5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化 5.1 概述概述5.2 颗粒的沉降运动颗粒的沉降运动5.3 沉降分离设备沉降分离设备5.4 固体流态化技术（略）固体流态化技术（略）5.5 气力输送（略）气力输送（略）化工原理化工原理15. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化1、本章学习的知识点、本章学习的知识点 重力沉降与离心沉降基本公式；降尘室、沉降槽、重力沉降与离心沉降基本公式；降尘室、沉降槽、旋风分离器的结构、工作原理及降尘室生产能力，旋风旋风分离器的结构、工作原理及降尘室生产能力，旋风分离临界直径的计算；颗粒分级概念；粒级效率的概念。分离临界直径的计算；颗粒分级概念；粒级效率的概念。2、本章学习的重、本章学习的重 点点 重力沉降与离心沉降基本公式；旋风分离器结构、工重力沉降与离心沉降基本公式；旋风分离器结构、工作原理。作原理。3、本章学习的、本章学习的难难 点点 颗粒分级概念；粒级效率的概念颗粒分级概念；粒级效率的概念 。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化2催化反应（流化床反应器）催化反应（流化床反应器）5.1 概述概述一、研究的内容一、研究的内容 流体流体固体两相物系间的相对运动规律。固体两相物系间的相对运动规律。二、涉及流固相对运动的化工过程二、涉及流固相对运动的化工过程 5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化1、两相物系的沉降分离、两相物系的沉降分离重力沉降：依靠重力重力沉降：依靠重力离心沉降：依靠离心力离心沉降：依靠离心力2、某些物理和化学过程、某些物理和化学过程固体物料的干燥固体物料的干燥粉状矿物的焙烧粉状矿物的焙烧3、固体颗粒的流动输送：气力输送。、固体颗粒的流动输送：气力输送。35.1 概述概述二、相对运动的特殊性二、相对运动的特殊性5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化相对运动包括相对运动包括颗粒静止、流体绕流颗粒静止、流体绕流流体静止，颗粒沉降流体静止，颗粒沉降两者都运动，并保持一定相对速度两者都运动，并保持一定相对速度 就流体对颗粒的作用力来说，只要相对速度相同，就流体对颗粒的作用力来说，只要相对速度相同，三者无本质区别。三者无本质区别。45.1 概述概述问题：自由落体运动考不考虑空气阻力？问题：自由落体运动考不考虑空气阻力？问题：为什么自由落体运动不考虑空气阻力，而颗粒沉问题：为什么自由落体运动不考虑空气阻力，而颗粒沉降等却偏偏对阻力感兴趣呢？降等却偏偏对阻力感兴趣呢？答：答：5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化55.2 颗粒的沉降运动颗粒的沉降运动5.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化65.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流一、两种曳力一、两种曳力(Drag)表面曳力和形体曳力表面曳力和形体曳力 回顾第回顾第1章流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：章流体沿固体壁面流过的阻力分为两类：表表面阻力（即表面摩擦阻力）和形体阻力（边界层分离产面阻力（即表面摩擦阻力）和形体阻力（边界层分离产生旋涡），绕流时颗粒受到流体的总曳力生旋涡），绕流时颗粒受到流体的总曳力 ，即：，即：=表面曳力表面曳力+形体曳力形体曳力 表面力表面力 表面相切表面相切剪力剪力 表面垂直表面垂直压力压力ppdA剪力剪力压力压力5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化75.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流流动方向上总表面力：流动方向上总表面力：由剪力由剪力产生的产生的由压力由压力产生的产生的形体形体曳力曳力表面表面曳力曳力颗粒所受颗粒所受的浮力的浮力5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化85.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流 流体对固体颗粒作绕流运动时，在流动方向上对颗流体对固体颗粒作绕流运动时，在流动方向上对颗粒施加一个总曳力，其数值等于表面曳力和形体曳力之粒施加一个总曳力，其数值等于表面曳力和形体曳力之和。和。注注：理想流体和无相对运动的流体，其：理想流体和无相对运动的流体，其总曳力总曳力FD=0，但，但是颗粒仍有浮力作用在其上。是颗粒仍有浮力作用在其上。说明：说明：1、 ，其问题较为复杂，难，其问题较为复杂，难以理论计算求出。以理论计算求出。2、几何形状对称的固体颗粒几何形状对称的固体颗粒：在：在流动垂直方向上的流动垂直方向上的FD=05. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化95.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流3、几何形状不对称的固体颗粒：在流动垂直方向上的、几何形状不对称的固体颗粒：在流动垂直方向上的FD不等于不等于0二、曳力系数二、曳力系数(Drag coefficient)对光滑圆球对光滑圆球析因分析：析因分析： ，与颗粒形状和定向无关。，与颗粒形状和定向无关。 5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化105.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流 与与 关系的实验测定结果见图关系的实验测定结果见图 。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化115.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流对于球形颗粒对于球形颗粒( )，层流区，斯托克斯，层流区，斯托克斯(Sokes)定律区定律区 ，也称，也称爬流区，其爬流区，其，阿仑，阿仑(Allen)区区 ，牛顿，牛顿(Newton)定律区定律区 ，注意注意： 定义与第定义与第1章不同，判别流型章不同，判别流型 值亦不同！值亦不同！5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化125.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流流体绕球形颗粒流动时的边界层分离流体绕球形颗粒流动时的边界层分离2、 ，边界开始脱体，形状曳，边界开始脱体，形状曳力的存在并不以边界层脱体为前力的存在并不以边界层脱体为前提。脱体点在提。脱体点在5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化135.2.1 流体对固体颗粒的绕流流体对固体颗粒的绕流问题：影响问题：影响FD为什么是用为什么是用Ap而不是而不是A？答：一旦发生脱体，表面曳力答：一旦发生脱体，表面曳力形体曳力，用形体曳力，用A不能使不能使5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化145.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降前提：前提：一、沉降的加速阶段：设初始速度等于一、沉降的加速阶段：设初始速度等于0。在沉降过程中颗粒的受力如下：在沉降过程中颗粒的受力如下：FD Fg Fb 1、体积力：重力场：、体积力：重力场： 离心力：离心力：其中：对于球形颗粒：其中：对于球形颗粒：2、浮力：重力场：、浮力：重力场： 离心力：离心力：3、曳力：、曳力：5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化155.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降根据牛顿第二定律：若在重力场中。根据牛顿第二定律：若在重力场中。若在离心力中，把重力场中公式中的若在离心力中，把重力场中公式中的g用用 代替即可。代替即可。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化165.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降二、沉降的等速阶段二、沉降的等速阶段 5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化球形颗粒：球形颗粒：即：即：式中：式中：175.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降将不同的将不同的 数值代入得：数值代入得：5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化，层流区，斯托克斯，层流区，斯托克斯(Sokes)定律区定律区 ，阿仑区，阿仑区 ，牛顿，牛顿(Newton )定律区定律区 ，与与u无关。无关。185.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降三、颗粒的沉降运动三、颗粒的沉降运动沉降的两个阶段：沉降的两个阶段：加速阶段、等速阶段加速阶段、等速阶段。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化 1、流体静止：小颗粒加速阶段可忽略，近似认为始、流体静止：小颗粒加速阶段可忽略，近似认为始终以终以ut下降。下降。 2、流体中水平运动：颗粒与流体相同的速度作水平、流体中水平运动：颗粒与流体相同的速度作水平运动，又以运动，又以ut垂直向下。（若不相同，则有一个加速度，垂直向下。（若不相同，则有一个加速度，小颗粒加速度很短，可忽略。）小颗粒加速度很短，可忽略。） 3、流体以一定的速度向上运动、流体以一定的速度向上运动颗粒绝对速度：颗粒绝对速度：195.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降四、沉降速度的计算与应用四、沉降速度的计算与应用1、计算、计算5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化解方程组，非线性，需试差求解解方程组，非线性，需试差求解方法方法：首先假定在斯托克斯定律区，取：首先假定在斯托克斯定律区，取 ，再校，再校验验Rep500；否则，就是阿仑区，取；否则，就是阿仑区，取205.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降例例5-1 颗粒大小测定。颗粒大小测定。解：设小珠沉降在斯托克斯定律区，得：解：设小珠沉降在斯托克斯定律区，得：5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化Rep2，所以计算有效，小珠的直径为，所以计算有效，小珠的直径为0.283mm。215.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降2、影响、影响ut的因素及应用的因素及应用 若在斯托克斯定律区：若在斯托克斯定律区：5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化问题问题：1、气体先冷后降尘，还是相反？、气体先冷后降尘，还是相反？2、液体先冷后降尘，还是相反？、液体先冷后降尘，还是相反？22(2)dp0.5m，沉降受液体分子热运动的影，沉降受液体分子热运动的影响（流体不连续），上述的讨论不成立响（流体不连续），上述的讨论不成立5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降五、其它对沉降速度的影响五、其它对沉降速度的影响1、干扰沉降、干扰沉降 ：相邻颗粒的运动改变了原来单个：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周围的流场，颗粒沉降相互干扰。浓度高时，颗粒周围的流场，颗粒沉降相互干扰。浓度高时， ut减少。减少。2、端效应：近壁或底部，、端效应：近壁或底部，FD增加，增加， ut减少。减少。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化3、分子运动：、分子运动：(1)dp约等于分子的平均自由程，颗粒可约等于分子的平均自由程，颗粒可穿过流体分子之间，穿过流体分子之间， ut增大。增大。235.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降静止流体中颗粒的自由沉降5、非球形：曳力系数比同体积球形颗粒为大，、非球形：曳力系数比同体积球形颗粒为大， ut减少。减少。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化4、液滴或汽、液滴或汽泡变形：泡变形：(1)分散相是液滴或汽泡时，在曳力作用下分散相是液滴或汽泡时，在曳力作用下变形，曳力增加变形，曳力增加(2)同时内部产生循环运动，降低了相对速同时内部产生循环运动，降低了相对速度，曳力减小。度，曳力减小。245.3 沉降分离设备沉降分离设备基础基础：颗粒在外力作用下产生沉降运动，具有两：颗粒在外力作用下产生沉降运动，具有两相相 为前提。悬浮颗粒的直径越大，两相的密为前提。悬浮颗粒的直径越大，两相的密度差越大，使用沉降分离方法的效果就越好。度差越大，使用沉降分离方法的效果就越好。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化 根据作用于颗粒上的外力不同，沉降分离设备根据作用于颗粒上的外力不同，沉降分离设备可分为可分为重力沉降和离心沉降重力沉降和离心沉降两大类。两大类。255.3 沉降分离设备沉降分离设备5.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备5.3.2 离心沉降分离设备离心沉降分离设备5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化265.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备一、降尘室一、降尘室1、过程分析：如右图所示、过程分析：如右图所示(1)降尘室：气体作水平流动降尘室：气体作水平流动(2)原理：分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备。原理：分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化27 室大室大：降尘室的容积一般较大，气体在其中：降尘室的容积一般较大，气体在其中的流速的流速1m/s。避免沉下的尘粒重新被扬起，往。避免沉下的尘粒重新被扬起，往往采用更低的气速。往采用更低的气速。 锥形出口锥形出口：为使气流均匀分布：为使气流均匀分布5.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化 分离条件分离条件：285.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备2、过程数学描述、过程数学描述 降尘室：底面积降尘室：底面积A=LB，高为高为H。 含尘气：在流动载面上均含尘气：在流动载面上均匀分布，匀分布，qv m3/s5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化停留时间停留时间 设能设能100%降下的最小粒径降下的最小粒径dpmin的颗粒的沉降速度为的颗粒的沉降速度为ut 沉降时间沉降时间 295.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备降尘条件（分离条件）：降尘条件（分离条件）：5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化 处理能力处理能力 ，与，与H无关，只取决于降尘室的无关，只取决于降尘室的底面积。因此，降尘室应设计成底面积。因此，降尘室应设计成扁平形状扁平形状，或在室内设，或在室内设置置多层水平隔板多层水平隔板。305.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备问题问题：同气速下，为什么装有横向隔板的降沉室除尘效：同气速下，为什么装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。果更好。 答：因为隔板间基本上保持了相同的流动速度，而答：因为隔板间基本上保持了相同的流动速度，而颗粒达到隔板通道底部的沉降距离更短。颗粒达到隔板通道底部的沉降距离更短。注注：为便于清灰，可将隔板装成可：为便于清灰，可将隔板装成可翻动或倾斜式翻动或倾斜式。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化 应根据要分离的最小颗粒直径应根据要分离的最小颗粒直径 决定。若沉降处决定。若沉降处于于Stokes定律区（层流区），则定律区（层流区），则315.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备讨论：讨论：(1)降尘室均匀设置降尘室均匀设置n块水平隔板时，其生产能力可提高到块水平隔板时，其生产能力可提高到原来的原来的(n+1)倍。倍。(2)温度温度T对降尘室生产能力的对降尘室生产能力的qv影响影响5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化降尘能力下降降尘能力下降325.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备3、过程计算、过程计算5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化(1)设计型：设计型：7个变量，个变量，5个已知量个已知量(2)操作型：操作型：335.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备习题习题p1685-4、解：、解：5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化设沉降在斯托克斯区设沉降在斯托克斯区345.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化所以假设成立。所以假设成立。355.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备习题习题6解：解：5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化设沉降在斯托克斯区设沉降在斯托克斯区所以，能否将所以，能否将A、B分开，取决于分开，取决于A最小颗粒的沉降速度，最小颗粒的沉降速度，是否大于是否大于B最大颗粒沉降速度。最大颗粒沉降速度。365.3.1 重力沉降分离设备重力沉降分离设备5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化375.3.2 离心沉降设备离心沉降设备问题：为什么要进行离心沉降？问题：为什么要进行离心沉降？答：细小颗粒，在斯托克斯区，答：细小颗粒，在斯托克斯区，5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化细小颗粒细小颗粒 或两相密度差或两相密度差 ，而，而 改变因工改变因工艺而异艺而异 如果离心沉降：如果离心沉降： 代替代替一、离心分离因数一、离心分离因数1、概念：同一颗粒所受的离心力和重力之比。、概念：同一颗粒所受的离心力和重力之比。385.3.2 离心沉降设备离心沉降设备2、分类：、分类： 气气-固非均相物系：旋风分离器固非均相物系：旋风分离器 液液-固非均相物系：沉降离心机固非均相物系：沉降离心机二、旋风分离器二、旋风分离器 旋风分离器是利用惯性离心力的旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出尘粒的设备。作用从气流中分离出尘粒的设备。1、结构、结构(1)圆筒部分：矩形进口（含尘气体进圆筒部分：矩形进口（含尘气体进口）、中央排气管（清净气体出口）、口）、中央排气管（清净气体出口）、圆筒。圆筒。(2)圆锥部分：集尘室圆锥部分：集尘室灰斗。灰斗。 5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化395.3.2 离心沉降设备离心沉降设备2、工作原理工作原理 含尘气体以较高的线速度切向进入器内，在外筒与排含尘气体以较高的线速度切向进入器内，在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底后以相气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底后以相同的旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上部排气管同的旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上部排气管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器壁方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。壁方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。3、用途、用途 适用于含颗粒浓度为适用于含颗粒浓度为0.01500g/m3、粒度不小于、粒度不小于5mm的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气-固流态化装固流态化装置的尾气处理。置的尾气处理。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化405.3.2 离心沉降设备离心沉降设备4、性能指标：有两个、性能指标：有两个分离效率和压降分离效率和压降(1)分离效率分离效率5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化总效率总效率 总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能。为总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能。为什么？什么？ 因为气体中颗粒大小不等，各种颗粒被除下的比例也因为气体中颗粒大小不等，各种颗粒被除下的比例也不相同。颗粒的尺寸越小，所受的离心力越小，沉降速不相同。颗粒的尺寸越小，所受的离心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。因此，总效率度也越小，所以能被除下的比例也越小。因此，总效率相同的两台旋风分离器其分离性能却可能相差很大，这相同的两台旋风分离器其分离性能却可能相差很大，这是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布的缘故。是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布的缘故。415.3.2 离心沉降设备离心沉降设备粒级效率粒级效率 5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化不同粒径的粒级分离效率不同，其典型的关系如图所示：不同粒径的粒级分离效率不同，其典型的关系如图所示： 425.3.2 离心沉降设备离心沉降设备5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化总效率与粒级效率的关系为：总效率与粒级效率的关系为：(2)压降压降 气体通过旋风分离器的压降应尽可能小，旋风分离气体通过旋风分离器的压降应尽可能小，旋风分离器的压降大小是评价其性能好坏的重要指标，不仅影响器的压降大小是评价其性能好坏的重要指标，不仅影响经常的动力消耗，也往往为工艺条件所限制。经常的动力消耗，也往往为工艺条件所限制。 4、气体在旋风分离器中的流动状况、气体在旋风分离器中的流动状况气体切向进入分离气体切向进入分离器后形成两个旋涡器后形成两个旋涡外旋涡外旋涡螺旋形旋转下螺旋形旋转下内旋涡内旋涡由锥底螺旋形旋转向上由锥底螺旋形旋转向上435.3.2 离心沉降设备离心沉降设备5、提高旋风分离器分离效率的途径、提高旋风分离器分离效率的途径 (1)外螺旋起主要作用，内螺旋把关（因为外旋涡造成外螺旋起主要作用，内螺旋把关（因为外旋涡造成的离心力将颗粒抛向器壁，内旋涡只能将细小颗粒向外的离心力将颗粒抛向器壁，内旋涡只能将细小颗粒向外抛出。）抛出。） (2)中央排气管应短（或延长圆锥部分长度）。中央排气管应短（或延长圆锥部分长度）。D小，小，H大。大。 (3)采用较大的进口气速，但从经济角度出发，入口速采用较大的进口气速，但从经济角度出发，入口速度不能太大，一般取为度不能太大，一般取为1525m/s (4)大灰斗，密封。（防止少量空气窜入器内将使分离大灰斗，密封。（防止少量空气窜入器内将使分离效率下降。）效率下降。）5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化445.3.2 离心沉降设备离心沉降设备 (5)扩散式旋风分离器扩散式旋风分离器宜用于净化宜用于净化颗粒浓度较高的气体。颗粒浓度较高的气体。 它结构是上小下大的外壳。它结构是上小下大的外壳。 为了抑制底部气流旋转上升将已沉为了抑制底部气流旋转上升将已沉下的部分颗粒重新卷起。下的部分颗粒重新卷起。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化锥形分锥形分割屏割屏455.3.2 离心沉降设备离心沉降设备(6)XLB/B型旋风分离器型旋风分离器 不但提高了分离效率，还降不但提高了分离效率，还降低了旋风分离器的阻力。低了旋风分离器的阻力。5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化进气管进气管465.3.2 离心沉降设备离心沉降设备5. 颗粒的沉降和流态化颗粒的沉降和流态化为长岭炼油化工有限公为长岭炼油化工有限公司制造的旋风分离器在司制造的旋风分离器在预组装预组装为九江石油化工为九江石油化工厂制造的旋风分厂制造的旋风分离器在预组装离器在预组装为上海氯碱股份有限公为上海氯碱股份有限公司制造的氧氯化反应旋司制造的氧氯化反应旋风分离器在预组装风分离器在预组装47