化工原理第4章PPT

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1、5.颗 粒 的 沉 降 5.1 概 述 5.2颗 粒 的 沉 降 运 动 5.3沉 降 分 离 设 备 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

2、动 。 5.2 颗 粒 的 沉 降 运 动 5.2.1 流 体 对 固 体 颗 粒 的 绕 流 5.2.2 静 止 流 体 中 颗 粒 的 自 由 沉 降 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 。5.2.1 流 体 对 固 体 颗 粒 的 绕 流 （ 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

3、的 阻 力 分 为 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 : （ 1） 两 种 曳 力 表 面 曳 力 和 形 体 曳 力 FD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 FD的 理 论 计 算 式 。 例如 ， 粘 性 流 体 对 球 体 的 低 速 绕 流 （ 也 称 爬 流 ）

4、时 FD的理 论 式 即 斯 托 克 律 （ Stokes） 定 律 为 ： 当 流 速 较 高 时 ， Stokes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 ， F D的 数值 尚 需 通 过 实 验 解 决 。 uudF pD 3 （ 2） 曳 力 （ 阻 力 ） 系 数 对 球 形 颗 粒 ，用 因 次 分 析 并 整 理 后 可 得 ： ),(= pD udFF)(Re P udpPRe 2PD 21 uAF 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

5、 ： )1( ， 层 流 区 ， Sokes定 律 区 ： 2ReP PRe24 ， 过 渡 区 ， Allen定 律 区 ： 500Re2 P 6.0PRe 5.18 ， 湍 流 区 ， Newton定 律 区 ： 5P 102Re500 44.0 （ 2） 曳 力 （ 阻 力 ） 系 数 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

6、用 呢 ？ gdmgFg P3P6 gdF Pb 36 222 21421 uduAF PPD 根 据 牛 顿 第 二 定 律 得 ： ddududgdgdmaFFFF PPPPPPDbg 32233 621466 或 者 ： 243)( udgddu PPPP 开 始 瞬 间 ， ， 最 大 ， 颗 粒 作 加 速 运 动 。 0u ddu 5.2.2 静 止 流 体 中 颗 粒 的 自 由 沉 降 5.2.2 静 止 流 体 中 颗 粒 的 自 由 沉 降 （ 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

7、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 。u Fd tu0ddu tu tu tu 5.2.2 静 止 流 体 中 颗 粒 的 自 由 沉 降 （ 3） 颗 粒 的 沉 降 速 度 对 球 形 颗 粒 ， 当 时 ， 可 得0ddu 3 )(4 PP gdut 式 中 ： )()(Re PP

8、ud 因 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 ：tu PRe ， 层 流 区 （ Sokes区 ） 2Re P 18 )(2 gdu PPt ， 过 渡 区 （ Allen区 ） 500Re2 P 714.06.04.06.1 )(781.0 gdu PPt ， 湍 流 区 （ Newton区 ） 5102Re500 P gdu PPt )(74.1 5.2.2 静 止 流 体 中 颗 粒 的 自 由 沉 降 （ 4） 其 他 因 素 对 沉 降 速 度 的 影 响 干 扰 沉 降

9、 端 效 应 分 子 运 动 非 球 形 颗 粒 5.2.2 静 止 流 体 中 颗 粒 的 自 由 沉 降 5.3沉 降 分 离 设 备 5.3.1重 力 沉 降 设 备 5.3.2离 心 沉 降 设 备 5.3.1重 力 沉 降 设 备（ 1） 降 尘 室 停 留 时 间 ： 沉 降 时 间 ： Vr qAH tt uH ， 至 少 所 以 ： （ 降 尘 室 的 设 计 原 理 ）tr tr tV uHqAH tV Auq 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 。

10、降 尘 室 一 般 用于 分 离 的 粗 颗 粒 。 Vq sm /3 BHqu V u sm/u smu /5.0mdP 50降 尘 室 底 面 积 ， 。 A 2m BLA 颗 粒 的 沉 降 速 度 ， 。 应 根 据 要 分 离 的 最 小 颗 粒 直 径 决 定 。 tusm/tu min,Pd 5.3.1重 力 沉 降 设 备 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 。tu AH 设

11、 计 型 计 算 已 知 、 、 、 、 ， 计 算 。 Vq P min,Pd A 操 作 型 计 算 已 知 、 、 、 、 ， 核 算 ； A P min,Pd Vq 或 已 知 、 、 、 、 ， 求 。 A Vq P min,Pd 5.3.1重 力 沉 降 设 备 （ 2） 增 稠 器 分 离 悬 浮 液 ， 在 中 心 距 液 面 下0.3 1 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

12、 自由 沉 降 和 下 部 干 扰 沉 降 ）m 大 的 增 稠 器 直 径 可 达 10 100 ，深 2.5 4 （ 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 。m m 5.3.1重 力 沉 降 设 备 （ 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 ，

13、 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 。 5.3.1重 力 沉 降 设 备 1818 22 gdgd bbaa 2/1 baabdd 上 式 表 明 ， 不 同 直 径 的 颗 粒 因

14、 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 。 5.3.1重 力 沉 降 设 备 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 grugrmgmrFFgc 222 式 中 为 流 体 和 颗 粒 的 切 线 速 度 ， ； 为

15、旋 转 半 径 ， ； 为 旋 转 角 速度 ， 。 ru sm/ r m srad /(弧 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 。 1000 cF gF 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

16、 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

17、 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 。 25005 m755 mdP 75mdm P 51.0 mdP 1.0 5.3.2离 心 沉 降 设 备 5.3.2离 心 沉 降 设 备 旋 风 分 离 器 各 部 分 的 尺 寸 都 有 一 定 的 比

18、 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 0 进 出进 C CC 0式 中 、 分 别 为 进 出 旋 风 分 离 器 气 体 颗 粒 的 质 量 浓 度 ， 。 进C 出C 3/mg 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

19、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 。 5.3.2离 心 沉 降 设 备 粒 级 效 率 进 出进 i ii C CC 0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 ，

20、 。 进iC 出iC Pid 3/mg 总 效 率 与 粒 级 效 率 的 关 系 为 ： iix 0式 中 为 进 口 气 体 中 粒 径 为 颗 粒 的 质 量 分 率 。 ix Pid 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 。 Pcdm103 Pid i 5.3.2离 心 沉 降 设 备 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

21、 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 ：22iup 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

22、旋 风 分 离 器 能 够 分 离 的 最 小 颗 粒 直 径 。 cd cd 5.3.2离 心 沉 降 设 备 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

23、器 处 于 低 气 体 负 荷 下 操 作 是 不 适 宜 的 。D u 2H pp smu /2515 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 。 5.3.2离 心 沉 降 设 备 下 面 介 绍 旋 风 分 离 器 的 改 型

24、 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 ， 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

25、 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 。 5.3.2离 心 沉 降 设 备 5.3.2离 心 沉 降 设 备 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 。 5.3.2离 心 沉 降 设 备