1、第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述1第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性p 定义：定义：p沉降力场：重力、离心力。沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。使之发生相对运动而分离的单元操作。p 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述2第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性流体绕圆球颗粒的流动流体绕圆球颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反。与颗粒运动的方向相反。当流体相对于静止的固
2、体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力或阻力。种作用力通常称为曳力或阻力。只要颗粒与流体之间有相对只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，只对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。颗粒的阻力就一样。一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述3第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性阻
3、力定义式：阻力定义式：一、颗粒运动时的阻力一、颗粒运动时的阻力22duFApudf Ref 流体密度；流体密度；流体粘度；流体粘度；dp颗粒的当量直径；颗粒的当量直径；A 颗粒在运动方向上的投影面积；颗粒在运动方向上的投影面积；u 颗粒与流体相对运动速度。颗粒与流体相对运动速度。阻力系数，是雷诺数阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定。的函数，由实验确定。第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述4第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：斯托克斯区（斯托克斯区（10-4Re 1）24=Re过渡区
4、或艾仑区（过渡区或艾仑区（1 Re 103）湍流区或牛顿区（湍流区或牛顿区（103 Re 105）0.618.5=Re0.44=第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述5第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性一、颗粒在流体中的沉降过程一、颗粒在流体中的沉降过程颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：质量力质量力 F m a 浮浮 力力 Fb=g Vp 曳曳 力力 Fd=A u2/2 对于一定的颗粒和流体，重力对于一定的颗粒和流体，重力Fg、浮力、浮力Fb一定，但曳力一定，但曳力Fd却随颗粒运动速度而变化。却随颗粒运动速度而变化。
5、当颗粒运动速度当颗粒运动速度u等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零。所受的诸力之和为零。0dbFFFF第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述6第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性一、颗粒在流体中的沉降过程一、颗粒在流体中的沉降过程自由沉降：自由沉降：颗粒在重力作用下在无界流颗粒在重力作用下在无界流体中的沉降过程，称为自由沉降体中的沉降过程，称为自由沉降 。对单个球形颗粒的受力分析：对单个球形颗粒的受力分析：maFFFbdg合外力沉降的两个阶段：沉降的两个阶段：加速阶段和等速阶段加速阶段和等速阶段;加速段时间很短，整个过程可以忽略；
6、加速段时间很短，整个过程可以忽略；等速阶段，颗粒相对流体的速度称为沉降速度；等速阶段，颗粒相对流体的速度称为沉降速度；用用ut表示，也称终端沉降速度。表示，也称终端沉降速度。u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述7第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性一、颗粒在流体中的沉降过程一、颗粒在流体中的沉降过程u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 FbgbddduFFFmtp2pppd3()gd4uutd根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:22pd42duFgdFppg36gdFpb
7、36 p 颗粒密度颗粒密度第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述8第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性ppt4g3du是阻力系数，是颗粒对流体作相对运动的雷诺数是阻力系数，是颗粒对流体作相对运动的雷诺数Re的函数的函数p()()td uf Refu重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fbp2pppd3()gd4uutd当当du/dt=0时，令时，令u=ut，可得可得ut计算式计算式第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述9第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性Re=u dp/流体绕圆球的流动流体绕圆球的流动uFd第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述10第一章第一章 固体颗粒
8、及其特性固体颗粒及其特性根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：斯托克斯区（斯托克斯区（10-4Re 1）24=Re过渡区或艾仑区（过渡区或艾仑区（1 Re 103）湍流区或牛顿区（湍流区或牛顿区（103 Re 105）0.618.5=Re0.44=第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述11第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性层流区层流区2ps()g18tdu过渡区过渡区ps0.6t()g0.27Retdu湍流区湍流区ps()g1.74tdu将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒
9、在球形颗粒在各区相各区相应的沉降速度分别为：应的沉降速度分别为：第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述12第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性求沉降速度通常采用试差法。求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法：沉降速度的求法：假设流体流动类型；假设流体流动类型；计算沉降速度计算沉降速度 ut；计算计算Re，验证与假设是否相符；验证与假设是否相符；如果不相符，则转。如果相符，如果不相符，则转。如果相符，OK!第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述13第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性 一直径为一直径为1mm、密度为、密度为2500kg/m3的玻璃球在的玻璃球在20的水中沉降
10、，的水中沉降，试求其终端沉降速度试求其终端沉降速度 ut。smgduPpt/145.0)10005.1(2.9982.9982500001.081.9153.0153.04.1/16.034.06.14.1/16.04.06.1校核流型，校核流型，Re=ut dp/=998.20.14510-3/(1.00510-3)=144解：假设其流型属过渡区，故有：解：假设其流型属过渡区，故有：故属于过渡区，与假设相符。故属于过渡区，与假设相符。反之，当已知沉降速度，求颗粒直径时，也需要试差计算。反之，当已知沉降速度，求颗粒直径时，也需要试差计算。第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述14第一章第一章
11、固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性 已知一密度为已知一密度为3000kg/m3的球形颗粒在的球形颗粒在20的的水中的终端水中的终端沉降沉降速度速度 ut=9.810-3m/s，试确定其粒径。，试确定其粒径。2pst()g18du校核流型：校核流型：Re=ut dp/=998.29.810-39510-6/(1.00510-3)=0.92解：假设其流型解：假设其流型属层流区属层流区，故有：，故有：故故属于层流区属于层流区，与假设相符。，与假设相符。33p18 1.005 109.8 1095 m3000998.29.81dtps18()gud第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述15第一章第一章
12、固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素(以层流区为例以层流区为例)2pPd()g18=tu(1)颗粒直径颗粒直径dp啤酒生产，采用絮状酵母，啤酒生产，采用絮状酵母，dput，使啤酒易于分离和澄清。使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，均质乳化，dput，使饮料不易分层。使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。加絮凝剂，如水中加明矾。(2)连续相的粘度连续相的粘度 加酶：清饮料中添加果胶酶，使加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ut，易于分离。易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层。不易分层。加热：原油脱盐脱水中的加热。加热：原油脱盐
13、脱水中的加热。(3)两相密度差两相密度差(p-)：第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述16第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素(以层流区为例以层流区为例)2pPd()g18=tu(4)颗粒形状颗粒形状球形度球形度 s越小，越小，越大，但在层流区不明显。越大，但在层流区不明显。ut非球非球ut球球。对于细微颗粒对于细微颗粒(d0.5 m)，应考虑分子热运动的影响，不能应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算用沉降公式计算ut；Cunningham修正系数。修正系数。沉降公式可用于沉降和上浮等情况。沉降公式可用于沉降和上浮等情况。(5)边壁效应边壁
14、效应(wall effect)：当颗粒靠近器壁沉降时，由于器壁：当颗粒靠近器壁沉降时，由于器壁的影响，沉降速度变慢小，这种影响称为壁效应。的影响，沉降速度变慢小，这种影响称为壁效应。(6)干扰沉降：当颗粒体积浓度小于干扰沉降：当颗粒体积浓度小于0.2%时，偏差在时，偏差在1%以内，当以内，当颗粒浓度较高时便发生干扰沉降。由于干扰作用，大颗粒的实际颗粒浓度较高时便发生干扰沉降。由于干扰作用，大颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度；小颗粒的沉降速度增大。沉降速度小于自由沉降速度；小颗粒的沉降速度增大。第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述17第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性22ptd4
15、2duF层流区，层流区，Fd与与ut 的的1次方成正比。次方成正比。过渡区，过渡区，Fd与与ut 的的1.4次方成正比。次方成正比。湍流区，湍流区，Fd与与ut的平方成正比。的平方成正比。机理为何？机理为何？第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述18第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述19第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性重力沉降室重力沉降室/降尘室降尘室 流道突然扩大，流速降低，气体携流道突然扩大，流速降低，气体携带能力下降，气流中的颗粒沉降下来。带能力下降，气流中的颗粒沉降下来。因此，尺寸越大，分离能力越强。因此，尺寸越大，分离能
16、力越强。优点优点l结构简单，造价低。结构简单，造价低。l阻力低。阻力低。50-150Pa。l运行可靠。运行可靠。l气量大，且适合高温使用。气量大，且适合高温使用。缺点缺点l分离效率低，只适于大颗粒的分离。分离效率低，只适于大颗粒的分离。l尺寸大。尺寸大。重力沉降室示意图重力沉降室示意图第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述20第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性LHb净化气体净化气体含尘气体含尘气体uut假设：颗粒水平分速度与气体流速假设：颗粒水平分速度与气体流速 u 相同；相同；停留时间停留时间 L/u沉降时间沉降时间 t H/ut颗粒分离条件：颗粒分离条件：L/u H/ut；H
17、Lut/u第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述21第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性1、降尘室、降尘室气气体体 气气体体进进口口 出出口口 集集灰灰斗斗 降降尘尘室室 L 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 颗粒大小不同，沉降速度不同。颗粒大小不同，沉降速度不同。设某粒子在设某粒子在内内沉降高度是沉降高度是 htuh ttduu LhHHuH且若且若h H，则其分离效率为，则其分离效率为再设沉降位于层流区，则：再设沉降位于层流区，则：2psdg18dLHu第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述22第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性1、
18、降尘室、降尘室气气体体 气气体体进进口口 出出口口 集集灰灰斗斗 降降尘尘室室 L 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 再设降尘室处理量为再设降尘室处理量为Q，则：，则：2psdg18dLHuQ=uHBs2dpg18LBdQ2dp Kd第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述23第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性按照按照100%的分离效率，的分离效率，求求出可分离的最小粒径：出可分离的最小粒径：mins18gQdBL气气体体 气气体体进进口口 出出口口 集集灰灰斗斗 降降尘尘室室 L 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
19、动 dmin也称临界粒径也称临界粒径(critical diameter)；临界沉降速度临界沉降速度utc：tcQuBLmins18guHdL第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述24第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性可见：可见：l当气速当气速u一定时，一定时，H越小，越小，dmin越小，效率越高。越小，效率越高。l常做成扁平型，或采用多层沉降室的结构。常做成扁平型，或采用多层沉降室的结构。l气速气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把尘粒重新不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把尘粒重新卷起。一般卷起。一般u不超过不超过3m/s。l一定粒径的颗粒，生产能力一定粒径的颗粒，生产能力Q只与底
20、面积只与底面积BL和和 utc有关，有关，而与而与H无关。无关。mins18gQdBLmins18guHdL第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述25第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性 当用隔板分为当用隔板分为N层，则每层高度为层，则每层高度为H/N。若速度若速度u不变，则：不变，则：沉降高度为原来的沉降高度为原来的1/N倍；倍；utc降为原来的降为原来的1/N倍倍(utc=Q/BL)；临界粒径为原来的临界粒径为原来的 1/N0.5 倍；倍；一般可分离一般可分离20m以上的颗粒；但排尘不方便。以上的颗粒；但排尘不方便。多层隔板降尘室示意图多层隔板降尘室示意图 含尘气体含尘气体粉尘粉
21、尘隔板隔板净化气体净化气体第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述26第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例例：例：拟用拟用降尘室回收常压炉气降尘室回收常压炉气中的中的固体颗粒，降尘室长固体颗粒，降尘室长5m，宽和宽和高均为高均为2m，炉炉气量气量为为4m3/s。操作条件下气体密度为操作条件下气体密度为0.75kg/m3，粘度粘度2.610-5Pas，固体颗粒为球形，密度，固体颗粒为球形，密度 3000kg/m3。求：求：(1)理论上能完全捕集下来的最小粒径；理论上能完全捕集下来的最小粒径；(2)粒径为粒径为40m颗粒的回收百分率；颗粒的回收百分率；(3)若完
22、全若完全回收回收15m的尘粒，对降尘室的尘粒，对降尘室应如何改进应如何改进?LBQHBQLHLHuut解：解：与最小粒径或临界粒径对应的临界沉降速度：与最小粒径或临界粒径对应的临界沉降速度：smut/4.05245tpp1818 2.6 100.480 m()g(30000.75)9.8ud假设流型并校核，有：假设流型并校核，有：第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述27第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例2ppt()g0.1m/s18du(2)直径为直径为40m的颗粒必在层流区沉降，其沉降速度的颗粒必在层流区沉降，其沉降速度ut：故理论上故理论上直径直径
23、40m颗粒的沉降颗粒的沉降高度高度H H=ut=0.1(L/ut)=0.5m设降尘室入口炉气均布，在降尘室入口端处于设降尘室入口炉气均布，在降尘室入口端处于顶部及其附近顶部及其附近的的d=40m的尘粒的尘粒，它们，它们随气体到达出口时还没有沉随气体到达出口时还没有沉到底，到底，而入口而入口端处于距室底端处于距室底0.5m以下以下的尘的尘粒均能除去，粒均能除去，所以除尘所以除尘效率效率：=H/H=0.5/2=25%第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述28第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例(3)要完全回收要完全回收15m的颗粒，可在降尘室内设置水平隔板，的
24、颗粒，可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室。隔板层数使之变为多层降尘室。隔板层数n及板间距及板间距h的计算为：的计算为：圆整取圆整取 n=28，则，则隔板隔板间距：间距：h=H/(n+1)=2/29=0.069m故故理论上理论上在在原降尘室内原降尘室内设设28层层隔板可隔板可全部全部回收回收15m的颗粒的颗粒。26ppt5()g(15 10)(30000.75)9.810.014 m/s1818 2.6 102dut427.32 5 0.014 QnBLu加长加长L或增加宽度或增加宽度B，是否可行？，是否可行？第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述29第一章第一章 固体颗粒及其特性固体
25、颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例(3)要完全回收要完全回收15m的颗粒，可在降尘室内设置水平隔板，的颗粒，可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室。隔板层数使之变为多层降尘室。隔板层数n及板间距及板间距h的计算为：的计算为：圆整取圆整取 n=28，则，则隔板隔板间距：间距：h=H/(n+1)=2/29=0.069m故故理论上理论上在在原降尘室内原降尘室内设设28层层隔板可隔板可全部全部回收回收15m的颗粒的颗粒。26ppt5()g(15 10)(30000.75)9.810.014 m/s1818 2.6 102dut427.32 5 0.014 QnBLu加长加长L或增加宽度或增
26、加宽度B，是否可行？，是否可行？第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述30第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例降尘室的设计计算降尘室的设计计算(1)计算计算ut：(2)确定底面积及确定底面积及B，L：(3)确定沉降高度确定沉降高度H：已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相物性参数。已知含尘气体的流量，粉尘的排放标准，气固两相物性参数。设计计算步骤：设计计算步骤：2ppt()g18dutQBLutQBLutLHuutLuHu第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述31第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例说明：说明：l
27、沉降速度沉降速度ut应按需要分离下来的最小颗粒计算应按需要分离下来的最小颗粒计算；l气流速度气流速度u不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把已经沉不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起降下来的颗粒重新卷起。l降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，效率，效率低，低，通常仅通常仅适用于直径大于适用于直径大于50-100m的颗粒的颗粒，作，作预预除尘除尘。l多层降尘室虽能多层降尘室虽能分离分离50m以下以下的的颗粒，并节省地面，颗粒，并节省地面，但存在诸多问题。但存在诸多问题。例题例题中在中在 2m 高度上加高度上加 28 层不可行，层不可行，安
28、装，支撑，找平等安装，支撑，找平等。另外另外，排灰也，排灰也不可能。不可能。而在沉降器内而在沉降器内加设一些立式角钢等，形成惯性分离，是提高分加设一些立式角钢等，形成惯性分离，是提高分离效率的好方法离效率的好方法。第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述32第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述33第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述34第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例二、惯性分离器二、惯性分离器分离机理分
29、离机理：利用：利用气体和颗粒的气体和颗粒的密度差，当气流密度差，当气流急速改变方向急速改变方向时时，颗粒脱离，颗粒脱离流线从流线从气流中分气流中分离下来离下来。这种。这种惯性分离器，惯性分离器，气气流旋转流旋转角度小于角度小于360。第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述35第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例 结构形式结构形式冲击式气流冲击挡板捕集较粗粒子冲击式气流冲击挡板捕集较粗粒子反转式改变气流方向捕集较细粒子反转式改变气流方向捕集较细粒子冲击式惯性除尘冲击式惯性除尘装置装置a单单级级 b多级多级 反转式惯性除尘反转式惯性除尘装置装置a 弯管型弯管型 b 百叶窗型百叶窗型 c 多层隔板型多层隔板型第一篇第一篇 气固分离概述气固分离概述36第一章第一章 固体颗粒及其特性固体颗粒及其特性降尘室计算举例降尘室计算举例 应用应用 一般净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘一般净化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘 净化效率不高，一般只用于多级除尘中的一级除尘，净化效率不高，一般只用于多级除尘中的一级除尘，捕集捕集1020m以上的粗颗粒以上的粗颗粒 压力损失压力损失1001000Pa
