陈敏恒化工原理上册化工原理第五章

Rep
dut
1 18
d
3 p
g
(
p
2
)
检验Rep值，看是否在层流范围内，若超出则应令设流型，运用 其他公式求得速度，直至所得Rep与公式适用范围相符为止。
自由沉降与沉降速度
ut 是颗粒在流体中受到的曳力、浮力与重力平衡时颗粒与
流体间的相对速度，取决于流固二相的性质，与流体的流 动与否无关。
颗粒在流体中的绝对速度 up 则与流体流动状态直接相关。 当流体以流速 u 向上流动时，三个速度的关系为：
cos dA
A
A
w
sin
dA
Ñ A
cos
d
：形体曳力，与颗粒形状、位向有关
A
ÑAw sindA：表面曳力，由摩擦引起,与颗粒表面积大小有关
影响曳力的因素：
流体物性(, ,u)，颗粒形状、尺寸、位向
(2) 曳力系数 ① 球形颗粒
FD f (d p , u, , )
由因次分析法：
Ap
颗粒的停留时间
颗粒的沉降时间
r
L u
LHB qV
② 颗粒分离(沉降)条件
t
H ut
含尘气体
u
ut
停留时间 r 沉降时间t
即：L H u ut
③ 生产能力 (可处理的尘气体积流量q V) 由分离条件得：qV BLut
净化气体
说明：生产能力由底面积、沉降速度决定，与降尘室高度无关， 多用扁平形状或多层降尘室(层高40-100mm)
4d p (p )r 3
层流Stokes 区：
ur
d
2 p
(
p
) 2 r
18
或：ur
d
2 p
(
p
)u 2
18r
(2) 衡量离心分离性能的指标 离心分离因数:
ar 2r u2
g
g rg
说明: 评价离心分离设备的重要指标
α越大，分离效能越高。
（3）离心沉降设备
工业上应用的两种型式：旋流器和离心沉降机。
100 %
两者关系： i xi
分割粒径：i 50%的颗粒的直径
分级效率ηi/% 分级效率ηi/%
100
100
80 60
60 40
40
20
20
0 10 20 30 40 50
粒径 di/μm
粒级效率曲线
0.1
1.0
10
粒径比 di/ d50 标准旋风分离器的ηi与di/ d50曲线
◆ 旋风分离器的压降
② 恒速阶段：
颗粒受力分析
合力Fg Fb FD 0时，颗粒速度恒定 终端速度 : 颗粒在流体中匀速运动的速度。(相对运动速度)
简化：加速阶段很短，忽略不计。认为全过程中，颗粒匀速运动。
重力沉降速度的计算
(1)球形颗粒的自由沉降
匀速阶段受力分析：
设： p
F合
mg
mg
p
AP
u2
2
0
沉降(终端)速度：
u umf时，床层高度，空隙率
同时空隙中流速不变：u
u
ut
空床流速一定时，有一个稳定的床层上界面 。
(3) 颗粒（气力或液力）输送 当u =ut时，颗粒被带走。 带出速度：颗粒被吹出的临界速度。
5.4.2 实际流化现象
（1）流化类型 ① 散式流化：颗粒均匀地分散在流动的流体中，有一稳定的 上界面。 如：大多数液-固流化。 ② 聚式流化：床层中存在两个不同的相 乳化相（固体浓度大、分布均匀的连续相）， 气泡相（夹带少量固体颗粒以气泡形式通过床 层的不连续相）。 如：气-固流态化
H2
H1
A S2
D1 B
D
XLP/B 型旋风分离器
S
5.4 固体流态化技术 5.4.1 流化床的基本概念
三个阶段：固定床、流化床、颗粒输送。
（a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Lm mfL
L L
气体或液体 气体或液体 （低速）
液体
气体
气体或液体 （高速）
图3-30 不同流速下床层状态的变化：（a）固定床（b）流化开始 （c）散式流化床（d）聚式流化床（e）水力或气力输送
0
B 140 C
② 非球形颗粒的曳力系数
计算方法：
◇ Ap取颗粒的最大投影面积
◇ 近似用球形颗粒公式，dp→deV； ◇ 实测ξ-Rep 关系。
5.2.2 颗粒与流体的相对运动
(1) 颗粒在力场中的受力分析
① 场力
FFFecgmmmarge 2VVpVpppappger2
② 浮力
FFFbbbmmmpppager2VVppVagper 2
H2
H1 S A
D1 B
D
d
E
一种带旁路的旋风分离器。其特 点为进气口上沿梢低于筒体顶部， 因此含尘气体进入筒体后随之分 为两路，较大的颗粒随向下旋转 的主流气体运动，沉到筒壁落下； 细微粒则随一小部分气体在顶部 旋转聚集形成灰环，再随气流经 旁路分离室旋转向下并沿壁面落 下。这种结构的旋风分离器能促 进细粉尘的聚结，对细粉的分离 较高。
是旋风分离器的经济指标。
压降： u2
2
2）常用型式 标准型、扩散式等。 标准型：
结构简单、容易制造、处理量大； 适用于捕集密度大且颗粒尺寸大的粉尘。
标准型旋风分离器
CLK 型：为扩散式旋风分离器，又称 带倒锥体的旋风除尘器，并在锥的底 部装有分割屏，分割屏可使已被分离 的粉尘沿着锥体与分割屏之间的环缝 落入集尘斗，有效防止了上升的净化 气体重新把粉尘卷起带出，从而提高 了除尘效率。
5 颗粒的沉降和流态化
• 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
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。
ut
2g(p )m Ap p
◆ 球形颗粒的沉降速度
因为：AP
4
d
2 p
,
球形颗粒：ut
m
6
d
3 p
p
4d p g(p )
3
Fb FD
Fe
颗粒受力分析
球形颗粒：ut
4d p g(p ) 3
◆ 影响沉降速度的因素
① 颗粒直径 dp ，则ut 其它条件相同时，小颗粒后沉降。
② ຫໍສະໝຸດ Baidu体密度
气体出口
5.3.1 重力沉降设备
(1) 降尘室 ① 结构及工作原理
集尘斗
降尘室
L B
降尘室底面积： A B L
气体
u
H
含尘气流通截面积： S B H
ut
颗粒在降尘室中的运动
含尘气体积流量：qV H B u
含
颗粒运动速度分解：
尘
净 化 气
气
体
随气体的水平流速u； 体
颗粒沉降速度ut。
颗粒
降尘室操作示意图
解：20℃空气的密度为ρ＝1.2kg/m3，粘度为 1.81105 Pa s
设直径为10μm的尘粒沉降于斯托克定律区，则颗粒的沉降速度为
ut
d2p (p 18
)g
(10106)2 (1800 1.2) 9.81 18 1.81 105
5.42 103 m/s
Re p
d p u t
1.2
（1）腾涌 ① 现象：气泡长大将床层分成相互分开的气泡和颗粒层 颗粒层象活塞一样被气泡向上推动， 到达床层上界面，气泡崩裂，颗粒分散下落。 ② 原因：气-固流化床中床层高度与直径的比值过大或气速过高。 ③ 后果：床层阻力大幅度波动，器壁被颗粒磨损加剧， 设备振动，甚至将床中构件冲坏
（2）沟流现象 ① 现象：气体通过床层时形成短路，床层内密度分布不均匀， 气、固接触不良，部分床层变成死床。 ② 原因：与颗粒的特性、堆积情况、床层直径及气体分布板有关。 ③ 发生沟流现象时，床层阻力较正常值低
up u ut
u = 0，up = ut 流体静止，颗粒向下运动； up = 0，u = ut ，颗粒静止地悬浮在流体中； u > ut ， up > 0， 颗粒向上运动； u < ut ， up < 0，颗粒向下运动。
(3) 影响沉降速度的其它因素 ① 干扰沉降------颗粒沉降时彼此影响 ◇ 颗粒浓度对沉降速度的影响 大量颗粒沉降，造成流体反向运动
流体流过固体时，固体表面的受力情况：
在运动方向上，流体作用于颗粒表面 的力：
(1) w sindA
W dA
W sin dA
PcosdA
dA
Ñ w sindA 表面曳力
(2) p cosdA
PdA
u
作用在颗粒上的曳力
蜒A p cosdA AcosdA ?A gz cosdA
总曳力：
形体曳力
浮力
蜒 FD
10
10-6 5.42 1.81 105
10
3
3.6 103
2.0
故以上计算有效。
所需沉降面积为
A qv 2500 /3600 128 .6m2 ut 0.0054
因沉降室底面积为2x5m2已定，故所需隔板数目为
N A 1＝128 .6 1＝11.9 12块
A底
10
(2) 沉降槽（增稠器） 利用重力沉降分离悬浮液的设备。 分类：间歇式和连续式
FD
1 u2
2
d pu
令：
Rep
dpu
(Rep )
总曳力计算：
R
ep
=
dpρu μ
(Rep )
实验获得ξ与Rep的关系：
－无因次曳力系数
A －颗粒在运动方向上的投影面积 p
u－来流速度
105
ξ
103 102 10 1.0
（1） （2） （3）
10-1
10-4
10-3
③ 曳力
合力：
F
FD AP
Fe Fb
1 u2
2
FD
ma
m
du dt
Fb
FD Fe
颗粒受力分析
(2)在重力场中颗粒在静止流体中的运动情况
Fb
初始时： u 0,
FD 0
F Vppg Vpg
FD
颗粒运动的两个阶段：加速阶段、恒速阶段
Fe
① 加速阶段：
p 时，Fg Fb，沿重力方向加速 p 时，Fg Fb，沿浮力方向加速
10-2
10-1
1.0
10
102
103
104
105
106
ReP 曳力系数ξ与ReP的关系：（1）圆球（2）圆盘（3）圆柱
层流区：
阿伦区：
曳力 u，表面曳力为主
u0 A
B
0
85
C
发生边界层分离，使形体曳力增加
牛顿定律区：
曳力 u2，曳力系数恒定，形体曳力为主
湍流边界层区：
A u0
转化为湍流边界层，形 体曳力
沉降过程： 第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降； 第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。
分级器
5.3.2 离心沉降设备
(1) 离心沉降速度 计算方法：同重力场，重力→离心力；
离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径 r 变化 。
通式：ur
2r(p )m AP p
对球形颗粒：ur
旋流器：设备静止，流体旋转运动；
离心沉降机：设备本身和流体一起旋转。
(1) 旋风分离器
B
① 基本结构与操作原理 ② 旋风分离器的性能参数
进气
排气
出灰口 旋风分离器示意图
◆ 分离效率：
（1）总效率
分离出的颗粒质量
全部颗粒质量 100 %
（2）粒级效率
i
分离出的直径 di颗粒质量 直径di颗粒的总质量
清洁气流 挡板
隔板
含尘气流
多层降尘室 说明：ut由所需分离的最小颗粒直径确定
欲用降尘室净化温度20℃、流量为2500m3/h的常压空气，空 气中所含灰尘的密度为1800kg/m3，要求净化后的空气不含 有直径大于10μm的尘粒，试求所需沉降面积为多大？若降尘 室底面的宽为2m、长为5m，室内需要设多少块隔板？
d p ( p )gRe0p.6
③ 牛顿定律区 500 Rep 2105， 0.44
牛顿(Newton)公式：ut 1.74
dp(p )g
问题：沉降速度ut未知，如何判断流型？
解决方法：试差法
试差法： 如：假设沉降属于滞流
斯托克斯(Stokes)公式：ut
d
2 p
(
p
)g
18
将上式代入Rep中，得到：
◇ 流体表观物性的影响 颗粒存在，改变了流体的表观密度和表观粘度。
② 流体分子运动的影响
③非球形颗粒的沉降速度
同样条件下 非球 球
因此
ut,非球 ut,球
④壁效应和端效应
d p 0.01 时, 器壁有影响 D
⑤液滴或气泡变形 液滴或气泡受曳力变形，影响计算准确性。
5.3 沉降分离设备
气体入口
5.2 颗粒的沉降运动
流体和颗粒相对运动的情况：
① 颗粒静止，流体绕过颗粒流动； ② 流体静止，颗粒流动； ③ 颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。
5.2.1 流体绕过颗粒的流动 (1) 曳力
阻力：颗粒对流体的作用力； 曳力：流体对颗粒的作用力。
(a) 平板平行于流向
(b) 平板垂直于流向
(c) 流线型物体
，则ut
其它条件相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。
③ 颗粒密度
p ，则ut
其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。
◆ 沉降速度计算
① 层流区
Rep
2，
24 R ep
斯托克斯(Stokes)公式：ut
d
2 p
(p
)g
18
② 阿伦区
2
Rep
500，
18.5 R 0.6
ep
阿伦( Allen)公式 : ut 0.27
(1) 固定床阶段 颗粒静止（流体空床流速小，颗粒受曳力小）； 床层高度 、空隙率，均保持不变；
阻力服从欧根方程( u , ）。
(2) 流化床( 沸腾床 ) 阶段 空床流速↑，颗粒受曳力↑，把颗粒托起；
临界流化状态(起始流化状态）： 最小流化速度
umf u , u ut
床层高为Lmf ，空隙率为 mf