2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,1,第一章 固体颗粒及其特性,定义：,沉降力场：重力、离心力在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作沉降操作分类：重力沉降、离心沉降2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,2,第一章 固体颗粒及其特性,Fd与颗粒运动的方向相反当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力或阻力只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样一、颗粒运动时的阻力,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,3,第一章 固体颗粒及其特性,阻力定义式：,一、颗粒运动时的阻力,ρ——流体密度； μ—— 流体粘度； dp——颗粒的当量直径； A—— 颗粒在运动方向上的投影面积； u—— 颗粒与流体相对运动速度 —— 阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,4,第一章 固体颗粒及其特性,根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：,斯托克斯区（10-4Re 1）,过渡区或艾仑区（ 1 Re 103）,湍流区或牛顿区（ 103 Re 105）,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,5,第一章 固体颗粒及其特性,一、颗粒在流体中的沉降过程,颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用： 质量力 F＝ m a 浮 力 Fb= ρ g Vp 曳 力 Fd = ξ A ρ u2 /2 对于一定的颗粒和流体，重力Fg、浮力Fb一定，但曳力Fd却随颗粒运动速度而变化。
当颗粒运动速度u等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,6,第一章 固体颗粒及其特性,一、颗粒在流体中的沉降过程,自由沉降：颗粒在重力作用下在无界流体中的沉降过程，称为自由沉降 对单个球形颗粒的受力分析：,沉降的两个阶段：加速阶段和等速阶段; 加速段时间很短，整个过程可以忽略； 等速阶段，颗粒相对流体的速度称为沉降速度； 用ut表示，也称终端沉降速度2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,7,第一章 固体颗粒及其特性,一、颗粒在流体中的沉降过程,根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:,p —颗粒密度,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,8,第一章 固体颗粒及其特性,ξ是阻力系数，是颗粒对流体作相对运动的雷诺数Re的函数,当du/dt =0时，令u= ut，可得ut计算式,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,9,第一章 固体颗粒及其特性,Re=ρ u dp / μ,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,10,第一章 固体颗粒及其特性,根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：,斯托克斯区（10-4Re 1）,过渡区或艾仑区（ 1 Re 103）,湍流区或牛顿区（ 103 Re 105）,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,11,第一章 固体颗粒及其特性,层流区,过渡区,湍流区,将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度分别为： ：,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,12,第一章 固体颗粒及其特性,求沉降速度通常采用试差法。
沉降速度的求法：,假设流体流动类型； 计算沉降速度 ut ； 计算Re，验证与假设是否相符； 如果不相符，则转①如果相符，OK !,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,13,第一章 固体颗粒及其特性,一直径为1mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，试求其终端沉降速度 ut 校核流型，Re=ρ ut dp / μ =998.2×0.145×10-3/(1.005×10-3) =144,解：假设其流型属过渡区，故有：,故属于过渡区，与假设相符反之，当已知沉降速度，求颗粒直径时，也需要试差计算2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,14,第一章 固体颗粒及其特性,已知一密度为3000kg/m3的球形颗粒在20℃的水中的终端沉降速度 ut =9.8×10-3m/s，试确定其粒径校核流型： Re=ρ ut dp / μ =998.2×9.8×10-3×95×10-6/(1.005×10-3) =0.92,解：假设其流型属层流区，故有：,故属于层流区，与假设相符2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,15,第一章 固体颗粒及其特性,影响沉降速度的因素(以层流区为例),(1) 颗粒直径dp,啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分离和澄清。
均质乳化， dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层 加絮凝剂，如水中加明矾2) 连续相的粘度,加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离 增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut↓，不易分层 加热：原油脱盐脱水中的加热3) 两相密度差( p-)：,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,16,第一章 固体颗粒及其特性,影响沉降速度的因素(以层流区为例),(4) 颗粒形状,球形度s越小， 越大，但在层流区不明显ut非球ut球 对于细微颗粒(d0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；Cunningham修正系数 沉降公式可用于沉降和上浮等情况5) 边壁效应 (wall effect) ：当颗粒靠近器壁沉降时，由于器壁的影响，沉降速度变慢小，这种影响称为壁效应6)干扰沉降：当颗粒体积浓度小于0.2%时，偏差在1%以内，当颗粒浓度较高时便发生干扰沉降由于干扰作用，大颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度；小颗粒的沉降速度增大2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,17,第一章 固体颗粒及其特性,层流区，Fd与ut 的1次方成正比 过渡区， Fd与ut 的1.4次方成正比。
湍流区，Fd与ut的平方成正比机理为何？,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,18,第一章 固体颗粒及其特性,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,19,第一章 固体颗粒及其特性,重力沉降室/降尘室 流道突然扩大，流速降低，气体携带能力下降，气流中的颗粒沉降下来 因此，尺寸越大，分离能力越强 优点 结构简单，造价低 阻力低50-150Pa 运行可靠 气量大，且适合高温使用 缺点 分离效率低，只适于大颗粒的分离 尺寸大重力沉降室示意图,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,20,第一章 固体颗粒及其特性,假设：颗粒水平分速度与气体流速 u 相同； 停留时间 ＝L / u 沉降时间t ＝H / ut 颗粒分离条件：L /u ≥ H / ut；H Lut /u,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,21,第一章 固体颗粒及其特性,1、降尘室,颗粒大小不同，沉降速度不同设某粒子在θ内沉降高度是 h,且若h H，则其分离效率为,再设沉降位于层流区，则：,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,22,第一章 固体颗粒及其特性,1、降尘室,再设降尘室处理量为Q，则：,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,23,第一章 固体颗粒及其特性,按照100%的分离效率，求出可分离的最小粒径：,dmin也称临界粒径(critical diameter)； 临界沉降速度utc：,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,24,第一章 固体颗粒及其特性,可见： 当气速u一定时，H越小，dmin越小，效率越高。
常做成扁平型，或采用多层沉降室的结构 气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把尘粒重新卷起一般u不超过3m/s 一定粒径的颗粒，生产能力Q只与底面积BL和 utc有关，而与H无关2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,25,第一章 固体颗粒及其特性,当用隔板分为N层，则每层高度为H/N若速度u不变，则：,沉降高度为原来的1/N倍；utc降为原来的1/N倍(utc=Q/ BL) ； 临界粒径为原来的 1/N0.5 倍； 一般可分离20μm以上的颗粒；但排尘不方便2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,26,第一章 固体颗粒及其特性,降尘室计算举例,例： 拟用降尘室回收常压炉气中的固体颗粒，降尘室长5m，宽和高均为2m，炉气量为4m3/s操作条件下气体密度为0.75kg/m3，粘度2.6×10-5Pa·s，固体颗粒为球形，密度 3000kg/m3 求： (1)理论上能完全捕集下来的最小粒径； (2)粒径为40μm颗粒的回收百分率； (3)若完全回收15μm的尘粒，对降尘室应如何改进?,解： 与最小粒径或临界粒径对应的临界沉降速度：,假设流型并校核，有：,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,27,第一章 固体颗粒及其特性,降尘室计算举例,(2)直径为40μm的颗粒必在层流区沉降，其沉降速度ut′：,故理论上直径40μm颗粒的沉降高度H′ H′ =u′tθ =0.1×( L / ut ) = 0.5m,设降尘室入口炉气均布，在降尘室入口端处于顶部及其附近的d=40μm的尘粒，它们随气体到达出口时还没有沉到底，而入口端处于距室底0.5m以下的尘粒均能除去，所以除尘效率： η=H′/H=0.5/2=25%,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,28,第一章 固体颗粒及其特性,降尘室计算举例,(3)要完全回收15μm的颗粒，可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室。
隔板层数n及板间距h的计算为：,圆整取 n =28，则隔板间距： h=H/(n+1)=2/29=0.069m 故理论上在原降尘室内设28层隔板可全部回收15μm的颗粒加长L或增加宽度B，是否可行？,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,29,第一章 固体颗粒及其特性,降尘室计算举例,(3)要完全回收15μm的颗粒，可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室隔板层数n及板间距h的计算为：,圆整取 n =28，则隔板间距： h=H/(n+1)=2/29=0.069m 故理论上在原降尘室内设28层隔板可全部回收15μm的颗粒加长L或增加宽度B，是否可行？,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,30,第一章 固体颗粒及其特性,降尘室计算举例,降尘室的设计计算,(1) 计算ut：,(2) 确定底面积及B，L：,(3) 确定沉降高度H ：,已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相物性参数设计计算步骤：,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,31,第一章 固体颗粒及其特性,降尘室计算举例,说明： 沉降速度ut应按需要分离下来的最小颗粒计算； 气流速度u不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起。
降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，效率低，通常仅适用于直径大于50-100μm的颗粒，作预除尘 多层降尘室虽能分离50μm以下的颗粒，并节省地面，但存在诸多问题例题中在 2m 高度上加 28 层不可行，安装，支撑，找平等 另外，排灰也不可能 而在沉降器内加设一些立式角钢等，形成惯性分离，是提高分离效率的好方法2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,32,第一章 固体颗粒及其特性,降尘室计算举例,2019年7月23日8时15分,第一篇 气固分离概述,33,第一章 固体颗粒及其特性,降尘室计算举例,2019年7月23日8时15。