化工原理上册化工原理第五章概要课件.ppt

5.1 概述,5 颗粒的沉降和流态化,本章考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动,许多化工过程与此种相对运动相联系，例如：（1）两相物系的沉降分离，其中依靠重力的称为重力沉降，依靠离心力的称为离心沉降。（2）流固两相之间进行某种物理与化学过程，如固体物料的干燥（气流干燥、喷雾干燥、沸腾干燥）。（3）固体颗粒的流动输送。,颗粒静止，流体绕过颗粒流动；流体静止，颗粒流动；颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。,5.2.1 流体绕过颗粒的流动(1)曳力 阻力：颗粒对流体的作用力；曳力：流体对颗粒的作用力。,流体和颗粒相对运动的情况：,5.2 颗粒的沉降运动,在运动方向上，流体作用于颗粒表面的力：,流体流过固体时，固体表面的受力情况：,形体曳力,浮力,影响曳力的因素：,(2)曳力系数,球形颗粒,由因次分析法：,曳力系数与ReP的关系：（1）圆球（2）圆盘（3）圆柱,实验获得与Rep的关系：,总曳力计算：,层流区：,阿伦区：,牛顿定律区：,湍流边界层区：,非球形颗粒的曳力系数 计算方法：Ap取颗粒的最大投影面积 近似用球形颗粒公式，dpdeV；实测-Rep 关系。,5.2.2 颗粒与流体的相对运动(1)颗粒在力场中的受力分析,合力：,场力,浮力,曳力,(2)在重力场中颗粒在静止流体中的运动情况,颗粒运动的两个阶段：加速阶段、恒速阶段,简化：加速阶段很短，忽略不计。认为全过程中，颗粒匀速运动。,加速阶段：,恒速阶段：,终端速度:颗粒在流体中匀速运动的速度。(相对运动速度),重力沉降速度的计算(1)球形颗粒的自由沉降匀速阶段受力分析：,球形颗粒的沉降速度,其它条件相同时，小颗粒后沉降。,影响沉降速度的因素,其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。,其它条件相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。,颗粒直径,流体密度,颗粒密度,阿伦区,沉降速度计算,牛顿定律区,层流区,问题：沉降速度ut未知，如何判断流型？解决方法：试差法,试差法：,将上式代入Rep中，得到：,如：假设沉降属于滞流,检验Rep值，看是否在层流范围内，若超出则应令设流型，运用其他公式求得速度，直至所得Rep与公式适用范围相符为止。,自由沉降与沉降速度,ut 是颗粒在流体中受到的曳力、浮力与重力平衡时颗粒与流体间的相对速度，取决于流固二相的性质，与流体的流动与否无关。颗粒在流体中的绝对速度 up 则与流体流动状态直接相关。当流体以流速 u 向上流动时，三个速度的关系为：,u=0，up=ut 流体静止，颗粒向下运动；up=0，u=ut，颗粒静止地悬浮在流体中；u ut，up 0，颗粒向上运动；u ut，up 0，颗粒向下运动。,(3)影响沉降速度的其它因素,干扰沉降-颗粒沉降时彼此影响,颗粒浓度对沉降速度的影响 大量颗粒沉降，造成流体反向运动,流体表观物性的影响 颗粒存在，改变了流体的表观密度和表观粘度。,流体分子运动的影响,壁效应和端效应,液滴或气泡变形 液滴或气泡受曳力变形，影响计算准确性。,时,器壁有影响,非球形颗粒的沉降速度,同样条件下,因此,5.3.1 重力沉降设备(1)降尘室 结构及工作原理,随气体的水平流速u；颗粒沉降速度ut。,降尘室底面积：,含尘气体积流量：,含尘气流通截面积：,颗粒运动速度分解：,5.3 沉降分离设备,颗粒的停留时间 颗粒的沉降时间,颗粒分离(沉降)条件,生产能力(可处理的尘气体积流量q V),说明：生产能力由底面积、沉降速度决定，与降尘室高度无关，多用扁平形状或多层降尘室(层高40-100mm),说明：ut由所需分离的最小颗粒直径确定,欲用降尘室净化温度20、流量为2500m3/h的常压空气，空气中所含灰尘的密度为1800kg/m3，要求净化后的空气不含有直径大于10m的尘粒，试求所需沉降面积为多大？若降尘室底面的宽为2m、长为5m，室内需要设多少块隔板？,解：20空气的密度为1.2kg/m3，粘度为,设直径为10m的尘粒沉降于斯托克定律区，则颗粒的沉降速度为,故以上计算有效。,所需沉降面积为,因沉降室底面积为2x5m2已定，故所需隔板数目为,(2)沉降槽（增稠器）利用重力沉降分离悬浮液的设备。,分类：间歇式和连续式,沉降过程：第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降；第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。,分级器,5.3.2 离心沉降设备,(1)离心沉降速度 计算方法：同重力场，重力离心力；离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径 r 变化。,层流Stokes 区：,(2)衡量离心分离性能的指标 离心分离因数:,说明:评价离心分离设备的重要指标 越大，分离效能越高。,（3）离心沉降设备,工业上应用的两种型式：旋流器和离心沉降机。,旋流器：设备静止，流体旋转运动；,离心沉降机：设备本身和流体一起旋转。,(1)旋风分离器,基本结构与操作原理 旋风分离器的性能参数,分离效率：,（1）总效率,（2）粒级效率,两者关系：,旋风分离器的压降 是旋风分离器的经济指标。,2）常用型式 标准型、扩散式等。,标准型：,结构简单、容易制造、处理量大；适用于捕集密度大且颗粒尺寸大的粉尘。,标准型旋风分离器,CLK 型：为扩散式旋风分离器，又称带倒锥体的旋风除尘器，并在锥的底部装有分割屏，分割屏可使已被分离的粉尘沿着锥体与分割屏之间的环缝落入集尘斗，有效防止了上升的净化气体重新把粉尘卷起带出，从而提高了除尘效率。,一种带旁路的旋风分离器。其特点为进气口上沿梢低于筒体顶部，因此含尘气体进入筒体后随之分为两路，较大的颗粒随向下旋转的主流气体运动，沉到筒壁落下；细微粒则随一小部分气体在顶部旋转聚集形成灰环，再随气流经旁路分离室旋转向下并沿壁面落下。这种结构的旋风分离器能促进细粉尘的聚结，对细粉的分离较高。,5.4.1 流化床的基本概念 三个阶段：固定床、流化床、颗粒输送。,5.4 固体流态化技术,(1)固定床阶段,颗粒静止（流体空床流速小，颗粒受曳力小）；床层高度、空隙率，均保持不变；阻力服从欧根方程(）。,(2)流化床(沸腾床)阶段 空床流速，颗粒受曳力，把颗粒托起；,临界流化状态(起始流化状态）：最小流化速度,空床流速一定时，有一个稳定的床层上界面。(3)颗粒（气力或液力）输送 当u=ut时，颗粒被带走。带出速度：颗粒被吹出的临界速度。,5.4.2 实际流化现象,（1）流化类型 散式流化：颗粒均匀地分散在流动的流体中，有一稳定的 上界面。如：大多数液-固流化。聚式流化：床层中存在两个不同的相 乳化相（固体浓度大、分布均匀的连续相），气泡相（夹带少量固体颗粒以气泡形式通过床 层的不连续相）。如：气-固流态化,（1）腾涌,现象：气泡长大将床层分成相互分开的气泡和颗粒层 颗粒层象活塞一样被气泡向上推动，到达床层上界面，气泡崩裂，颗粒分散下落。原因：气-固流化床中床层高度与直径的比值过大或气速过高。后果：床层阻力大幅度波动，器壁被颗粒磨损加剧，设备振动，甚至将床中构件冲坏,（2）沟流现象,现象：气体通过床层时形成短路，床层内密度分布不均匀，气、固接触不良，部分床层变成死床。原因：与颗粒的特性、堆积情况、床层直径及气体分布板有关。发生沟流现象时，床层阻力较正常值低,（4）流化床类似液体的特性,流化床类似液体的性质,（1）密度比床层密度小的物体能浮在床层的上面;（2）床层倾斜，床层表面仍能保持水平；（3）床层中任意两截面间的压差可用静力学关系式 表示（p=gL,）；（4）有流动性，颗粒能像液体一样从器壁小孔流出；（5）联通两个高度不同的床层时，床层能自动调整平衡。,流体通过流化床的压降,固定床阶段，压降服从欧根方程，如图中ab段；流化床阶段，床层压降基本恒定，如图中bc 段；,即：流化床层压降=单位面积床层中颗粒的表观重力，因此流化床阶段，床层压降基本恒定。,流化床阶段，近似认为颗粒处于平衡状态。,腾涌,沟流,5.4.4流化床的操作范围(1)临界流化速度 临界流化状态：,说明：公式误差较大，一般应以实验数据为准。,当Re较小时：,(2)带出速度 ut 颗粒被流体带走时，,注意：计算不均匀颗粒床层的带出速度 用具有相当数量的最小颗粒直径，保证操作可靠性。,(3)流化床操作范围,流化质量,分布板：高阻分布板可使气体初始分布均匀，以抑制气泡的生成和沟流的发生。,内部构件：阻止气泡合并或破碎大气泡。宽分布粒度：宽分布粒度的细颗粒可提高床层的均化程度。细颗粒高气速流化床：提供气固两相间较多的接触界面，增加两相接触的均匀性。,流化质量：反映流化床内流体分布及流固接触的均匀程度,小结,对于过滤介质阻力忽略不计的恒压过滤，滤液体积增大一倍则过滤时间增大为原来的_ 倍。,回转真空过滤机的转速提高一倍，当其它条件不变时，其生产能力变为原来的 倍。（过滤介质阻力忽略）,一小圆铁球，在空气中按斯托克斯定律沉降，若空气温度由30降至10，则其沉降速度将_。,当沉降室的高度增加2倍，则其生产能力。,离心分离设备在层流区操作，颗粒的旋转半径为0.4m，旋转速度为18m/s，则该设备的离心分离因数为。,测试题,用一板框压滤机（有80080030mm的滤框30个），在恒压下过滤某悬浮液，过滤3小时后滤饼充满滤框，共获得滤液体积3m3，滤饼洗涤时间和卸渣整理等辅助时间之和为1小时。设介质阻力忽略不计，滤饼不可压缩。试求：1过滤常数K；2滤饼体积和滤液体积之比；3该过滤机的生产能力；4过滤压差增大一倍，当滤饼充满滤框时，其它条件（物性、洗涤和辅助时间之和）不变，则此时过滤机的生产能力为多少？,降尘室总高4m，宽1.7m，长4.55m，室内安装39块隔板，现每小时通过降尘室的含尘气体为2000m3，气体密度为1.6 kg/m3（均系标准状况），气体温度为400，此时气体粘度为310-5 Ns/m2，尘粒密度为3700kg/m3，求此降尘室内沉降的最小尘粒的直径。,1、对于恒压过滤_。（）滤液体积增大一倍则过滤时间增大为原来的1倍（）滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的2倍（）滤液体积增大一倍则过滤时间增大至原来的4倍（）当介质阻力不计时，滤液体积增大一倍，则过滤时间增大至原来的4倍2、回转真空过滤机洗涤速率与最终过滤速率之比为_。（）1（）1/2（）1/4（）1/33、恒压过滤时，如介质阻力不计、滤饼不可压缩，过滤压差增大一倍时同一过滤时刻所得滤液量_。（）增大至原来的2倍（）增大至原来的4倍（）增大至原来的 倍（）增大至原来的1.5倍,4、以下过滤机是连续式过滤机的有_。（）箱式叶滤机（）真空叶滤机（）回转真空过滤机（）板框压滤机5、过滤推动力一般是指_。（）过滤介质两边的压差（）过滤介质与滤饼构成的过滤层两边的压差（）滤饼两面的压差（）液体进出过滤机的压差,6、某板框过滤机有10个滤框，框的尺寸为63563525mm。过滤操作在20、恒定压差下进行，过滤常数K=4.010-5m2/s，qe=0.02m3/m2，滤饼体积与滤液体积之比c=0.1 m3/m3，滤饼不洗涤，卸渣、重整等辅助时间为10分钟，过滤时间为10分钟。试求获得的滤液量和生产能力。,6、板框压滤机中_。（）框有两种不同的构造（）板有两种不同的构造（）框和板都有两种不同的构造（）板和框都只有一种构造7、用板框过滤机过滤某种悬浮液，过滤15min，共得滤液2.91m3，该过滤机的生产能力为4.8m3/h。试求操作过程的洗涤、装卸等时间共为多少？,