1第一篇气固分离设备

2019年10月3日12时37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10月3日12时37分第一篇气固分离概述2第一章固体颗粒及其特性流体绕圆球颗粒的流动uFd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10月3日12时37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22duFApudfRefρ——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10月3日12时37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（10-4Re1）24ξ=Re过渡区或艾仑区（1Re103）湍流区或牛顿区（103Re105）0.618.5ξ=Re0.44ξ=2019年10月3日12时37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＝ma浮力Fb=ρgVp曳力Fd=ξAρu2/2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。0dbFFFF2019年10月3日12时37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：maFFFbdg合外力沉降的两个阶段：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。u重力Fg阻力Fd浮力Fb2019年10月3日12时37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u重力Fg阻力Fd浮力FbgbddduFFFmtp2pppd3()gd4uutd根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:22pd42duFgdFppg36gdFpb36p—颗粒密度2019年10月3日12时37分第一篇气固分离概述8第一章固体颗粒及其特性ppt4g3duξ是阻力系数，是颗粒对流体作相对运动的雷诺数Re的函数p()()tdufRefu重力Fg阻力Fd浮力Fbp2pppd3()gd4uutd当du/dt=0时，令u=ut，可得ut计算式2019年10月3日12时37分第一篇气固分离概述9第一章固体颗粒及其特性Re=ρudp/μ流体绕圆球的流动uFd2019年10月3日12时37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（10-4Re1）24ξ=Re过渡区或艾仑区（1Re103）湍流区或牛顿区（103Re105）0.618.5ξ=Re0.44ξ=2019年10月3日12时37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2ps()g18tdu过渡区ps0.6t()g0.27Retdu湍流区ps()g1.74tdu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10月3日12时37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：①假设流体流动类型；②计算沉降速度ut；③计算Re，验证与假设是否相符；④如果不相符，则转①。如果相符，OK!2019年10月3日12时37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。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，Re=ρutdp/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10月3日12时37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。2pst()g18du校核流型：Re=ρutdp/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。33p181.005109.81095m3000998.29.81dtps18()gud2019年10月3日12时37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)2pPd()g18=tu(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10月3日12时37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)2pPd()g18=tu(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(d0.5m)，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(walleffect)：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10月3日12时37分第一篇气固分离概述17第一章固体颗粒及其特性22ptd42duF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10月3日12时37分第一篇气固分离概述18第一章固体颗粒及其特性2019年10月3日12时37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10月3日12时37分第一篇气固分离概述20第一章固体颗粒及其特性LHb净化气体含尘气体uut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；HLut/u2019年10月3日12时37分第一篇气固分离概述21第一章固体颗粒及其特性1、降尘室气体气体进口出口集灰斗降尘室LB气体uHut颗粒在降尘室中的运动颗粒大小不同，沉降速度不同。设某粒子在θ内沉降高度是htuhttduuLhHHuH且若hH，则其分离效率为再设沉降位于层流区，则：2psdg18dLHu2019年10月3日12时37分第一篇气固分离概述22第一章固体颗粒及其特性1、降尘室气体气体进口出口集灰斗降尘室LB气体uHut颗粒在降尘室中的运动再设降尘室处理量为Q，则：2psdg18dLHuQ=uHBs2dpg18LBdQ2dpKd2019年10月3日12时37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：mins18gQdBL气体气体进口出口集灰斗降尘室LB气体uHut颗粒在降尘室中的运动dmin也称临界粒径(criticaldiameter)；临界沉降速度utc：tcQuBLmins18guHdL2019年10月3日12时37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。mins18gQdBLmins18guHdL2019年10月3日12时37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。多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体2019年10月3日12时37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?LBQHBQLHLHuut解：与最小粒径或临界粒径对应的临界沉降速度：smut/4.05245tpp18182.6100.480m()g(30000.75)9.8ud假设流型并校核，有：2019年10月3日12时37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2pp't()g0.1m/s18du(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10月3日12时37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，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。26ppt5()g(1510)(30000.75)9.810.014m/s18182.6102dut427.3250.014QnBLu加长L或增