化工原理课件5.颗粒的沉降和流态化

5.颗粒的沉降和流态化5.1概述5.2颗粒的沉降运动5.3沉降分离设备5.4固体流态化技术（略）5.5气力输送（略）化工原理5.颗粒的沉降和流态化1、本章学习的知识点重力沉降与离心沉降基本公式；降尘室、沉降槽、旋风分离器的结构、工作原理及降尘室生产能力，旋风分离临界直径的计算；颗粒分级概念；粒级效率的概念。2、本章学习的重点重力沉降与离心沉降基本公式；旋风分离器结构、工作原理。3、本章学习的难点颗粒分级概念；粒级效率的概念。5.颗粒的沉降和流态化催化反应（流化床反应器）5.1概述一、研究的内容流体—固体两相物系间的相对运动规律。二、涉及流固相对运动的化工过程5.颗粒的沉降和流态化1、两相物系的沉降分离重力沉降：依靠重力离心沉降：依靠离心力2、某些物理和化学过程固体物料的干燥粉状矿物的焙烧3、固体颗粒的流动输送：气力输送。5.1概述二、相对运动的特殊性5.颗粒的沉降和流态化相对运动包括颗粒静止、流体绕流流体静止，颗粒沉降两者都运动，并保持一定相对速度就流体对颗粒的作用力来说，只要相对速度相同，三者无本质区别。流动方式粘性引起的阻力感兴趣的问题区别管流固体对流体的阻力阻力损失（外部问题）作用力的结果绕流流体对固体的阻力阻力（内部问题）作用力本身5.1概述问题：自由落体运动考不考虑空气阻力？问题：为什么自由落体运动不考虑空气阻力，而颗粒沉降等却偏偏对阻力感兴趣呢？答：32evDddGF，Ap而阻力表可以忽略大颗粒自由落体GFdddDevevp323:不可以忽略相对较大很小颗粒颗粒沉降DevevFdddp323:返回5.颗粒的沉降和流态化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返回5.颗粒的沉降和流态化5.2.1流体对固体颗粒的绕流一、两种曳力(Drag)—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分为两类：表面阻力（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，即：=表面曳力+形体曳力DF表面力表面相切剪力WdAW表面垂直压力ppdA剪力压力5.颗粒的沉降和流态化5.2.1流体对固体颗粒的绕流流动方向上总表面力：由剪力产生的由压力产生的AWAdAdApFsincosAWAAdAdAgzdAsincoscosAAWAdAghdAdAcossincos形体曳力表面曳力颗粒所受的浮力5.颗粒的沉降和流态化5.2.1流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒作绕流运动时，在流动方向上对颗粒施加一个总曳力，其数值等于表面曳力和形体曳力之和。AWADdAdAFsincos注：理想流体和无相对运动的流体，其总曳力FD=0，但是颗粒仍有浮力作用在其上。说明：1、，其问题较为复杂，难以理论计算求出。),,,,(颗粒形态与定向pDduF2、几何形状对称的固体颗粒：在流动垂直方向上的FD=05.颗粒的沉降和流态化5.2.1流体对固体颗粒的绕流3、几何形状不对称的固体颗粒：在流动垂直方向上的FD不等于0二、曳力系数(Dragcoefficient)—对光滑圆球析因分析：，与颗粒形状和定向无关。),,,(=pDudFF2PD21uAF)(RePudpPRe5.颗粒的沉降和流态化5.2.1流体对固体颗粒的绕流与关系的实验测定结果见图。PRe5.颗粒的沉降和流态化5.2.1流体对固体颗粒的绕流对于球形颗粒()12RePudFpD3Re24P，层流区，斯托克斯(Sokes)定律区，也称爬流区，其500Re2P，阿仑(Allen)区，6.0PRe5.185102Re500P，牛顿(Newton)定律区，44.0注意：定义与第1章不同，判别流型值亦不同！PReRe5.颗粒的沉降和流态化5.2.1流体对固体颗粒的绕流流体绕球形颗粒流动时的边界层分离服从一次方定律,,2Re1uF、DP2、，边界开始脱体，形状曳力的存在并不以边界层脱体为前提。脱体点在PRe085。uF，、D服从平方定律表面曳力形体曳力,,44.0,500Re32P1.0140102Re405，，，，、脱体点动量湍流边界层流动P5.颗粒的沉降和流态化5.2.1流体对固体颗粒的绕流问题：影响FD为什么是用Ap而不是A？答：一旦发生脱体，表面曳力形体曳力，用A不能使常数返回5.颗粒的沉降和流态化5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降前提：P一、沉降的加速阶段：设初始速度等于0。在沉降过程中颗粒的受力如下：FDFgFbmgFg1、体积力：重力场：离心力：2mrFg其中：对于球形颗粒：ppdm3612、浮力：重力场：gmFpb离心力：2rmFpb3、曳力：221uAFpD5.颗粒的沉降和流态化5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降根据牛顿第二定律：若在重力场中。ddududgdgdmaFFFFPPPPPPDbg32233621466243)(udgdduPPPP若在离心力中，把重力场中公式中的g用代替即可。2r5.颗粒的沉降和流态化5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降二、沉降的等速阶段5.颗粒的沉降和流态化tuuudduddu，此时恒定曳力项,0球形颗粒：043)(2tudgdduPPPP3)(4pptdgu即：)()(RePPud式中：5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降将不同的数值代入得：5.颗粒的沉降和流态化2Re,Ppd当，层流区，斯托克斯(Sokes)定律区，500Re2P，阿仑区，5102Re500,Ppd当，牛顿(Newton)定律区，18)(2gduPPt714.06.04.06.1)(781.0gduPPtgduPPt)(74.1与u无关。5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降三、颗粒的沉降运动沉降的两个阶段：加速阶段、等速阶段。5.颗粒的沉降和流态化1、流体静止：小颗粒加速阶段可忽略，近似认为始终以ut下降。2、流体中水平运动：颗粒与流体相同的速度作水平运动，又以ut垂直向下。（若不相同，则有一个加速度，小颗粒加速度很短，可忽略。）3、流体以一定的速度向上运动颗粒绝对速度：tpuuu颗粒向上,tuu颗粒向下,tuu悬浮于流体中颗粒静止，uut,5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降四、沉降速度的计算与应用1、计算5.颗粒的沉降和流态化3)(4pptdgu)(tpud解方程组，非线性，需试差求解方法：首先假定在斯托克斯定律区，取，再校验Rep2；否则，假定处于牛顿定律区，取，再验证Rep500；否则，就是阿仑区，取epR2444.06.05.18epR5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降例5-1颗粒大小测定。解：设小珠沉降在斯托克斯定律区，得：5.颗粒的沉降和流态化)(1818)(2ppPPtgudgdum421331083.21590163081.91007.11003.118epR校验744.01003.115901070.11083.2334tpepudRRep2，所以计算有效，小珠的直径为0.283mm。5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降2、影响ut的因素及应用若在斯托克斯定律区：5.颗粒的沉降和流态化18)(2gduPPttpu)1(。，dudptp尤其注意影响最大,)2(但是气体无影响，ut)3(tttu：Tu：Tu液体气体)4(问题：1、气体先冷后降尘，还是相反？2、液体先冷后降尘，还是相反？(2)dp0.5μm，沉降受液体分子热运动的影响（流体不连续），上述的讨论不成立5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降五、其它对沉降速度的影响1、干扰沉降：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周围的流场，颗粒沉降相互干扰。浓度高时，ut减少。2、端效应：近壁或底部，FD增加，ut减少。5.颗粒的沉降和流态化3、分子运动：(1)dp约等于分子的平均自由程，颗粒可穿过流体分子之间，ut增大。5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降5、非球形：曳力系数比同体积球形颗粒为大，ut减少。5.颗粒的沉降和流态化返回4、液滴或汽泡变形：(1)分散相是液滴或汽泡时，在曳力作用下变形，曳力增加(2)同时内部产生循环运动，降低了相对速度，曳力减小。5.3沉降分离设备基础：颗粒在外力作用下产生沉降运动，具有两相为前提。悬浮颗粒的直径越大，两相的密度差越大，使用沉降分离方法的效果就越好。5.颗粒的沉降和流态化p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沉降分离设备5.3.1重力沉降分离设备5.3.2离心沉降分离设备5.颗粒的沉降和流态化返回5.3.1重力沉降分离设备一、降尘室1、过程分析：如右图所示(1)降尘室：气体作水平流动(2)原理：分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备。5.颗粒的沉降和流态化室大：降尘室的容积一般较大，气体在其中的流速1m/s。避免沉下的尘粒重新被扬起，往往采用更低的气速。锥形出口：为使气流均匀分布沉降停留5.3.1重力沉降分离设备5.颗粒的沉降和流态化分离条件：5.3.1重力沉降分离设备2、过程数学描述降尘室：底面积A=LB，高为H。含尘气：在流动载面上均匀分布，qvm3/s5.颗粒的沉降和流态化停留时间VrqAH设能100%降下的最小粒径dpmin的颗粒的沉降速度为ut沉降时间ttuH5.3.1重力沉降分离设备降尘条件（分离条件）：5.颗粒的沉降和流态化tr：即沉降停留tVuHqAHtVuHqAH至少tVAuq处理能力，与H无关，只取决于降尘室的底面积。因此，降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板。tVAuq含尘气体除尘后气体粉尘1234含尘气体除尘后气体粉尘123粉尘55.3.1重力沉降分离设备问题：同气速下，为什么装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。答：因为隔板间基本上保持了相同的流动速度，而颗粒达到隔板通道底部的沉降距离更短。注：为便于清灰，可将隔板装成可翻动或倾斜式。5.颗粒的沉降和流态化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tuminpd18)(2min,gduPPt5.3.1重力沉降分离设备讨论：(1)降尘室均匀设置n块水平隔板时，其生产能力可提高到原来的(n+1)倍。(2)温度T对降尘室生产能力的qv影响5.颗粒的沉降和流态化TG,不变vrvqAHqtttuHu降尘能力下降5.3.1重力沉降分离设备3、过程计算5.颗粒的沉降和流态化(1)设计型：tVAuq18)(2min,gduPPt7个变量，5个已知量Adqppv求选择工艺要求已知,,,,min(2)操作型：vpPqdA求处理能力已知min,,,,①min,,,,②pvPdqA求已知工况从一种工况推算另一种③5.3.1重力沉降分离设备习题p1685-4、解：5.颗粒的沉降和流态化smPamkgmkgcmHhrPr.1,/998，℃20,/300,5,133查得水溶液已知设沉降在斯托克斯区18)(2min,gduPPtttHutrrtHuRPPgHd)(18max5.3.1重力沉降分离设备5.颗粒的沉降和流态化mgHdrPP6.3360081.9)9983000(1051018)(1823max21