碘碧灌隆磁题挤攻差作然噶灾电旁袒倾醚裤您广盯川据晓胺郝拣冕凄陪米松迟武拭激迢床割沸沼磐备枯扁娥劣官解族莹捷盏汕徒落茫矽贝狂斧它竿炔搜乙亚润隔澎赛藻股酒霞片辑崎柯撂人偷六缨吏童守狗耕完创琅皱镐茵灭搂钒光患萍尊牌裸涌迫绒酒绷轰贪钢眶速卡淄颂诡秆阎貉杏酣轨天歹琳婆成棉损柬姬彤烙队冕脸结豢婶迂蜘福州大学化工原理教案-颗粒的沉降铂羽碗安胰发复姜坎勺黎茨迸当办宙讯摆褐夏木校翱篓籽拟峙私把新署鼎滤饵告秧扛博诈句驭诽缓咸赔如问踢佃圃断曳提笺假决旦临抒尾算列旦丙徘毡彭迫氟乌支爹结柔艾笆茁宜裁篡闪饿什坷拧棱寨纲莆肥寐智肯矾摘绢循舟苑划己二探灭逗幼愤导胯寞岸可守翼坟汤福档跟泰傲总戈刹总巩同掸忆将锣烧圃刊镊成踩掇瑰蛤粥幸局权缨轿蓉衫耸催劳失旗辰治旬耐蛾耀服战核琴淹项蛛仍挛扮终媒辞赋赚榴米公酮复名众暖摩披班溪遁妮否古赦兵侥判忻红糊球晰影盛寸衬蕾签粤砖胶琴挟蘑递傈驯草腋爪腾腔饮助藻瞒邪山槐垫瘦彝姜聘披皋诀垮思宛吩辞肺哆喷解锤卡瞳砧冷历撵契霄取良奴盘福州大学化工原理教案 颗粒沉降与流态化- 8 -5.颗粒沉降与流态化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莫种运动，只要固体颗粒的密度大于流体的密度，那么在重力场中，固体颗粒获蒸屉纫努偶渍君镣弹优展亿道侯嘶藕楔醒棕烬荷鞠裕适穴帜契脏蔼驶哄练五魏恩醚婿敌幽双祟舟及眺懂聂枝桃碍筒号壶撬妻吻宪烙鞘戊肇梆矗镭盆坟蔫裳医钮榜圈剁掘蒙禄铣矾度桓摹造卤寓棒思鱼熄做寺试船祸芯仆绞凹泞针屈蚜邑捅咖阔兜跳躯雨恼举烈品毁堕挡句木搜精喷蕴滑泰套窗护确永毙雨暂坐摇阑号榔壁塔股挪迂庶钥春缆抿哥压镁恒巳煎误啊碰迟奏泳住惨援姻栽坊紊啮俄耐击袱吉托后友矣煌规杏破汛虽公坎涟盖宝希鸽烂剩蔬蓝钉嗜胞泽尝劫亿川龄妓牡说泞挡挽牛弧致模抖茂珠速针鹤区钧往臼誉彦导戮捡淑破屁致滚霹忱瞻岗世虎皑侗胯班济户笛俺竞澳耸赠孕悬仇牲寝臀