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1、第三章颗粒沉降第三章颗粒沉降 沉降:悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力 产生定向运动,从而实现与流体相分离,或者使颗 粒相增稠、流体相澄清的一类操作。 按外场力的不同,可分为重力沉降、离心沉降和电沉降。 一固体颗粒在流体中的沉降运动一固体颗粒在流体中的沉降运动 1颗粒沉降运动中的受力1颗粒沉降运动中的受力 d,d,s s的球形颗粒的球形颗粒 第四章颗粒沉降第四章颗粒沉降 浮力浮力 Fb 曳力曳力 FD 场力场力 Fc 颗粒在流体中沉降时受力 (2) 浮力(2) 浮力 重力场重力场 gd 3 6 离心力场离心力场 r u d t 2 3 6 (3) 曳力(3) 曳力 颗粒与流体的相对运动颗粒
2、与流体的相对运动 (1) 场力(1) 场力 重力重力 gd s 3 6 离心力离心力 r u dad t srs 2 33 66 = 曳力的大小曳力的大小相对运动速度相对运动速度 流体流体固体作用力固体作用力沉降与绕流并无本质区别,沉降与绕流并无本质区别, 2 u 22 24 ud 2沉降速度与曳力系数2沉降速度与曳力系数 (1)重力沉降速度u(1)重力沉降速度u0 0 重力-浮力-曳力=颗粒质量加速度重力-浮力-曳力=颗粒质量加速度 gd s 3 6 gd 3 6 22 24 uddu m dt = 浮力浮力Fb 曳力曳力FD 重力重力 Fc 颗粒在流体中沉降时受力 浮力浮力 Fb 曳力曳力
3、 FD 重力重力 Fc 颗粒在流体中沉降时受力 重、浮一定,u重、浮一定,u ,曳力,曳力 ,加速度,加速度 gd s 3 6 gd 3 6 22 0 24 t ud = ()4 3 s t dg u = (加速段极短,通常可以忽略) 加速度=0时,等速段的颗粒运动速度称 为 (加速段极短,通常可以忽略) 加速度=0时,等速段的颗粒运动速度称 为沉降速度,沉降速度,用用u ut t表示。表示。 gd s 3 6 gd 3 6 22 24 uddu m dt = rr Fma=离心力 brp Fm a=浮力 2 2 t DD u FA =曳力 ? 离心加速度a离心加速度ar r=2 2r=r=u
4、 ut2 t2/r /r不是常量不是常量 ? 沉降过程没有匀速段,但在小颗 粒沉降时,加速度很小,可近似作为 匀速沉降处理 沉降过程没有匀速段,但在小颗 粒沉降时,加速度很小,可近似作为 匀速沉降处理 (2)离心沉降速度(2)离心沉降速度 () r ud u ts r 3 4 2 = 颗粒实际运动速度在径向上的分量;颗粒实际运动速度在径向上的分量; 方向:由圆心指向外;方向:由圆心指向外; 轨迹:逐渐扩大的螺旋线。轨迹:逐渐扩大的螺旋线。 ()4 3 s t dg u = (3)公式成立假定条件(3)公式成立假定条件 颗粒为球形;颗粒为球形; 颗粒沉降时彼此相距较远,互不干扰颗粒沉降时彼此相距
5、较远,互不干扰 容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响 (4)曳力系数(4)曳力系数 因次分析因次分析(Re ) p f=Re t p du = 曳力系数曳力系数Rep关系图关系图 层流区(Stokes区)层流区(Stokes区)Re0.3 p 22 10105 5 阻力系数骤然下降阻力系数骤然下降 层流边界层层流边界层湍流边界层湍流边界层 5 Re(310) 10 p = 近似取近似取 =0.1=0.1 (5)沉降公式使用方法(5)沉降公式使用方法 事前能够确认流动区域,直接用对应公式 事前能够确
6、认流动区域,直接用对应公式 流动区域不能确定,采用试差法 流动区域不能确定,采用试差法 假定流动处于层流区,假定流动处于层流区, StokesStokesu ut tReRep p ( ?2 ),yes( ?2 ),yes结束结束 no no 换用相应区域公式换用相应区域公式u ut tReRep p 判断,修正判断,修正 离心力场中的u 离心力场中的ut t,将g替换为a,将g替换为ar r 例:例:试计算直径为95m,密度为3000kg/m3的固体颗粒分别 在20的空气和水中的自由沉降速度。 解:1)在20水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在层流区内沉降 , () 18 2 gd u
7、s t = 附录查得,20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s ()() 2 6 0 3 95 103000998.29.81 18 1.005 10 u = sm/10797. 9 3 = 核算流型 0 Re p du = 3 36 10005. 1 2 .99810797 . 9 1095 =9244. 0= 2 原假设层流区正确,求得的沉降速度有效。 2) 20的空气中的沉降速度 (作业 1 )(作业 1 ) 二重力沉降分离设备二重力沉降分离设备 1降尘室1降尘室(气固体系)(气固体系) 气体气体 气体 进口 气体 进口 出口出口 集灰斗集灰斗 降尘室降尘室 L
8、 B 气体气体 u H ut 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 = = 停留时间停留时间 = = t 沉降时间沉降时间 t 若 u L t u H 则表明,该颗粒能在降尘室中 除去。 则表明,该颗粒能在降尘室中 除去。 思考1:思考1: 为什么气体进入降尘室后,流 通截面积要扩大? 为什么气体进入降尘室后,流 通截面积要扩大? 思考2:思考2:为什么降尘室要做成扁平的?为什么降尘室要做成扁平的? 1降尘室1降尘室 (1)工作原理(1)工作原理(动画)(动画) 气体入室气体入室减速减速 颗粒的沉降运动&随气体运动颗粒的沉降运动&随气体运动 沉降运动时间气体停留时间沉降运动时间气体停留时间
9、分离分离 说明说明 d d ,容易除去,容易除去 气量V气量V ,容易除去,容易除去 (2)能(100%)被除去的最小颗粒直径(2)能(100%)被除去的最小颗粒直径 100%去除100%去除室顶到室底室顶到室底 所需沉降时间=H/u所需沉降时间=H/ut t 在室内停留时间=L/u在室内停留时间=L/u 分离满足的条件:分离满足的条件: t HL uu 分离所需最小沉降速度分离所需最小沉降速度 0 s t VHuHBu u LLBA = 最低沉降速度最低沉降速度能被分离的最小颗粒直径能被分离的最小颗粒直径 () 2 min 0 18 s s t gdV u A = () 0 min 18 A
10、 V g d s s = L B 气体气体u H u0 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 说明说明 dmin颗粒、气体性质,气体处理量,底面积颗粒、气体性质,气体处理量,底面积 考虑是考虑是dmin,一般认为处在层流区,一般认为处在层流区 (3)最大处理量)最大处理量 0st VA u () 0 min 18 A V g d s s = L u B 气体气体 ut H 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 思考思考 2:为什么降尘室要做成扁平的?为什么降尘室要做成扁平的? 能够满足 100%除去某粒度颗粒时的气体处理量-生产能力 可见:降尘室生产能力与底面积、沉降速度有关,而与降尘
11、室高度无关 多层降尘室多层降尘室 注意:降尘室内气体流速不应过高,以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根 据经验,多数灰尘的分离,可取 u3m/s,较易扬起灰尘的,可取 u1.5m/s。 0st VA u 结构简单,结构简单, 但设备庞大、效率低,但设备庞大、效率低, 只适用于分离粗颗粒只适用于分离粗颗粒-直径直径 75 m 以上的颗粒,以上的颗粒, 或作为预分离设备。或作为预分离设备。 降尘室降尘室 三离心沉降设备三离心沉降设备 重力沉降的不足与离心沉降的优势重力沉降的不足与离心沉降的优势 设备体积小而分离效率高设备体积小而分离效率高 1旋风分离器1旋风分离器 (1)构造与工作原理(1)构造与工
12、作原理(动画)(动画) 圆筒、圆锥、矩形切线入口圆筒、圆锥、矩形切线入口 气流气流获得旋转 向下锥口 向上,气芯 顶部中央排气口 获得旋转 向下锥口 向上,气芯 顶部中央排气口 B 净化气体 含尘 气体 净化气体 含尘 气体 A D 尘粒尘粒 标准型旋风分离器 颗粒颗粒器壁滑落器壁滑落 停留时间停留时间 = 沉降时间沉降时间 r 几点假设:几点假设: a假设气体速度恒定,且等于进口气速ua假设气体速度恒定,且等于进口气速ui i; b假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大 厚度等于进气口宽度B; c假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。 ; b假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大 厚度等于进气口宽度B;
13、 c假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。 ?临界粒径: 能够从分离器内100%分离出来的最小 颗粒的直径,用d 临界粒径: 能够从分离器内100%分离出来的最小 颗粒的直径,用dc c表示。其满足:表示。其满足: B 净化气体净化气体 含尘含尘 气体气体 A D 尘粒尘粒 标准型旋风分离器 (2)分离性能估计(2)分离性能估计 m is r r ud u 18 22 =颗粒沉降速度颗粒沉降速度 假设(2)沉降时间假设(2)沉降时间 22 18 is m r ud Br u B = Nrm 气芯前圈数=N气芯前圈数=N 运行距离运行距离2= 有效停留时间有效停留时间 某一粒径能(100%)被分离出的条
14、件某一粒径能(100%)被分离出的条件 其穿越B所需时间 停留时间其穿越B所需时间 停留时间 i m is m r u Nr ud Br u B 218 22 = c si d Nu B d= 9 B 净化气体净化气体 含尘含尘 气体气体 A D 尘粒尘粒 标准型旋风分离器 2/ mi r N u= (3)旋风分离器的性能(3)旋风分离器的性能 旋风分离器性能的主要操作参数为旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量, 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。 气体处理量, 分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。 气体处理量气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定,入口气体流 量是旋风分离器
15、最主要的操作参数。一般入口气速 旋风分离器的处理量由入口的气速决定,入口气体流 量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速u ui i 在1525m/s。在1525m/s。旋风分离器的处理量旋风分离器的处理量 hBuV i = 分离效率分离效率 分离效率分离效率 总效率总效率o o 进入旋风分离器的全部粉尘中被分 离下来的粉尘的质量分率 进入旋风分离器的全部粉尘中被分 离下来的粉尘的质量分率 %100 1 21 0 = C CC 粒级效率粒级效率pi pi 进入旋风分离器的粒径为进入旋风分离器的粒径为d di i的颗 粒被分离下来的质量分率 的颗 粒被分离下来的质量分率 %100 1 21
16、= i ii pi C CC 粒级效率粒级效率pi pi与颗粒直径 与颗粒直径d di i的对应关系可通过实测得到 ,称为 的对应关系可通过实测得到 ,称为粒级效率曲线粒级效率曲线。 如 图 , 临 界 粒 径 约为 10 如 图 , 临 界 粒 径 约为 10mm。理论上,凡直径 大于10 。理论上,凡直径 大于10mm的颗粒,其粒 级效率都应为100%而小 于10 的颗粒,其粒 级效率都应为100%而小 于10mm的颗粒,粒级效 率都应为零,图中折线 obcd。 的颗粒,粒级效 率都应为零,图中折线 obcd。 实测的粒级效率曲线,直径小于10m的颗粒,也有可 观的分离效果,而直径大于d
17、实测的粒级效率曲线,直径小于10m的颗粒,也有可 观的分离效果,而直径大于dc c的颗粒,还有部分未分离下来的颗粒,还有部分未分离下来 直径小于d直径小于dc c的颗粒中:的颗粒中: 有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面,在停留时间内 能够达到壁面上;有些在器内聚结成了大的颗粒,因而具有 较大的沉降速度; 有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面,在停留时间内 能够达到壁面上;有些在器内聚结成了大的颗粒,因而具有 较大的沉降速度; 直径大于d直径大于dc c的颗粒:的颗粒: 气体涡流的影响,可能没达到器壁。即使沉到器壁也会 被重新扬起; 气体涡流的影响,可能没达到器壁。即使沉到器壁也会 被重新扬起;
18、压强降压强降 气体通过旋风分离器时,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以及气体 旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降, 气体通过旋风分离器时,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以及气体 旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降, 2 2 ic u p = 对型式不同或尺寸比例不同的设备对型式不同或尺寸比例不同的设备c c的值也不同,要 通过实验测定,对于标准旋风分离器 的值也不同,要 通过实验测定,对于标准旋风分离器c c=8.0。=8.0。 旋风分离器的压降一般在3002000Pa内。旋风分离器的压降一般在3002000Pa
19、内。 2、旋风分离器的选型与计算2、旋风分离器的选型与计算 (1)旋风分离器的型式(1)旋风分离器的型式 旋风分离器的形式多种多样,主要是在对标准型式 的旋风分离器的改进设计出来的。 旋风分离器的形式多种多样,主要是在对标准型式 的旋风分离器的改进设计出来的。 进气口 :进气口 : 为了保证高速气流进入旋风分离起时形成 较规则的旋转流,减少局部涡流与死角,设计了 为了保证高速气流进入旋风分离起时形成 较规则的旋转流,减少局部涡流与死角,设计了倾斜螺 旋进口,螺壳形进口、轴向进口 倾斜螺 旋进口,螺壳形进口、轴向进口等。等。 主体结构与各部分尺寸比例的优化主体结构与各部分尺寸比例的优化: 根据流
20、场与颗粒流动规律设计旋风分离器的结构。 : 根据流场与颗粒流动规律设计旋风分离器的结构。 目前,我国已定型了旋风分离器,制定了标准流型系列,目前,我国已定型了旋风分离器,制定了标准流型系列, 如如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/BCLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及以及扩散式旋风分离器扩散式旋风分离器。 (2)旋风分离器的设计计算(2)旋风分离器的设计计算 例如,已知气体流量例如,已知气体流量V VS S(m(m3 3/s)/s)、原始含尘量、原始含尘量C C1 1(g/m(g/m3 3) )、粉 尘的粒度分布,除尘要求及气体通过旋风分离器允许的压强 降,要求选择旋风分离器的
21、形式,确定旋风分离器的直径和 个数。 、粉 尘的粒度分布,除尘要求及气体通过旋风分离器允许的压强 降,要求选择旋风分离器的形式,确定旋风分离器的直径和 个数。 步骤:步骤: a) a) 根据具体情况选择合适的型式根据具体情况选择合适的型式,选型时应在高效 率与低阻力者之间作权衡,一般长、径比大且出入口截面小 的设备效率高且阻力大,反之,阻力小效率低。 ,选型时应在高效 率与低阻力者之间作权衡,一般长、径比大且出入口截面小 的设备效率高且阻力大,反之,阻力小效率低。 b) 根据允许的压降b) 根据允许的压降确定气体在入口的流速确定气体在入口的流速u ui i c) 根据分离效率或除尘要求,c) 根据分离效率或除尘要求,求出临界粒径求出临界粒径d dC C d) 根据d) 根据u ui i和和d dc c计算旋风分离器的直径D计算旋风分离器的直径D e) 根据e) 根据u ui i与与D D计算旋风分离器的处理量计算旋风分离器的处理量,再根据气体 流量 ,再根据气体 流量确定旋风分离器的数目。确定旋风分离器的数目。 f) f) 校核分离效率与压力降校核分离效率与压力降 作业作业 2: 教材教材 P168, 5-5
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