颗粒的沉降和流态化.docx

5颗粒的沉降和流态化5.1概述流固物系的相对运动一一在由固体颗粒和流体组成的两相物系中，流体为连续相，固体为分散相。不论流体静止或运动，只要固体颗粒的密度大于流体密度，在重力场中，颗粒将在重力方向上与流体作相对运动;在离心力场中,将在离心力方向上与流体作相对运动。化工生产中与流固物系的相对运动有关的操作：1.两相物系的沉降分离。依靠重力的称为重力沉降；依靠离心力的称为离心沉降。2.固体颗粒的流态化。利用流化床对流体或颗粒进行物理或化学加工；颗粒的流动输送。流固物系的相对运动规律与自由落体运动规律的根本区别：前者的着眼点是小颗粒或液固物系，此时流固间的阻力不可忽略；后者的着眼点是大颗粒，此时可忽略流固间的阻力。5.2颗粒的沉降运动5.2.1流体对固体颗粒的作用力流体与固体颗粒之间的相对运动可以有各种情况：(1)颗粒静止，流体对其绕流；(2)流体静止，颗粒作沉降运动；(3)两者都运动，但保持一定的相对速度。仅从流体对颗粒的作用力讲，只要两者相对速度一样，上述三种运动无本质区别。流体对颗粒的阻力曳力流体对颗粒做绕流时，在流动方向上对颗粒施加一个阻力，也称曳力。曳力与流体密度、粘度、流速有关，且受颗粒大小、形状与方向影响。对光滑球形颗粒，曳力Fd为：FEgApP/)/2(5-1)AP颗粒在运动方向的投影面积。圆球Ap=(nd)/4无因次曳力系数g=(Rep)曳力系数与雷诺系数ReP关系由实验测定：层流区：ReI)<2斯托克斯(stakes)定律区=24/%过渡区：2Rep<500阿伦(Allen)区-g5/(R0-6)湍流区：500<Rtp<2X10牛顿(NeWton)区&20.44对具有不同球形度的非球形颗粒，式中AP应取颗粒最大投面积；，取体积当量直径。uoooogoog40201064(x64 2 160一s_&，&、，'1jIea!一=I:= = 1 l2164210Ooooi一s-8mh ilsi*l*l i91lil s"MW"6wiisillllis.llr !s">la-sms9l- =B=B=BiB ealllllBll I t lalvlailw 0«11 IlwIeovftvpl .iftBvt<ftBVIB ssBS*!sisslls:llsi;>lM!:;all翻Ill=_1一Tooo o电力系数:与修粒雷诺数的关系图中曲线；l-三Ji2-0.806»3-0.64-O.22O5=0.1255.2.2静止流体中颗粒的自由沉降在计算和分析颗粒的沉降过程时分为两种情况考虑，即自由沉降和干扰沉降，干扰沉降速度一般小于自由沉降速度在静止流体中，颗粒在重力(或离心力)作用下，将沿重力方向(或离心力方向)作决降运动。在重力场中，称为重力沉降，在离心力场中，称为离心沉降。(1)颗粒自由沉降所受力：场力F重力场：R=Hlg=VpP(52)>grK离心力场：Fc=VpPpr23)对球粒，其体积：Vp=d3p/6-4)式中：m一颗粒质量kgPp一颗粒密度kg/m3；r一颗粒作圆周运动的旋转半径；3颗粒的旋转角速度浮力Fb：颗粒在流体中所受浮力，其大小等于它所排开等体积流体所受的场力。重力场：(Fb=VPg离心力场：Ft=VP式中：P一流体密度kgm'i曳力Fd重力场：y%3"(5-7)离心力场：%=ArfM(5-8)式中：U一颗粒相对于流体的运动速度。AP一颗粒投影面积。A9=-d颗粒4(2)颗粒的沉降运动沉降的加速度由牛顿二定律(对重力场)Fs-Fb-Fo=mdudt(5-9)duP9P32对球形颗粒，在重力场中tA)4(5-10)沉降的等速段随颗粒下降运动不断增加，上式第二项(曳力项)逐渐增至某一值时，曳力等于颗粒的du净重，do此时颗粒将以恒速继续沉降。对小颗粒加速段很短，可忽略。颗粒的沉降速度对球形颗粒，当加速度为零时，此时颗粒将以不变的沉降速度“继续下降。UtPf-P3s"?p，P9AdyPyMO(5-11)_4(0,")g%=V荻(5-12)d.pu,=由上式得出一重要结论：因为H,对一定流一固物系，p,Pp均为定值。所以沉降速度“仅与粒径dp有关。即：无论流体是否运动、流向如何,Ut在研究颗粒对流体间的相对运动时，颗粒与流体的综合特性可用Ux表示。球形颗粒在不同流动区域的沉降速度流动分区ReP的范围，阻力系数匕沉降速度，流动特征,层流区（SS如S区）<2e-21一Rq_d；(PJt")g一18粘性阻力（表面阻力）为主，不发生边界层分离。过渡区（Alien区）2500上18.5XAP随ReP增加颗粒后部发生边界层分离，形体阻力逐渐加大，并占主导地位.湍流区（Nekton区）5002×IO5=0.441CAfdy(Pjt-p)gVut=1.74-P边界层转变为湍流边界层，粘性阻力的影响可忽略，形体阻力为主。2X13J下降情况较复杂边界层分离区后移，屋该区凝b在ReP=（320）xl5间可取=0.l.（4）影响沉降速度的因素干扰沉降实际非均相物系是由大量颗粒组成。相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周围的流场，颗粒沉降时，会受其他颗粒的影响，此种情况称为干扰沉降。a、干扰沉降速度较自由，沉降速度小，其原因为：悬容物系辘度、粘度均镂惭体上颗粒b、颗粒下沉时，流体被置换而向上运动，作用在颗粒上的阻力增加。颗粒体积浓度0.2%时，干扰沉降速度的影响不可忽略。此时沉降速度先按自由沉降计，然后按颗粒浓度进行校正。端效应容器的壁面和底面可增加颗粒运动的阻力，使实际沉降速度较自由沉降速度小。需准确计算时应考虑此影响。 分子运动当三流体分子平均自由程时，颗粒可穿过快速运动的流体分子之间，同时颗粒的沉降将受流体分子热运动的影响，此时流体已不能作为连续介质，前述各项计算的前提将不成立。 非球形颗粒非球形颗粒的曳力系数4大于同体积的球形颗粒。可用右图查出后，按前述沉降速度计算式求。产（PP-QgV-p其中(5-13)Rel=W(5-14)(5)分级沉降利用沉降速度的差异，将不同直径和密度的颗粒进行分离。常用于液固系统。分级沉降的方法：在某一速度的上升液流(通常是水)中，将沉降速度较小的颗粒漂起分出(此时颗粒的沉降速度U液流上升速度U).将悬浮液送入面积很大的沉降分离室，沉降速度大的颗粒落在室的前部，沉降速度小的颗粒在室的后部沉积，从而达到分离.5.3沉降分离设备5.3.1重力沉降设备(1)降尘室利用重力沉降原理进行气固分离的设备。用途：分离粗颗粒“尸5zw);作为气固系统的预分离设备，以减轻后续设备的磨损。基本结构：偏平状的长方体，容积较大，进出口为锥形，使含尘气体进入降尘室后流动截面积增大，流速降低。底部设有若干灰斗，定期清除尘粒。工作原理：含尘气体水平流过降尘室，颗粒具有与气体相同的速度，同时颗粒在重力 作用下，以速度,垂直向下运动，当颗粒在降尘室中的停留时间其从顶部降至底部的时间,该颗粒将可能被全部分离。 降尘室计算基本关系式： 含尘气体停留时间LBH AH r =Qv Qv颗粒最大沉降时间：H L =Ut5 -16)T >颗粒能被除去的必要条件：r AH H " = Qv Ut( 5 -17)降尘室的处理能力：(5 -15)18)重要结论：以上表明，对一定物系，降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积A,与高度H无关，因此，实际生产中常采用多层降尘器。降尘室的计算：设计型计算：已知生产任务，即处理量有关物性、P、，和要求全部被除去的最小颗粒直径4un,计算所需降尘室底面积。方法：联立求解-19)(可先设在层流区)操作型计算：已知降尘室，即底面积A,有关物性、P、Ppa、由要求全部被除去的最小颗粒的直径，核算降尘室的处理能力；b、由给定的气体处理量，计算所能全部分离出的最小颗粒的直径。方法：联立求解(5-20)(3)间歇沉降间歇沉降常用于实验室进行悬浮液沉降性能的测定，以提供连续沉降槽的设计数据。间歇沉降过程随时间变化的情况如下图。A-清液区B-等浓区C-变浓区D-沉聚区5. 3.2离心沉降设备当需分离的流固物系密度很小，颗粒粒度较细小时，可以采用，以加快离心沉降沉降过程。离心沉降速度在离心力场中，颗粒的沉降速度只需将重力沉降速度中的重力加速度g以离心加速度r2替代即可(忽略重力)，速度方向为圆周运动的径向向外。%;JQpSp一0)京%=fdpSp-P)四r32J3pr(5-21)p(pp-p)U2ur=；×层流时：18以r(5-22)式中：U流体与颗粒的切向速度，u=r0一一球形颗粒自由沉降时的阻力系数，在不同流动区域内其值与重力沉降时相同。离心分离因数同一颗粒所受离心力与重力之比。其数值大小反映离心分离设备性能好坏。(5-23)在层流区：a=幺Ut(5-24)(1)旋风分离器利用离心沉降原理，从气体中分离颗粒的设备。基本结构标准型旋风分离器上部为圆筒形主体，其顶端有一矩形进气管与之相切，下部为圆锥形，其底部接密封的排灰斗，上部中央为排气管，供净化后气体排出。旋风分离器无运动部件，操作不受温度、压强限制，其离心分离因数约为52500。旋风分离器操作原理气体以10"25ms的速度由矩形进口管切向进入圆筒，利用器壁反作用强制气流发生旋转并向下运动(外旋流)，到底部后因灰斗密封，旋转气流折返向上进入排气管(内旋流或气芯)，固体颗粒在旋转运动中被离心力抛至器壁，并汇集于锥形底部的回斗中，定期排出。旋风分离器的性能指标：旋风分离器的性能指标主要有两个：分离效率和气体压降(阻力损失)。分离效率：有两种表示方法，即总效率和粒级效率总效率C进一0出7o="-C迸（5-25）式中Cf1一一旋风分离器进出口气体中颗粒质量浓度kgm3;粒级率(5-26)式中CJ迸、G出一一旋风分离器进出气体中粒径为dpi的颗粒质量浓度kg/m3；总效率与粒级效率关系(5 -27)0=Z内式中进口气中粒径为d,1颗粒的质量分率。分割直径dpc经旋风分离器后能被除去50%的颗粒直径，高效旋风分离器后的dpc可达310um0总效率不能准确反映旋风分离器的分离性能,而粒级效率能准确表示旋风分离器的分离性能。两者均由实验测定（见参考）。旋风分离器的压降含尘气体通过旋风分离器的阻力损失可通过其进出口的压降来表示，它是进出口气体全压的差值。(5-28)式中：AP压降，Pa；w气体在进口管中的流速，mis；P一一气体密度；4阻力系数，J对给定