粉体力学4-1.ppt

1.3.3重力沉降设备 1、降尘室 借重力沉降从气流中除去 尘粒的设备称为降尘室。,令 l降尘室的长度，m； h降尘室的高度，m； b降尘室的宽度，m； u气体在降尘室的水平 通过速度，m/s； Vs降尘室的生产能力 （即含尘气通过降尘室的体积流量），m3/s。,颗粒沉降所需沉降时间为,则 气体的停留时间为,沉降分离满足的基本条件为 T Tt 或,降尘室的生产能力为,理论上降尘室的生产能力只与其沉降面积bl及颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室高度h无关。故降尘室应设计成扁平形，或在室内均匀设置多层水平隔板，构成多层降尘室。,多层降尘室生产能力： VS(n+1)ut·lb,2、说明,沉降速度ut应按需要分离下来的最小颗粒计算； 气流速度u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。为此，应保证气体流动的雷诺准数处于滞流范围之内； 降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常仅适用于分离直径大于50m的颗粒，用于过程的预除尘。 多层降尘室虽能分离细小的颗粒，并节省地面，但出灰麻烦。,3、降尘室的计算,设计型,操作型,已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小,用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量。,例1 拟采用降尘室回收常压炉气中所含的固体颗粒，降尘室底面积为10m2，宽和高均为2m，炉气处理量为4m3/s。操作条件下气体密度为0.75kg/m3，粘度2.6×10-5Pa·s,固体密度为 3000kg/m3。求(1)理论上能完全捕集下来的最小粒径；(2)粒径为40m颗粒的回收百分率；(3)若完全回收直径为15m的尘粒，对降尘室应作如何改进?,解：(1)能完全分离出的最小颗粒的沉降速度,假设沉降属于滞流区，因而能除去最小颗粒直径：,核算沉降流型,原假设正确,(2)直径为40m的颗粒必在滞流区沉降，其沉降速度ut：,颗粒沉降所需的时间为：T=lb·H/VS=10×2/4=5s 故理论上直径40m的颗粒在此时间内沉降高度,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的 d=40m的尘粒，因其ut0.4m/s，它们随气体到达出口时还没 有沉到底而随气体带出，而入口端处于距室底0.503m以下的 40m的尘粒均能除去，所以40m尘粒的除尘效率：,=H/H=0.503/2=25.15%,(3)要完全回收直径为15m的颗粒，则可在降尘室内设置水平隔板，使之变为多层降尘室。降尘室内隔板层数n及板间距h的计算为：,取n=28,则隔板间距 h=H/(n+1)=2/29=0.069m 因而在原降尘室内设置28层隔板理论上可全部回收直径 为15m的颗粒。,例题二：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427，相应的密度=0.5kg/m3，粘度=3.4×10-5Pa.s，固体颗粒的密度S=4000kg/m3，操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求： 1）降尘室的总高度H，m； 2）理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； 3）粒径为40m的颗粒的回收百分率。,解：1）降尘室的总高度H,2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸,用试差法由ut求dmin。 假设沉降在斯托克斯区,核算沉降流型,原假设正确 3、粒径为40m的颗粒的回收百分率 粒径为40m的颗粒定在滞流区 ，其沉降速度,气体通过降沉室的时间为：,直径为40m的颗粒在12s内的沉降高度为：,假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。 直径为40m的颗粒被回收的百分率为：,球形度,对于球形颗粒，s=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度s值愈低。 对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代替 。,颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数愈大 但s值对的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。,1.3.4 非球形颗粒在重力场中的自由沉降,1.4 颗粒间的作用力,1.4.1 分子间的范德华力 1.4.2 颗粒间的范德华力 1.4.3 颗粒间的毛细力 1.4.4 颗粒间的静电力,固体颗粒容易聚集在一起，尤其是细颗粒 颗粒之间存在附着力 粉体的摩擦特性、流动性、分散性、可压缩性等 分子间的范德华力 颗粒间的范德华力 附着水分的毛细管力 颗粒间的静电力 磁性力 颗粒表面不平引起的机械咬合力,概述,3、作用（附着）力是指颗粒与平面、颗粒与颗粒等之间，垂直作用于接触面的相互引力。,4、实际的粉体粘着和团聚性，通常认为与作用在颗粒上的力相平衡（在重力作用下是颗粒的自重）。,2、固体颗粒是非常容易聚集在一起的，尤其当颗粒很细小的时候，这充分说明颗粒与颗粒之间存在着作用(附着)力。,1、分散与凝聚是颗粒群中粒子存在的两种不同的状态。,1.4.1 分子间引力范德华引力,小分子能聚集并规则地排列成分子晶体（大分子）， 且各种分子晶体的熔点、沸点、硬度等不同，说明分子之 间有作用力存在即分子间力或称范德华力 （荷兰，1873年）,（1）取向力 （2）诱导力 （3）色散力 永远存在于分子或原子之间的一种作用力；是吸引 力，作用能量约比化学键小1-2数量级；力的作用很小， 无方向性和饱和性； 经常是以色散力为主。,分子间的范德华力(van der Waals interaction force)来源：取向力、诱导力和色散力 取向力 二个极性分子的固有偶极将同极相斥而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力 诱导力 非极性分子在极性分子的固有偶极的作用下，发生极化，产生诱导偶极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用力 色散力 非极性分子之间，由于组成分子的正、负微粒不断运动，产生瞬间正、负电荷重心不重合，出现瞬时偶极，瞬时偶极间的作用力,分子间的范德华力(van der Waals interaction force)来源：色散力、诱导力和取向力 极性分子间有色散力，诱导力和取向力； 极性分子与非极性分子间有色散力和诱导力； 非极性分子间只有色散力。,实验证明，对大多数分子来说，色散力是主要的；只有偶极矩很大的分子(如水)，取向力才是主要的；而诱导力通常是很小的。,P19 表1-11 一些分子间相互作用常数,1.4.2 颗粒间的范德华引力,一、Hamaker理论,微粒可以看做是大量分子的集合体。Hamaker假设，微粒间的相 互作用等于组成它们的各分子之间的相互作用的加和。,分子之间的Vander Waals作用，指的是以下三种涉及偶极子的相互 作用：此三种相互作用全系负值，即表现为吸引，其大小与分子间距离 的六次方成反比。,两个直径为1um的球形颗粒在表面间距为0.01um 时的相互吸引力为4X10-12N；如果颗粒的密度大到 为10X103Kg/m3，直径为1um的一个颗粒所受的重力 为5X10-14N，因此颗粒的相互引力比重力大得多， 两个这样的颗粒不会因为重力产生分离。,结论,注 意,1、上述公式严格适用于真空中的两个颗粒，有时也近似适用于空气中的情况。,2、其他介质中，需要使用有效的Hamakar常数，其近似表达式为,3、有效Hamakar常数比在真空中的常数小一个数量级。若固体与液体的物质本性接近，即A11与A22越接近，则A越小。因此溶剂化极好的颗粒之间就不存在这种吸引力。,注 意,4、这些范德华力及其产生的位能随着颗粒间距离的增加而减小。,当颗粒表面吸附环境气体时，将增加颗粒间的范德华力。,二、 吸附气体的影响,当颗粒相互接触时，接触点有变形时，将增加范德华力。,三、 颗粒粗变形的影响,范德华力随颗粒表面粗糙度半径的增加而迅速衰减。,三、 表面粗糙度的影响,R，10nm，F主要是母颗粒的Waals力；,R，100nm，F主要是表面粗糙度与另一颗粒的Waals力；,实际的粉末往往会含有水分，所含的水分有化合水分(如结晶水)、表面吸附水分和附着水分等，附着水分是指两个颗粒接触点附近的毛细管水分。,1.4.3 颗粒间的毛细力,水的表面张力的收缩作用将引起对两个颗粒之间的牵引力，有时也称为毛细管力。实际上，这种颗粒间的联结力是毛细管的负压力与液体表面张力的合力。,颗粒间的毛细力 当粉体暴露在湿空气中时，颗粒将吸收空气中的水分。当空气的湿度接近饱和状态时，不仅颗粒本身吸水，而且颗粒间的空隙也将有水分凝结，在颗粒接触点处形成液桥（liquid bridge）。形成液桥的临界湿度不仅取决于颗粒的性质，还于温度和压力有关。实验研究表明，形成液桥的临界湿度在60-80%之间。,1、由于蒸汽压的不同和粉体颗粒表面不饱和力的作用，大气中的水分子因凝结或者吸附在颗粒的表面，形成水膜（厚度取决于粒子表面的亲水程度和空气本身的湿度）。,2、粒子表面的水分多到粒子接触点处形成环状的液相时，就开始产生液桥力，这样又会加速颗粒的聚集。随着液体的增多，粒间液相还可形成多种不同的状态。,颗粒间液相状态,什么是液桥：,液桥的形成原因：,1、粉体与固体或粉体颗粒相互间的接 触部分或间隙部分存在液体时，称为液 体桥。 2、由液体桥所产生的颗粒间的附着力 是液体的表面张力和毛细管压形成的 (所谓毛细管压是由曲面的内外压差形 成的负压)。,1、由于水蒸气的毛细管凝 缩。 （1）过滤、离心分离造粒等 单元操作过程中形成； （2）在大气压下存放粉体时 （3）单元操作中的液桥力大 2、液桥力的大小同湿度，即 同水蒸气吸附量有关。 3、吸附量和液体桥的形式取 决于粉体表面对水蒸气亲和 性的大小、颗粒形状以及接 触状况等。,液桥,1-130,当颗粒间形成液桥时，由于表面张力和毛细压差的作用，颗粒间将有作用力存在，称为毛细力。,颗粒间毛细力的计算公式为：,表面张力,1-131,考虑几何关系：,1-133,1-132,当颗粒尺寸相等时，即=1，颗粒间的毛细力变为：,当颗粒与平面接触时，即，颗粒与平面的毛细力变为：,1、液体桥的破坏，是出现在最窄的断面上，通 常情况下，较小的力就能在液体桥最窄的断面产生 破坏。,结论,2、玻璃球的大小与附着力,