第五章颗粒的沉降和流态化 5.1教学基本要求：(6学时)》 绕流基础球形颗粒的曳力系数及斯托克斯定律。 自由沉降沉降速度及其计算：降尘室的流量、沉降面积和粒径的关系：旋风分离器的 工作原理及影响性能的主要因素。 流态化洁化床的工业应用和典型结构：流化床的主要特性：流化庆的操作范围（起始 流化速度和带出速度)， 5.2基本概念： 曳力（表面曳力、形体曳力）曳力是流体对固体的作用力，而阻力是固体壁对流体的力」 两者为作用力与反作用力的关系。表面曳力由作用在颗粒表面上的剪切力引起，形体曳力由 作用在颗粒表面上的压强力扣除浮力的部分引起。 (自由)沉降速度颗粒自由沉降过程中，曳力、重力、浮力三者达到平衡时的相对运动 速度。 离心分离因数离心力与重力之比。 旋风分高器主要评价指标 分离效率 ,压降 总效率进入分离器后，除去的颗粒所占比例。 粒级效率某一直径的颗粒的去除效率。 分刺直轻粒级效率为50%的题粒直径。 流化床的特点 混合均匀、传热传质快：压降恒定、与气速无关。 两种流化现象散式流化和聚式流化。 聚式流化的两种极端情况腾涌和沟流。 起始流化速度随着操作气速深浙增大，题粒床层从固定床向流化床转变的空床速度」 带出 随操作气速逐渐增大，流化床内颗粒全被带出的空床速度。 气力输送利用气体在管内的流动来输送粉粒状固体的方法。 5.3基本内容： 本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动。解决了颗粒沉降速度的计算。 时，叙述了重力沉降器的计算，旋风分离器的原理和特点。研究了流化床的特点和影响因 。 一、颗粒沉降 1.绕流 绕流可发生在下列系统中：固体颗粒在流体（气、液）中，液滴在液体中，气泡在液体中 液滴在气体中。本章分析典型的系统：固体颗粒在流体（气、液）中的相对运动。 研究相对运动时，以下几种情况都 是相同的，①周体颗粒运动，流体静止②周体颗粒薪 止，流体运动③固体颖粒运动，流体运动。为了荷便起见，以研究固体频粒运动流体静止的 情况为代表。 2.曳力 流体对固体的作用力称为曳力，固体壁对流体的力为阻力，两者关系为作用力与反作用 力的。由作用在颗粒表面上的剪切力引起的称为表面曳力，由作用在颗粒表面上的压强力扣 除浮力的部分引起称为形体曳力。 颗粒在流体中所受的曳力为 9
39 第五章 颗粒的沉降和流态化 5.1 教学基本要求：(6 学时) 绕流基础 球形颗粒的曳力系数及斯托克斯定律。 自由沉降 沉降速度及其计算；降尘室的流量、沉降面积和粒径的关系；旋风分离器的 工作原理及影响性能的主要因素。 流态化 流化床的工业应用和典型结构；流化床的主要特性；流化床的操作范围(起始 流化速度和带出速度)。 5.2 基本概念： 曳力(表面曳力、形体曳力) 曳力是流体对固体的作用力，而阻力是固体壁对流体的力， 两者为作用力与反作用力的关系。表面曳力由作用在颗粒表面上的剪切力引起，形体曳力由 作用在颗粒表面上的压强力扣除浮力的部分引起。 (自由)沉降速度 颗粒自由沉降过程中,曳力、重力、浮力三者达到平衡时的相对运动 速度。 离心分离因数 离心力与重力之比。 旋风分离器主要评价指标 分离效率、压降。 总效率 进入分离器后，除去的颗粒所占比例。 粒级效率 某一直径的颗粒的去除效率。 分割直径 粒级效率为 50%的颗粒直径。 流化床的特点 混合均匀、传热传质快；压降恒定、与气速无关。 两种流化现象 散式流化和聚式流化。 聚式流化的两种极端情况 腾涌和沟流。 起始流化速度 随着操作气速逐渐增大，颗粒床层从固定床向流化床转变的空床速度。 带出速度 随着操作气速逐渐增大，流化床内颗粒全被带出的空床速度。 气力输送 利用气体在管内的流动来输送粉粒状固体的方法。 5.3 基本内容： 本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动。解决了颗粒沉降速度的计算。 同时，叙述了重力沉降器的计算，旋风分离器的原理和特点。研究了流化床的特点和影响因 素。 一、颗粒沉降 1．绕流 绕流可发生在下列系统中：固体颗粒在流体(气、液)中，液滴在液体中，气泡在液体中， 液滴在气体中。本章分析典型的系统：固体颗粒在流体(气、液)中的相对运动。 研究相对运动时，以下几种情况都是相同的，①固体颗粒运动，流体静止②固体颗粒静 止，流体运动③固体颗粒运动，流体运动。为了简便起见，以研究固体颗粒运动流体静止的 情况为代表。 2．曳力 流体对固体的作用力称为曳力，固体壁对流体的力为阻力，两者关系为作用力与反作用 力的。由作用在颗粒表面上的剪切力引起的称为表面曳力，由作用在颗粒表面上的压强力扣 除浮力的部分引起称为形体曳力。 颗粒在流体中所受的曳力为
F=4,W 5-1 式中，为曳力系数，p为颗粒投影面积。式51也是曳力系数定义式。曳力系数与颗粒 雷诺数有关，通过实验可以确定(~R,关系。根据实验结果，可以由以下三式计算S 24 斯托克斯区 Re<2 2 阿伦区 5185 Re Re=2-500 53 牛顿区 5=0.44, Re=500-2X10 5-4 3.颗粒沉降速度 颗粒在自由沉降过程中，曳力、重力、浮力三者达到平衡时的相对运动速度称为颗粒（自 由)沉降速度u。由力平衡可得 ，g--4-0 5-5 Re<2时，斯托克斯区 4=。-pg 5-6 18u 从影响因素看，私，是颗粒与流体的综合特性。沉降速度的处理采用了极限处理方法。实际 存在加速过程，它的地位是否重要应予以判断。对于大颗粒，加速时间长，走过的距离也长， 沉降中几乎一直在加速。对于小颗粒，加速时间短，走过的距离也短，加速段可忽略，沉降 几乎一开始就以山，下降。 例1确定斯托克斯区加速段的数学表达式 由g--，会 以=4=2,4-08 Re doup 18u 可导出 4,-u= dipp du 18u dt 从=0,t=0开始积分，可得 =-a-器训 5-7
40 2 2 u FD Ap ρ = ζ 5-1 式中，ζ为曳力系数，Ap 为颗粒投影面积。式 5-1 也是曳力系数定义式。曳力系数与颗粒 雷诺数有关，通过实验可以确定ζ~Re p 关系。根据实验结果，可以由以下三式计算ζ 斯托克斯区 Re p 24 ζ = ， Re<2 5-2 阿伦区 0.6 Re 18.5 p ζ = ， Re=2~500 5-3 牛顿区 ζ = 0.44 ， Re=500~2×105 5-4 3．颗粒沉降速度 颗粒在自由沉降过程中,曳力、重力、浮力三者达到平衡时的相对运动速度称为颗粒(自 由)沉降速度 ut。由力平衡可得 d p p g dpρg π ρ − π 3 3 6 6 0 4 2 2 2 = π ρ − ζ t p u d 5-5 Re<2 时,斯托克斯区 µ ρ − ρ = 18 ( ) 2 d g u p p t 5-6 从影响因素看，ut 是颗粒与流体的综合特性。沉降速度的处理采用了极限处理方法。实际 存在加速过程，它的地位是否重要应予以判断。对于大颗粒，加速时间长，走过的距离也长, 沉降中几乎一直在加速。对于小颗粒，加速时间短，走过的距离也短,加速段可忽略，沉降 几乎一开始就以ut 下降。 例 1 确定斯托克斯区加速段的数学表达式 解：由 d p p g dpρg π ρ − π 3 3 6 6 τ ρ π = π ρ − ζ d du d u dp p p 3 2 2 4 2 6 以及 ρ µ ζ = = d u p p 24 Re 24 ， µ ρ − ρ = 18 ( ) 2 d g u p p t 可导出 µ τ ρ − = d d du u u p p t 18 2 从u = 0,τ = 0 开始积分，可得 )] 18 [1 exp( 2 τ ρ µ = − − p p t d u u 5-7
当d。=0.18mm,P。=1600kg/m的颗粒在20℃水中沉降，加速到u=0.994,所需时间 为0.013秒，所走距离0.11mm。 4.沉降速度计算 由式5-5可导出通用公式：4二 d8P。-D,而阻力系数=已8)分三段区 3p 域表达，4P为判据。在计算沉降速度时，待求变量在判据中，需婴先设沉降区域，算 完后再验证Re,是否在该区。 例2现有一密度为2500kg/m3,直径为0.5m的尼龙珠放在密度为800kg/m}的某液体中自由 沉降，测得自由沉降速度为7.5×10/s,试求此液体的粘度。 解：设R©2，则由斯托克斯沉降公式可符 u=a5D,p8.5x10Yx2500-80)x981=309x10rpas 184, 18×7.5×10-3 验Re-dP.5x10x75x10x80-0097<2原设成立. 4 30.8×10 二、重力降尘室 1.重力降尘室气体处理量 重力降尘室中，含尘气体流量，颗粒一边随气流向前运动，一边作沉降运动，所以 形成两维运动。如图5.1所 气体流量 颗粒两维运动 图5.1重力降尘室 气体速度 品 5-8 气体停留时间=上-LB盟 u qy 5-9 当颗粒沉降距离s=tw,与Ⅱ相等时，表明该直径的颗粒可100%除去，直径比它大的当 然也可100%除去。由上可得 gy =LBu,Agurmin 5-10 式中的A:是降尘室的底面积，4，mm是可100%除去的最小颗粒d。m的沉降速度。对式5-10 A1
41 当 dp = 0.18mm ， 3 ρp =1600kg / m 的颗粒在 20℃水中沉降，加速到u 99ut = 0. 所需时间 为 0.013 秒，所走距离 0.11mm。 4．沉降速度计算 由式 5-5 可导出通用公式： ρζ ρ − ρ = 3 4 ( ) p p t d g u ，而阻力系数 ( ) µ ρ ζ = dput f 分三段区 域表达， µ d put ρ 为判据。在计算沉降速度时，待求变量在判据中，需要先设沉降区域，算 完后再验证 Re，是否在该区。 例 2 现有一密度为 2500kg/m3 ,直径为 0.5mm 的尼龙珠放在密度为 800kg/m3 的某液体中自由 沉降,测得自由沉降速度为 7.5×10-3m/s,试求此液体的粘度。 解：设 Re<2,则由斯托克斯沉降公式可得 3 4 2 2 18 7.5 10 (5 10 ) (2500 800) 9.81 18 ( ) − − × × × × − × = ρ − ρ µ = t p p u d g = × Pa ⋅s −3 30.9 10 验 µ ρ = p t d u Re 3 4 3 30.8 10 5 10 7.5 10 800 − − − × × × × × = = 0.097 < 2 原设成立。 二、重力降尘室 1．重力降尘室气体处理量 重力降尘室中，含尘气体流量 qV ，颗粒一边随气流向前运动，一边作沉降运动，所以 形成两维运动。如图 5.1 所示 图 5.1 重力降尘室 气体速度 BH q u V = 5-8 气体停留时间 qV LBH u L τ = = 5-9 当颗粒沉降距离 ut s = τ 与 H 相等时，表明该直径的颗粒可 100%除去，直径比它大的当 然也可 100%除去。由上可得 qV = LBut = A底ut min 5-10 式中的 A底 是降尘室的底面积，ut min 是可 100%除去的最小颗粒 d p min 的沉降速度。对式 5-10
作影响因素分析，①与沉降面积成正比，与高度无关：②若小颗粒在斯托克斯区沉降，则 g=Ae0。-p8 18u 温度升高，气体粘度上升，故气体先除尘后加热比先加热后除尘好。 从式510可以看出，重力降尘室加隔板可以增加底面积，提高处理能力。若在重力降 尘室中等间距地增加n块隔板，则有 @-(n+1)AsU. 理论上处理能力增加至+1倍。当然实际隔板不能太多，否则速度太大，吹起板上颗粒，会 重新带出颗粒。 重力降尘室是矮胖的好，还是瘦长的好？从式5-10可以看出，矮胖的底面积大，效果 好。 2.效率 除尘效率定义为，进口气体中的含尘除去的质量分率 n=C造-C 5-11 C进 沉降设备的除尘效率有时不能说明问愿，它与颗粒直径有关。尘粒直径大，效率高：直径小， 效奉低。因此，要用粒级效率的概念 n-C通-C 5-12 C进 对于重力降尘室，直径小于d。m的颗粒也能部分除去，其效率为 5-13 若颗粒都在斯托克斯区沉降，则 d。i 5-14 例3用降尘室除去含尘气体中的球形尘粒，尘粒密度P。-4000g/m,降尘室长3细，宽 2m,高1m。含尘气体μ=2×105Pa5,密度p=1.2g/m2,流量为3000kg/m。 试求：①可被100%除下的最小粒径： ②可被50%除下的粒径。 解：①4=-3000/3600 =0.139m/s 3×2 设Re<2,则 184, d,=(0) 18×2×10×0.139 -V(4000-1.2)×9.81 =3.57×105m=35.7μm
42 作影响因素分析，①与沉降面积成正比,与高度无关；②若小颗粒在斯托克斯区沉降，则 µ ρ − ρ = 18 ( ) 2 d min g q A p p V 底 温度升高,气体粘度上升,故气体先除尘后加热比先加热后除尘好。 从式 5-10 可以看出，重力降尘室加隔板可以增加底面积，提高处理能力。若在重力降 尘室中等间距地增加 n 块隔板，则有 qV=(n+1)A 底 utmin 理论上处理能力增加至 n+1 倍。当然实际隔板不能太多，否则速度太大，吹起板上颗粒，会 重新带出颗粒。 重力降尘室是矮胖的好，还是瘦长的好？从式 5-10 可以看出，矮胖的底面积大，效果 好。 2．效率 除尘效率定义为，进口气体中的含尘除去的质量分率 进 进 出 C C −C η = 5-11 沉降设备的除尘效率有时不能说明问题，它与颗粒直径有关。尘粒直径大，效率高；直径小， 效率低。因此，要用粒级效率的概念 i i i i C C C 进 进 − 出 η = 5-12 对于重力降尘室，直径小于 d p min 的颗粒也能部分除去，其效率为 t min t i u u H s η = = 5-13 若颗粒都在斯托克斯区沉降，则 2 min min η = = p p t t i d d u u 5-14 例 3 用降尘室除去含尘气体中的球形尘粒，尘粒密度 3 ρp = 4000kg / m ，降尘室长 3m，宽 2m，高 1m。含尘气体µ = × Pa ⋅s −5 2 10 ，密度 3 ρ =1.2kg / m ，流量为 3000kg/m3 。 试求：①可被 100%除下的最小粒径； ②可被 50%除下的粒径。 解：① 3 2 3000/3600 × = = A q u V t = 0.139m/s 设 Re<2,则 g u d p t p ( ) 18 ρ − ρ µ = (4000 1.2) 9.81 18 2 10 0.139 5 − × × × × = − m 5 3.57 10− = × = 35.7µm
验Re=dP=357x10x0139x12-03<2 2×105 d。=dpmin0.5=35.7x10-x0.707=25.2wm 三、离心沉降 1.离心沉降原理 离心力场类似于重力场，离心加速度为or。离心力与重力之比称为离心分离因素 a=商心力时r 重力g 5-15 由于离心力<7=二，当以一定时，通常以减小半径r来提高离心力，所以，设备常为 细长形。沉降速度计算中，只要以回r代替g即可。如斯托克斯区沉降 4=0。-por 18u 5-16 2.旋风分离器 旋风分离器（液分离器）的工作原理是，含尘气体从上部切向进入，利用气流速度· 产生旋转场，颗粒被沉降至壁后滑下，进入灰斗，气体在中心处旋转向上，从中心管向上流 出。 1)评价其性能的主要指标： ①分离效率 总效率=C生C。几有局限性，引入粒级效率几-C一C，较全面，是 C进 C递 根曲线。粒级效率为50%的颗粒直径称为分割直径。 ②压降 操作速度较大对离心沉降有利，但压降损尖 40=6 5-17 2 将大大增加。 2)操作中的两个问题： ①不得欠负荷运转。 负荷不足操作气速下降，效率下降 ②锥底料封要严密。锥底半径小，速度大，压强低，会出现负压.锥底若漏气，会重新卷起颗粒。 四、固体流态化 1.流化床的操作分析
43 验 µ ρ = p t d u Re 5 6 2 10 35.7 10 0.139 1.2 − − × × × × = = 0.3 < 2 ② 0.5 2 min min = = = p p t t d d u u η 0.5 p pmin d = d 35.7 10 0.707 6 = × × − = 25.2µm 三、离心沉降 1．离心沉降原理 离心力场类似于重力场，离心加速度为 r 2 ω 。离心力与重力之比称为离心分离因素 g r 2 ω α = = 重力 离心力 5-15 由于离心力∝ r u r c 2 2 ω = ，当uc 一定时,通常以减小半径 r 来提高离心力，所以，设备常为 细长形。沉降速度计算中，只要以 r 2 ω 代替 g 即可。如斯托克斯区沉降 r d u p p t 2 2 18 ( ) ω µ ρ − ρ = 5-16 2．旋风分离器 旋风分离器(旋液分离器)的工作原理是，含尘气体从上部切向进入，利用气流速度 u 产生旋转场，颗粒被沉降至壁后滑下，进入灰斗，气体在中心处旋转向上，从中心管向上流 出。 1）评价其性能的主要指标： ①分离效率 总效率 进 进 出 C C −C η0 = 。η0有局限性，引入粒级效率 i i i i C C C 进 进 − 出 η = ，较全面，是一 根曲线。粒级效率为 50%的颗粒直径称为分割直径。 ②压降 操作速度 u 较大对离心沉降有利，但压降损失 2 2 ρu ∆P = ζ 5-17 将大大增加。 2）操作中的两个问题： ①不得欠负荷运转。负荷不足操作气速下降，效率下降。 ②锥底料封要严密。锥底半径小,速度大,压强低,会出现负压。锥底若漏气,会重新卷起颗粒。 四、固体流态化 1．流化床的操作分析