1、第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1 1第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性p 定義：定義：p沉降力場：重力、離心力。沉降力場：重力、離心力。 在某種力場的作用下，利用分散物質與分散介質的密度差異，在某種力場的作用下，利用分散物質與分散介質的密度差異，使之發生相對運動而分離的單元操作。使之發生相對運動而分離的單元操作。p 沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2 2第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性流體繞圓球顆粒的流動流體繞圓球顆粒的流動uFdFd與顆粒運動的方向相反。與顆粒運動的方向相反。 當流體相

2、對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止當流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產生作用力，這流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產生作用力，這種作用力通常稱為曳力或阻力。種作用力通常稱為曳力或阻力。只要顆粒與流體之間有相對只要顆粒與流體之間有相對運動，就會產生阻力。運動，就會產生阻力。對于一定的顆粒和流體，只對于一定的顆粒和流體，只要相對運動速度相同，流體對要相對運動速度相同，流體對顆粒的阻力就一樣。顆粒的阻力就一樣。一、顆粒運動時的阻力一、顆粒運動時的阻力第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述3 3第一章第一章 固體顆粒及其特性固

3、體顆粒及其特性阻力定義式：阻力定義式：一、顆粒運動時的阻力一、顆粒運動時的阻力22duFApudf Ref 流體密度；流體密度； 流體粘度；流體粘度； dp顆粒的當量直徑；顆粒的當量直徑； A 顆粒在運動方向上的投影面積；顆粒在運動方向上的投影面積； u 顆粒與流體相對運動速度。顆粒與流體相對運動速度。 阻力系數，是雷諾數阻力系數，是雷諾數Re的函數，由實驗確定。的函數，由實驗確定。第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述4 4第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性根據阻力隨顆粒雷諾數變化的規律，可分為三個區域：根據阻力隨顆粒雷諾數變化的規律，可分為三個區域：斯托克斯區（斯托克斯區（10

4、-4Re 1）24 =Re過渡區或艾侖區（過渡區或艾侖區（ 1 Re 103）湍流區或牛頓區（湍流區或牛頓區（ 103 Re 105）0.618.5 =Re0.44 =第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述5 5第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性一、顆粒在流體中的沉降過程一、顆粒在流體中的沉降過程顆粒與流體在力場中作相對運動時，受到三個力的作用：顆粒與流體在力場中作相對運動時，受到三個力的作用： 質量力質量力 F m a 浮浮 力力 Fb= g Vp 曳曳 力力 Fd = A u2 /2 對于一定的顆粒和流體，重力對于一定的顆粒和流體，重力Fg、浮力、浮力Fb一定，但曳力一定，但曳

5、力Fd卻隨顆粒運動速度而變化。卻隨顆粒運動速度而變化。當顆粒運動速度當顆粒運動速度u等于某一數值后達到勻速運動，這時顆粒等于某一數值后達到勻速運動，這時顆粒所受的諸力之和為零。所受的諸力之和為零。0dbFFFF第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述6 6第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性一、顆粒在流體中的沉降過程一、顆粒在流體中的沉降過程自由沉降：自由沉降：顆粒在重力作用下在無界流顆粒在重力作用下在無界流體中的沉降過程，稱為自由沉降體中的沉降過程，稱為自由沉降 。對單個球形顆粒的受力分析：對單個球形顆粒的受力分析：maFFFbdg合外力沉降的兩個階段：沉降的兩個階段：加速階段和等速

6、階段加速階段和等速階段;加速段時間很短，整個過程可以忽略；加速段時間很短，整個過程可以忽略；等速階段，顆粒相對流體的速度稱為沉降速度；等速階段，顆粒相對流體的速度稱為沉降速度；用用ut表示，也稱終端沉降速度。表示，也稱終端沉降速度。u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述7 7第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性一、顆粒在流體中的沉降過程一、顆粒在流體中的沉降過程u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 FbgbddduFFFmtp2pppd3()gd4uutd根據牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運動基本方程式應為根據牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運

7、動基本方程式應為:22pd42duFgdFppg36gdFpb36 p 顆粒密度顆粒密度第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述8 8第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性ppt4g3du是阻力系數，是顆粒對流體作相對運動的雷諾數是阻力系數，是顆粒對流體作相對運動的雷諾數Re的函數的函數p()()td uf Refu重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fbp2pppd3()gd4uutd當當du/dt =0時，令時，令u= ut，可得可得ut計算式計算式第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述9 9第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性Re= u dp / 流體繞圓球的流動流體繞

8、圓球的流動uFd第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1010第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性根據阻力隨顆粒雷諾數變化的規律，可分為三個區域：根據阻力隨顆粒雷諾數變化的規律，可分為三個區域：斯托克斯區（斯托克斯區（10-4Re 1）24 =Re過渡區或艾侖區（過渡區或艾侖區（ 1 Re 103）湍流區或牛頓區（湍流區或牛頓區（ 103 Re 105）0.618.5 =Re0.44 =第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1111第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性層流區層流區2ps()g18tdu過渡區過渡區ps0.6t()g0.27Retdu湍流區湍流區ps()g1.

9、74tdu將不同流動區域的阻力系數分別代入上式，得將不同流動區域的阻力系數分別代入上式，得球形顆粒在球形顆粒在各區相各區相應的沉降速度分別為：應的沉降速度分別為： ：第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1212第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性求沉降速度通常采用試差法。求沉降速度通常采用試差法。沉降速度的求法：沉降速度的求法：假設流體流動類型；假設流體流動類型；計算沉降速度計算沉降速度 ut ；計算計算Re，驗證與假設是否相符；驗證與假設是否相符；如果不相符，則轉。如果相符，如果不相符，則轉。如果相符，OK !第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1313第一章第一章 固體顆粒及

10、其特性固體顆粒及其特性 一直徑為一直徑為1mm、密度為、密度為2500kg/m3的玻璃球在的玻璃球在20的水中沉降，的水中沉降，試求其終端沉降速度試求其終端沉降速度 ut 。smgduPpt/145. 0)10005. 1 (2 .9982 .9982500001. 081. 9153. 0153. 04 . 1/16 . 034 . 06 . 14 . 1/16 . 04 . 06 . 1校核流型，校核流型，Re= ut dp / =998.20.14510-3/(1.00510-3) =144解：假設其流型屬過渡區，故有：解：假設其流型屬過渡區，故有：故屬于過渡區，與假設相符。故屬于過渡區

11、，與假設相符。反之，當已知沉降速度，求顆粒直徑時，也需要試差計算。反之，當已知沉降速度，求顆粒直徑時，也需要試差計算。第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1414第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性 已知一密度為已知一密度為3000kg/m3的球形顆粒在的球形顆粒在20的的水中的終端水中的終端沉降沉降速度速度 ut =9.810-3m/s，試確定其粒徑。，試確定其粒徑。2pst()g18du校核流型：校核流型：Re= ut dp / =998.29.810-39510-6/(1.00510-3) =0.92解：假設其流型解：假設其流型屬層流區屬層流區，故有：，故有：故故屬于層流區屬

12、于層流區，與假設相符。，與假設相符。33p18 1.005 109.8 1095 m3000998.29.81dtps18()gud第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1515第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素( (以層流區為例以層流區為例) )2pPd ()g18=tu(1) 顆粒直徑顆粒直徑dp啤酒生產，采用絮狀酵母，啤酒生產，采用絮狀酵母，dput，使啤酒易于分離和澄清。使啤酒易于分離和澄清。均質乳化，均質乳化， dput，使飲料不易分層。使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。加絮凝劑，如水中加明礬。(2) 連續相的粘度連續相的粘度 加

13、酶：清飲料中添加果膠酶，使加酶：清飲料中添加果膠酶，使 ut，易于分離。易于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使增稠：濃飲料中添加增稠劑，使 ut，不易分層。不易分層。加熱：原油脫鹽脫水中的加熱。加熱：原油脫鹽脫水中的加熱。(3) 兩相密度差兩相密度差( p- )：第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1616第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素( (以層流區為例以層流區為例) )2pPd ()g18=tu(4) 顆粒形狀顆粒形狀球形度球形度 s越小，越小， 越大，但在層流區不明顯。越大，但在層流區不明顯。ut非球非球ut球球 。對于細微顆粒對于細微

14、顆粒(d0.5 m)，應考慮分子熱運動的影響，不能應考慮分子熱運動的影響，不能用沉降公式計算用沉降公式計算ut；Cunningham修正系數。修正系數。沉降公式可用于沉降和上浮等情況。沉降公式可用于沉降和上浮等情況。(5) 邊壁效應邊壁效應 (wall effect) ：當顆粒靠近器壁沉降時，由于器壁：當顆粒靠近器壁沉降時，由于器壁的影響，沉降速度變慢小，這種影響稱為壁效應。的影響，沉降速度變慢小，這種影響稱為壁效應。(6)干擾沉降：當顆粒體積濃度小于干擾沉降：當顆粒體積濃度小于0.2%時，偏差在時，偏差在1%以內，當以內，當顆粒濃度較高時便發生干擾沉降。由于干擾作用，大顆粒的實際顆粒濃度較高

15、時便發生干擾沉降。由于干擾作用，大顆粒的實際沉降速度小于自由沉降速度；小顆粒的沉降速度增大。沉降速度小于自由沉降速度；小顆粒的沉降速度增大。第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1717第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性22ptd42duF層流區，層流區，Fd與與ut 的的1次方成正比。次方成正比。過渡區，過渡區， Fd與與ut 的的1.4次方成正比。次方成正比。湍流區，湍流區，Fd與與ut的平方成正比。的平方成正比。機理為何？機理為何？第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1818第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述1919第一章第

16、一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性重力沉降室重力沉降室/ /降塵室降塵室 流道突然擴大，流速降低，氣體攜流道突然擴大，流速降低，氣體攜帶能力下降，氣流中的顆粒沉降下來。帶能力下降，氣流中的顆粒沉降下來。因此，尺寸越大，分離能力越強。因此，尺寸越大，分離能力越強。優點優點l結構簡單，造價低。結構簡單，造價低。l阻力低。阻力低。50-150Pa。l運行可靠。運行可靠。l氣量大，且適合高溫使用。氣量大，且適合高溫使用。缺點缺點l分離效率低，只適于大顆粒的分離。分離效率低，只適于大顆粒的分離。l尺寸大。尺寸大。重力沉降室示意圖重力沉降室示意圖第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2020第一章第一

17、章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性LHb凈化氣體凈化氣體含塵氣體含塵氣體uut假設：顆粒水平分速度與氣體流速假設：顆粒水平分速度與氣體流速 u 相同；相同；停留時間停留時間 L / u沉降時間沉降時間 t H / ut顆粒分離條件：顆粒分離條件：L /u H / ut；H Lut /u第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2121第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性1、降塵室、降塵室氣氣體體 氣氣體體進進口口 出出口口 集集灰灰斗斗 降降塵塵室室 L B 氣體氣體 u H ut 顆粒在降塵室中的運動顆粒在降塵室中的運動 顆粒大小不同，沉降速度不同。顆粒大小不同，沉降速度不同。設某粒

18、子在設某粒子在內內沉降高度是沉降高度是 htuh ttduu LhHHuH且若且若h H，則其分離效率為，則其分離效率為再設沉降位于層流區，則：再設沉降位于層流區，則：2psdg18dLHu第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2222第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性1、降塵室、降塵室氣氣體體 氣氣體體進進口口 出出口口 集集灰灰斗斗 降降塵塵室室 L B 氣體氣體 u H ut 顆粒在降塵室中的運動顆粒在降塵室中的運動 再設降塵室處理量為再設降塵室處理量為Q，則：，則：2psdg18dLHuQ= uHBs2dpg18LBdQ2dp Kd第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述23

19、23第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性按照按照100%的分離效率，的分離效率，求求出可分離的最小粒徑：出可分離的最小粒徑：mins18gQdBL氣氣體體 氣氣體體進進口口 出出口口 集集灰灰斗斗 降降塵塵室室 L B 氣體氣體 u H ut 顆粒在降塵室中的運動顆粒在降塵室中的運動 dmin也稱臨界也稱臨界粒徑粒徑(critical diameter)；臨界沉降速度臨界沉降速度utc：tcQuBLmins18guHdL第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2424第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性可見：可見：l當氣速當氣速u一定時，一定時，H越小，越小，dmin越小，效

20、率越高。越小，效率越高。l常做成扁平型，或采用多層沉降室的結構。常做成扁平型，或采用多層沉降室的結構。l氣速氣速u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把塵粒重新不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把塵粒重新卷起。一般卷起。一般u不超過不超過3m/s。l一定粒徑的顆粒，生產能力一定粒徑的顆粒，生產能力Q只與底面積只與底面積BL和和 utc有關，有關，而與而與H無關。無關。mins18gQdBLmins18guHdL第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2525第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性 當用隔板分為當用隔板分為N層，則每層高度為層，則每層高度為H/N。若速度若速度u不變，則：不變，則：沉

21、降高度為原來的沉降高度為原來的1/N倍；倍；utc降為原來的降為原來的1/N倍倍(utc=Q/ BL) ；臨界粒徑為原來的臨界粒徑為原來的 1/N0.5 倍；倍；一般可分離一般可分離20m以上的顆粒；但排塵不方便。以上的顆粒；但排塵不方便。多層隔板降塵室示意圖多層隔板降塵室示意圖 含塵氣體含塵氣體粉塵粉塵隔板隔板凈化氣體凈化氣體第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2626第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性降塵室計算舉例降塵室計算舉例例：例： 擬用擬用降塵室回收常壓爐氣降塵室回收常壓爐氣中的中的固體顆粒，降塵室長固體顆粒，降塵室長5m，寬和寬和高均為高均為2m，爐爐氣量氣量為為4m

22、3/s。操作條件下氣體密度為操作條件下氣體密度為0.75kg/m3，粘度粘度2.610-5Pas，固體顆粒為球形，密度，固體顆粒為球形，密度 3000kg/m3。求：求： (1)理論上能完全捕集下來的最小粒徑；理論上能完全捕集下來的最小粒徑； (2)粒徑為粒徑為40m顆粒的回收百分率；顆粒的回收百分率； (3)若完全若完全回收回收15m的塵粒，對降塵室的塵粒，對降塵室應如何改進應如何改進? LBQHBQLHLHuut解：解： 與最小粒徑或臨界粒徑對應的臨界沉降速度：與最小粒徑或臨界粒徑對應的臨界沉降速度：smut/4 . 05245tpp1818 2.6 100.480 m()g(30000.

23、75) 9.8ud假設流型并校核，有：假設流型并校核，有：第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2727第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性降塵室計算舉例降塵室計算舉例2ppt()g0.1m / s18du(2)直徑為直徑為40m的顆粒必在層流區沉降，其沉降速度的顆粒必在層流區沉降，其沉降速度ut：故理論上故理論上直徑直徑40m顆粒的沉降顆粒的沉降高度高度H H =ut =0.1( L / ut ) = 0.5m設降塵室入口爐氣均布，在降塵室入口端處于設降塵室入口爐氣均布，在降塵室入口端處于頂部及其附近頂部及其附近的的d=40m的塵粒的塵粒，它們，它們隨氣體到達出口時還沒有沉隨氣體到

24、達出口時還沒有沉到底，到底，而入口而入口端處于距室底端處于距室底0.5m以下以下的塵的塵粒均能除去，粒均能除去，所以除塵所以除塵效率效率： =H/H=0.5/2=25% 第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2828第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性降塵室計算舉例降塵室計算舉例(3)要完全回收要完全回收15m的顆粒，可在降塵室內設置水平隔板，的顆粒，可在降塵室內設置水平隔板，使之變為多層降塵室。隔板層數使之變為多層降塵室。隔板層數n及板間距及板間距h的計算為：的計算為：圓整取圓整取 n =28，則，則隔板隔板間距：間距： h=H/(n+1)=2/29=0.069m故故理論上理論上在

25、在原降塵室內原降塵室內設設28層層隔板可隔板可全部全部回收回收15m的顆粒的顆粒。 26ppt5()g(15 10 )(30000.75) 9.810.014 m/s1818 2.6 102dut427.32 5 0.014 QnBLu加長加長L或增加寬度或增加寬度B，是否可行？，是否可行？ 第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述2929第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性降塵室計算舉例降塵室計算舉例(3)要完全回收要完全回收15m的顆粒，可在降塵室內設置水平隔板，的顆粒，可在降塵室內設置水平隔板，使之變為多層降塵室。隔板層數使之變為多層降塵室。隔板層數n及板間距及板間距h的計算為：

26、的計算為：圓整取圓整取 n =28，則，則隔板隔板間距：間距： h=H/(n+1)=2/29=0.069m故故理論上理論上在在原降塵室內原降塵室內設設28層層隔板可隔板可全部全部回收回收15m的顆粒的顆粒。 26ppt5()g(15 10 )(30000.75) 9.810.014 m/s1818 2.6 102dut427.32 5 0.014 QnBLu加長加長L或增加寬度或增加寬度B，是否可行？，是否可行？ 第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述3030第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性降塵室計算舉例降塵室計算舉例降塵室的設計計算降塵室的設計計算(1) 計算計算ut：(2)

27、確定底面積及確定底面積及B，L：(3) 確定沉降高度確定沉降高度H ：已知含塵氣體的流量，粉塵的排放標準，氣固兩相物性參數。已知含塵氣體的流量，粉塵的排放標準，氣固兩相物性參數。設計計算步驟：設計計算步驟：2ppt()g18dutQBLutQBLutLHuutLuHu第一篇第一篇 氣固分離概述氣固分離概述3131第一章第一章 固體顆粒及其特性固體顆粒及其特性降塵室計算舉例降塵室計算舉例說明：說明：l沉降速度沉降速度ut應按需要分離下來的最小顆粒計算應按需要分離下來的最小顆粒計算；l氣流速度氣流速度u不應太高，以免干擾顆粒的沉降或把已經沉不應太高，以免干擾顆粒的沉降或把已經沉降下來的顆粒重新卷起降下來的顆粒重新卷起。l降塵室結構簡單，流動阻力小，但體積龐大降塵室結構簡單，流動阻力小，但體積龐大，效率，效率低，低，通常僅通常僅適用于直徑大于適用于直徑大于50-100m的顆粒的顆粒，作，作預預除塵除塵。l多層降塵室雖能多層降