41化工原理第4章PPT

（2）沉降的等速阶段
时
随 du
d
u

，Fd ,到某一数值 u t 时，式（5-16）右边等于零，此 0，颗粒将以恒定不变的速度 ut 维持下降。此 ut 称为颗粒的沉
降速度或造端速度。对小颗粒，沉降的加速段很短，加速度所经历的距
离也很小。因此，对小颗粒沉降的加速度可以忽略，而近似认为颗粒始
(Re P )
（2）曳力（阻力）系数
球形颗粒 ( 1) 的曲线在不同的雷诺数范围内可用公式表示如下：
Re P
2
，层流区，Sokes定律区：
24 Re P
2 Re P 500
，过渡区，Allen定律区：


18.5 Re P 0.6
500 Re P 2 10 5 ，湍流区，Newton定律区： 0.44
时的离心力以加快沉降过程。定义同一颗粒所受的离心力与重力之比为离心分离
因数
Fc mr 2 r 2 u 2
Fg mg
g gr
式中 u r 为流体和颗粒的切线速度，m / s ；r 为旋转半径，m ； 为旋转角速
度，rad (弧度）/ s 。
数值的大小是反映离心分离设备性能的重要指标。若 1000 ，则说明
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（1）沉降的加速段
将一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体中，若，颗粒在重力
的作用下沿重力方向作沉降运动，此时颗粒受到哪些力的作用呢？
Fg

mg


6
dP3P g
Fb


6
dP3
g
FD
AP
1 2
u 2


4
dP2
1 u 2
2
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
②粒级效率
0

Ci进 Ci出 Ci进
式中 Ci进 、 Ci出 分别为进出旋风分离器气体中粒径为 d Pi 的颗粒的质量浓度，g / m3。
总效率与粒级效率的关系为： 0 xii
式中 xi 为进口气体中粒径为 d Pi 颗粒的质量分率。
通常将经过旋风分离器后能被除下50%的颗粒直径 dPc称为分割直径，某些 高效旋风分离器的分割直径可小至 3 ~ 10m。不同粒径d Pi 的粒级分离效率 i不 同。
5.3.1重力沉降设备
d
2 a
a

g

d
2 b
b

g
18
18
db da



a b


1
/
2
上式表明，不同直径的颗粒因为密度不同而具有相同的沉降速度，该式代表 了具有相同沉降速度的两种颗粒的直径比。
5.3.2离心沉降设备
对于两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系，可利用颗粒作圆周运动
同一颗粒在离心力场中受到的离心力 Fc 是在重力场中受到的重力 Fg 的1000倍，
当然大大加快沉降分离过程。
5.3.2离心沉降设备
旋风分离器是利用离心沉降原理从气流中分离出颗粒的设备。如图所示，上 部为圆筒形、下部为圆锥形；含尘气体从圆筒上侧的矩形进气管以切线方向进入， 藉此来获得器内的旋转运动。气体在器内按螺旋形路线向器底旋转，到达底部后 折而向上，成为内层的上旋的气流，称为气芯，然后从顶部的中央排气管排出。 气体中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中，由于密度较大，受离心力的作用逐 渐沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。
旋风分离器的构造简单，没有运动部件（设备不动，离心力是由切线进入的 气流产生旋转运动造成的），操作不受温度、压强的限制。一般其分离因数
5 ~ 2500 ，可分离气体中 5 ~ 75m 直径的粒子。dP 75m用降尘室分离
（经济），0.1m dP 5m 可用袋式除尘器，dP 0.1m 用静电除尘器。
5.颗粒的沉降
5.1 概述 5.2颗粒的沉降运动 5.3沉降分离设备
5.1 概述
本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的 相对运动。在流固两相物系中，不论作为连续相的 流体处于静止还是作莫种运动，只要固体颗粒的密 度 大于流体的密度 ，那么在重力场中,固体颗 粒将在重力方向上与流体做相对运动，在离心力场 中，则与流体作离心力方向上的相对运动。
5.3.2离心沉降设备
5.3.2离心沉降设备
旋风分离器各部分的尺寸都有一定的比例，只要规定出其中一个主要尺寸，如 圆筒直径D或进气口宽度B，则其它各部分的尺寸亦确定。
评价旋风分离器性能指标，我们的教材上介绍两个：
1） 旋风分离器的分离效率
①总效率 0
0

C进 C出 C进
式中 C进 、C出分别为进出旋风分离器气体颗粒的质量浓度，g / m3 。
终以 u t 下降。
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（3）颗粒的沉降速度
对球形颗粒，当
du 0
d
时，可得
ut
4dP (P )g 3
式中：



(Re
P
)


(
d
P u
)
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
因 与 Re P有关，也与 u t 有关，将不同区域的与的关系式（5-6）—式
于分离 dP 50m 的粗颗粒。
A —降尘室底面积，m2。A BL
u t —颗粒的沉降速度，m / s 。u t 应根据要分离的最小颗粒直径d P,min决定。
5.3.1重力沉降设备
对一定物系，ut 一定，降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积 A ，而
与高度 H 无关，故降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板。
ut 1.74
dP (P )g
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
（4）其他因素对沉降速度的影响 ①干扰沉降
②端效应
③分子运动
④非球形颗粒
5.3沉降分离设备
5.3.1重力沉降设备 5.3.2离心沉降设备
5.3.1重力沉降设备
（1）降尘室
停留时间 ：
r

AH qV
沉降时间 ：
t
FD 3dpu
当流速较高时，Stokes定律不成立。因此，对一 般流动条件下的球形颗粒及其其他形状的颗粒，FD的 数值尚需通过实验解决。
（2）曳力（阻力）系数
对球形颗粒， FD = F (d p , u, , )
用因次分析并整理后可得：
FD
AP
1 2
u 2
Re P

d p u
5.3.2离心沉降设备
靠近旋风分离器排气管的顶部旋涡中带有不少细小 粉粒，在进口主气流干扰下较易窜入排气口逃逸。提高 分离效率的另一途径是移去顶部旋涡造成的粉尘环，为 此而设计的XLV/B型旋风分离器见图。此种旋风分离器 的结构特点是进气口低于器顶下一小段距离，且在圆柱 壳体的上部切向开有狭槽，用旁通管将带粉粒的顶旋涡 引至分离器下部锥体内。不但提高了分离效率，还降低 了旋风分离器的阻力。若没有旁路，有人做过实验，堵 死旁路 20%。
稠液往下走，锥形底部有一缓慢旋转的 齿耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠浆从 底部出口出去。（内部沉降分为上部自 由沉降和下部干扰沉降）
大的增稠器直径可达10～100 m ， 深2.5～4 m（为什么？）。它一般用于
大流量、低浓度悬浮液的处理，常见的 污水处理就是一例。
5.3.1重力沉降设备
（3）分级器
还有旋液分离器是用于分离悬浮液，其结构特点与 旋风分离器类似。
总效率并不能准确地代表旋风分离器的分离性能。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 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，这是因为被分离的颗粒具有不同粒度分布的缘故。
5.3.2离心沉降设备
根据牛顿第二定律得：
F

Fg
Fb
FD
ma

6
d
3 P

P
g


6
dP3
g

4
dP2
1 u 2
2

6
dP3P
du
d
或者 ：
du ( P )g 3 u2
d
P
4dP P
du
开始瞬间，u 0 ， d 最大，颗粒作加速运动。
5.2.2 静止流体中颗粒的自由沉降
①设计型计算
已知 qV 、 、 、 P 、d P,min ，计算 A 。
②操作型计算
已知 A 、 、 、 P 、d P,min，核算qV ； 或已知 A 、qV 、 、 、 P ，求 d P,min 。
5.3.1重力沉降设备
（2）增稠器 分离悬浮液，在中心距液面下
0.3～1 m 处连续加料，清液往上走，
旋风分离器的内旋气流在底部旋转上升时，会在锥底成升力。即使在常 压下操作，出口气体直接排入大气，也会在锥底造成显著的负压。如果锥底 集尘室密封不良，少量空气串入器内将使分离效率严重下降。故出灰口的密 封问题非常重要。
5.3.2离心沉降设备
下面介绍旋风分离器的改型问题： 底部旋转上升会将已沉下的部分颗粒重新卷起，这 是影响旋风分离器分离效率的重要因素之一。为抑制这 一不利因素而设计了一种扩散式旋风分离器，它具有上 小下大的外壳，这种分离器底部设有中央带孔的锥形分 割屏，气流在分割屏上部转向排气管，少量气体在分割 屏与外锥体之间的环隙进入底部集尘斗，再从中央小孔 上升。这样就减少了已沉下的粉粒重新被卷起的可能性。 因此，扩散式旋风分离器分离效率提高，宜用于净化颗 粒浓度较高的气体。