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1、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 5.5气力输送,5.1 概述,在流体与颗粒组成的非均相物系中，考察流体(连续相)与颗粒间（分散相）的相对运动。包括： 颗粒静止，流体对其绕流； 流体静止，颗粒作沉降运动； 两者都动但具有一定的相对速度。 可假设颗粒静止，流体以一定的速度对之作绕流； 流体静止，颗粒在流体中运动，分析流体对颗粒的作用力 化工过程： 两相物系的沉降 重力沉降和离心沉降(Settling) 固体物料的干燥(Dryness)等物理化学过程 固体颗粒的输送(Transportation),5.2.1流体对固体颗粒的绕流动
2、 (1)曳力(Drag)与阻力(Residence)的关系 当流体以一定速度绕过颗粒流动时，流体与颗粒之间产生一对大小相等、方向相反的作用力，将流体作用于颗粒上的力称为曳力，而将颗粒作用于流体上的力称为阻力。,5.2 颗粒的沉降运动,5-1,图为流体流过固体时，固体表面的受力情况。一般，总曳力由形体曳力和表面曳力两部分组成。工程上大都将形体曳力和表面曳力合在一起，即研究总曳力。,形体曳力和表面曳力的影响因素: 为压力改变所导致的曳力，主要取决于颗粒的形状和位向，称为形体曳力；而 则是由于流体和颗粒表面的摩擦所导致的曳力，主要由颗粒表面积的大小决定，称为表面曳力。,工程上大都将形体曳力和表面曳力
3、合在一起，即研究总曳力（总曳力FD与流体的、u有关） ，经因次分析用下式表示： Ap：颗粒在运动方向的投影面积； ：曳力系数，无因次,(2) 曳力系数 流体沿一定方位绕过形状一定的颗粒时，影响曳力的因素可表示为：FD=F(L、u) 其中 L为颗粒的特征尺寸，对于光滑球体，L 即为颗粒的直径dp 。应用因次分析可以得出关系式：,随着Rep增大，球面上边界层脱体，形成尾流（旋涡），形体曳力增大，见图a Rep500，形体曳力为主， =0.44，曳力与流速平方成正比 Rep2105 尾流区收缩， 由0.44突降至0.1左右，见图b,2 颗粒在流体中的流动 在力场中，流体中的颗粒受到三个力的作用： (
4、1)质量力 ,通常为重力或离心力。其大小可表示为： 重力场Fg=mg 离心力场FC=mr2 球形颗粒 m=dp3p/6 (2)浮力Fb，依阿基米德定律， 浮力在数值上等于同体积流体 在力场中所受的场力，故 重力场 Fb= mg / P 离心力FC=mr2 / P (3)曳力FD,颗粒在力场中的运动阶段 分为两个阶段：加速段和恒速段。 随着颗粒运动速度的增大，颗粒所受的曳力也不断增大，必存在某一时刻使颗粒所受的诸力之和为零，从此时起，颗粒将在流体中作匀速运动，这时颗粒的运动速度称为终端速度。,stokes区 utd2 说明同一物系，大颗粒易沉降； ut1/ 在同一物系，不同的操作条件（t不同）
5、气-固 tut 液-固 tut 即高温对气-固分离不利，对液-固分离有利 ut（s-）,5.2.2静止流体中颗粒的自由沉降 目的：从含有固体颗粒的流体中将固体和液体分离开 基本原理：利用流体和颗粒之间的密度差，在质量力的作用下使颗粒与流体之间产生相对运动，从而实现两者的分离。 沉降的分类：重力沉降和离心沉降。 1.重力沉降速度的计算 1) 单个球形颗粒的自由沉降 颗粒在重力场中沉降可只考虑恒速段，这个恒定的速度就是颗粒在重力场中运动的终端速度，称为沉降速度。,试差法计算颗粒的沉降速度 计算步骤为：先假设沉降属于某一区域，按此区内的公式求出ut，再核算Rep以校验最初的假设是否正确，如不正确，需
6、重新试算。 2)非球形颗粒的自由沉降 球形度影响颗粒的沉降速度。当Rep相同时，颗粒的球形度越小，其沉降速度也越小。 3)大小不均匀颗粒的沉降 为使颗粒与流体达到规定分离程度，在计算沉降速度时，应以能够达到规定分离程度的最小颗粒的沉降速度为准。 4) 影响沉降速度的其他因素 主要要考虑端效应和壁效应、颗粒浓度（干扰沉降）、气泡和液滴及分子运动的影响。,Pg197 例5-1 5-2,2 干扰沉降 当流体中颗粒的含量较大时，颗粒沉降时彼此影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降时一方面由于大量颗粒向下沉降而使流体被置换而产生显著的向上运动，造成颗粒沉降速度小于自由沉降速度，另一方面，大量颗粒的存在，也
7、使流体的表观密度和表观粘度（即混合物的密度和粘度）都增大，所有这些因素都使颗粒的沉降速度减小。 壁效应和端效应 当颗粒直径 与容器直径D相比不算太小时，容器壁面会对颗粒的沉降产生影响，使其受到较大的曳力。一般dp/D 0.01时，就显出器壁的影响，使沉降速度减小。 3 流体分子运动的影响 当颗粒直径小到可与流体分子的平均自由程相比拟时（如23m以下），颗粒作不定向和随机性运动，它们可穿过流体分子的间隙，使沉降速度大于斯托克斯定律计算的数值。另一方面，细颗粒的沉降将受流体分子碰撞的影响，当颗粒直径小于0.1m时，布朗运动的影响起主要作用，难以用重力沉降法除去流体中的颗粒。,4 气泡和液滴的运动
8、液滴与气泡在流动中会变形和产生内部循环流动。它们在流动时受到形体曳力的作用而有压扁的趋向，而表面张力的存在则有会使其保持球形状。当颗粒尺寸较小（如小于0.5mm左右）时，由于单位体积的表面能很大，几乎保持球形，则可用前述计算公式来求沉降或浮升速度；当颗粒尺寸较大时，由于液滴或气泡在曳力作用下的变形及其内部的流体产生循环运动的影响，都将影响到曳力系数和沉降速度，因此，就与刚性的固体颗粒有所不同，前述公式不再适用，应该参阅有关资料来考虑。,5.3.1 重力沉降设备（降尘室；沉降槽） 基本特征：体积大。 利用重力沉降分离气固非均相混合物时，称为降尘室，分离液固非均相混合物时，称为沉降槽。 1. 降尘
9、室 作用：分离气体中尘粒的重力沉降设备。 操作：在气体从降尘室入口流向出口的过程中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降。如颗粒在到达降尘室出口前已沉到室底的集尘斗内，则颗粒从气体中分离出来，否则将被气体带出。,5.3 沉降分离设备,这是一个大空箱，含尘气体从一端进入，以流速u水平通过降尘室，尘埃以自由沉降速度ut 向室底沉降，只要能保证气体在室内停留时间足够长，以便颗粒达到室底面，便能在出口得到净化的气体。,假设降尘室的底面积和高分别用A、H表示。气体在降尘室的水平通过速度为u, m/s 降尘室的生产能力(含尘气体在室内的体积流量)为qV, m3/s 任一颗粒在室内的停留时间为：r=A
10、H/ qV 位于降尘室最高点颗粒沉到室底所需时间： t =H/ut 颗粒在降尘室中能被分离下来的条件为： 沉降条件 r t 或 AH/ qV H/ut 或qVA ut 为什么降尘室多做成扁平状？ 理论上 降尘室的生产能力只与降尘室的长度、宽度及沉降速度ut有关，与降尘室高度无关。因此不必将设备做得太高。所以降尘室一般采用扁平的几何形状，也可在室内加多层隔板，形成多层降尘室。常用的隔板间距为40100mm,qV= (n+1) A底 ut n为隔板数 解题时，由qV 、 A底可求出能分离的最小颗粒直径dmin,降尘室特点：结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，一般作预除尘用,适用于除去粒度
11、50m的粗颗粒。,注意： a. 设计时颗粒直径的选择：以上分析是基于颗粒在降尘室顶端能被分离的条件，显然，在此条件下，处于其他位置的同直径颗粒也都能被除去。由于所处理的气体中粉尘颗粒的大小不均，因此，作设计时应以所需分离的最小颗粒直径为基准。 b. 气体速度的选择：降尘室中的气体流速不能过高，应保证气体流动的雷诺数处于层流区，防止将已沉降下来的颗粒重新卷起。一般降尘室内气体速度应不大于3m/s，具体数值应根据要求除去的颗粒大小而定，对于易扬起的粉尘（如淀粉、炭黑等），气体速度应低于1m/s。 降尘室结构简单、阻力小，但体积庞大、分离效率低，只适合于分离直径在75m以上的粗粒，一般作预除尘用。,
12、2 沉降槽 利用重力沉降分离悬浮液的设备称为沉降槽。沉降槽通 常只能用于分离出不很细的颗粒，得到的是清液与含50%左右固体颗粒的增稠液，所以这种设备也称为增稠器。,3 增稠器 有澄清液体和增稠悬浮液的的双重功能，清夜产率取决于增稠器的直径，颗粒的停留时间取决于进口管以下增稠器的深度,5.3.2 离心沉降设备,离心沉降的目的：对密度小或直径较小的颗粒，因其质量力较小，很难用重力沉降法从流体中除去。此时可采用离心沉降法。工业上应用的离心沉降设备有两种型式：旋分分离器和离心机。,离心沉降原理示意 离心沉降利用沉降设备使流体和颗粒旋转，在离心力作用下，由于流体和颗粒间存在密度差，所以颗粒沿径向与流体产
13、生相对运动，从而使颗粒和流体分离。由于在高速旋转的流体中，颗粒所受的离心力比重力大得多，且可依需要调节，所以其分离效果好于重力沉降。,离心沉降与重力沉降有何不同？ 颗粒质量一定，重力沉降速度是恒定的，而离心沉降速度却随旋转半径及旋转速度的不同而发生变化；另一个区别在于：重力沉降的方向向下，而离心沉降方向为离心方向。,离心分离因素是离心分离设备的重要性能指标 离心分离因素是离心分离设备的重要性能指标。在某些高速的离心机上，分离因数可高达数十万。对于本节将要讨论的旋风分离器和旋液分离器来说，分离因数虽不如离心机那么大，但其效能已远较重力沉降设备高。如，当旋转半径0.4m，颗粒旋转速度u=20m/s
14、，则分离因数 a=102。,1 旋风分离器,旋风分离器在工业上应用已有近百年的历史，具有结构简单、造价低廉、操作方便、分离效率高等特点，目前仍是工业上常用的分离和除尘设备。,基本结构：见图。它是一种最简单的旋风分离器，主要由进气管、上圆筒、下部的圆锥筒、中央升气管组成。,操作原理：含尘气体从进气管沿切向进入，受圆筒壁的约束旋转，做向下的螺旋运动，气体中的粉尘随气体旋转向下，同时在离心力的作用下向器壁移动，沿器壁落下，沿锥底排入灰斗；气体旋转向下到达圆锥底部附近时转入中心升气管而旋转向上，最后从顶部排出。 旋风分离器的性能 评价旋风分离器性能好坏的指标主要有三项： (a)临界直径 (b）分离效率
15、：包括总效率 和分级效率（粒级效率） 。 (c)旋风分离器的压强降（阻力） (a)旋风分离器的临界直径 旋风分离器能够完全分离出来的最小颗粒直径称为临界直径。临界直径是评价旋风分离器分离效率高低的重要依据。,(b）分离效率：(包括总效率 和粒级效率） 总效率 ： 即进入旋风分离器的全部粉尘能被分离出来的粉尘质量分率。 C进、C出分别为旋风分离器入口和出口中的总含尘量 。 总效率是工程上最常用的，也是最容易测定的分离效率。此表示法的最大缺点是不能表明旋风分离器对各种尺寸颗粒的不同分离效果。 分级效率 是按颗粒的大小分别表示某一尺寸的颗粒被分离的效率，一般按质量分数计算。,有时也把旋风分离器的分级
16、效率 标绘成粒径比 的函数曲线， d50是分级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径(dpc 或 d50)。图5-12为标准旋风分离器的 曲线，对于同一形式且尺寸及比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通用同一条曲线。,旋风分离器的总效率O，不仅取决于各种尺寸颗粒的分级效率，而且取决于气流中所含尘粒的粒度分布。如果已知气流中尘粒的质量分率xi，且又知分级效率曲线，则可按下式计算总效率，即：,图5-12,(c)旋风分离器的压强降 压强降是评价旋风分离器性能好坏的重要指标。当气体流经旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力、气体流动时的局部阻力及气体旋转运动所产生的动能损失等，造成大量的能量消耗。这种能量的损失可用下式表示： 式中 u 为进口气速，为阻力系数。与旋风分离器的结构和尺寸有关，对于同一结构形式及比例相同的
