《粉体力学》PPT课件.ppt

1.3.31.3.3重力沉降设备重力沉降设备1、降尘室 借重力沉降从气流中除去借重力沉降从气流中除去尘粒的设备称为降尘室尘粒的设备称为降尘室 令令 l——降尘室的长度，降尘室的长度，m；； h——降尘室的高度，降尘室的高度，m；；b——降尘室的宽度，降尘室的宽度，m；；u——气体在降尘室的水平气体在降尘室的水平通过速度，通过速度，m/s；；Vs——降尘室的生产能力降尘室的生产能力（即含尘气通过降尘室的体积流量），（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颗粒沉降所需沉降时间为 则则 气体的停留时间为气体的停留时间为Hbluu t沉降分离满足的基本条件为沉降分离满足的基本条件为 T T ≥≥T Tt 或或 降尘室的生产能力为降尘室的生产能力为 理理论论上上降降尘尘室室的的生生产产能能力力只只与与其其沉沉降降面面积积bl及及颗颗粒粒的的沉沉降降速速度度ut有有关关，，而而与与降降尘尘室室高高度度h无无关关故故降降尘尘室室应应设设计计成成扁扁平平形形，，或或在在室室内内均均匀匀设设置置多多层层水水平平隔隔板板，，构构成成多层降尘室。

多层降尘室多层降尘室生产能力：多层降尘室生产能力： V VS S≤(n+1)u≤(n+1)ut t··lblb2、、〖〖说明说明〗〗w沉降速度ut应按需要分离下来的最小颗粒计算；w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；w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50μm的颗粒，用于过程的预除尘w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 3、降尘室的计算、降尘室的计算、降尘室的计算、降尘室的计算 降尘室的计算降尘室的计算 设计型设计型操作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w例1 拟采用降尘室回收常压炉气中所含的固体颗粒，降尘拟采用降尘室回收常压炉气中所含的固体颗粒，降尘室底面积为室底面积为10m2，，宽和高均为宽和高均为2m，，炉气处理量为炉气处理量为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2.6×10-5Pa·s,固体固体密度为密度为 3000kg/m3。

求求(1)理论上能完全捕集下来的最小粒理论上能完全捕集下来的最小粒径；径；(2)粒径为粒径为40μm颗粒的回收百分率；颗粒的回收百分率；(3)若完全回收直若完全回收直径为径为15μm的尘粒，对降尘室应作如何改进的尘粒，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：：核算沉降流型核算沉降流型 ∴原假设正确原假设正确w(2)直径为40μm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：颗粒沉降所需的时间为：T=T=lb·Hlb·H/V/VS S=10×2/4=5s=10×2/4=5s故理论上直径故理论上直径40μm40μm的颗粒在此时间内沉降高度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=40μmd=40μm的尘粒，因其的尘粒，因其u ut t<0.4m/s<0.4m/s，，它们随气体到达出口时还没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有沉到底而随气体带出，而入口端处于距室底0.503m0.503m以下的以下的40μm40μm的尘粒均能除去，所以的尘粒均能除去，所以40μm40μm尘粒的除尘效率：尘粒的除尘效率：η=H′/H=0.503/2=25.15%η=H′/H=0.503/2=25.15%η=H′/H=0.503/2=25.15%η=H′/H=0.503/2=25.15%w(3)要要完完全全回回收收直直径径为为15μm的的颗颗粒粒，，则则可可在在降降尘尘室室内内设设置置水水平平隔隔板板，，使使之之变变为为多多层层降降尘尘室室。

降降尘尘室室内内隔隔板板层层数数n及板间距及板间距h的计算为：的计算为：取取n=28,n=28,则隔板间距则隔板间距h=H/(n+1)=2/29=0.069mh=H/(n+1)=2/29=0.069m因而在原降尘室内设置因而在原降尘室内设置2828层隔板理论上可全部回收直径层隔板理论上可全部回收直径为为15μm15μm的颗粒的颗粒 例例题题二二：：拟拟采采用用降降尘尘室室除除去去常常压压炉炉气气中中的的球球形形尘尘粒粒降降尘尘室室的的宽宽和和长长分分别别为为2m和和6m,气气体体处处理理量量为为1标标m3/s，，炉炉气气温温度度为为427℃，，相相应应的的密密度度ρ=0.5kg/m3，，粘粘度度μ=3.4×10-5Pa.s，，固固体体颗颗粒粒的的密密度度ρS=4000kg/m3，，操操作作条条件件下下，，规规定气体速度不大于定气体速度不大于0.5m/s，，试求：试求：1）降尘室的总高度）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；）理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；3））粒径为粒径为40μm的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率解：解：1）降尘室的总高度降尘室的总高度H2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸理论上能完全出去的最小颗粒尺寸 用试差法由用试差法由ut求求dmin。

假设沉降在斯托克斯假设沉降在斯托克斯区 核算沉降流型核算沉降流型 ∴原假设正确原假设正确 3、粒径为、粒径为40μm的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率粒径为粒径为40μm的颗粒定在滞流区的颗粒定在滞流区 ，其沉降速度，其沉降速度 气体通过降沉室的时间为：气体通过降沉室的时间为： 直径为直径为40μm的颗粒在的颗粒在12s内的沉降高度为：内的沉降高度为： 假假设设颗颗粒粒在在降降尘尘室室入入口口处处的的炉炉气气中中是是均均匀匀分分布布的的，，则则颗颗粒粒在在降降尘尘室室内内的的沉沉降降高高度度与与降降尘尘室室高高度度之之比比约约等等于于该该尺尺寸寸颗颗粒被分离下来的百分率粒被分离下来的百分率直径为直径为40μm的颗粒被回收的百分率为：的颗粒被回收的百分率为： 球形度对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度φs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 颗粒的球形度愈小球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数阻力系数ＣＣＤＤ愈大愈大但φs值对ＣＤ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 1.3.4 非球形颗粒在重力场中的自由沉非球形颗粒在重力场中的自由沉降降1.4 颗粒间的作用力颗粒间的作用力1.4.1 1.4.1 分子间的范德华力分子间的范德华力1.4.2 1.4.2 颗粒间的范德华力颗粒间的范德华力1.4.3 1.4.3 颗粒间的毛细力颗粒间的毛细力1.4.4 1.4.4 颗粒间的静电力颗粒间的静电力w固体颗粒容易聚集在一起，尤其是细颗粒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颗粒之间存在附着力w粉体的摩擦特性、流动性、分散性、可压缩性等粉体的摩擦特性、流动性、分散性、可压缩性等ª分子间的范德华力分子间的范德华力ª颗粒间的范德华力颗粒间的范德华力ª附着水分的毛细管力附着水分的毛细管力ª颗粒间的静电力颗粒间的静电力ª磁性力磁性力ª颗粒表面不平引起的机械咬合力颗粒表面不平引起的机械咬合力概述概述3 3、作用（、作用（、作用（、作用（附着）力是指附着）力是指颗粒与平面、粒与平面、颗粒与粒与颗粒等之粒等之间，垂直作用于接触面的相互引力。

垂直作用于接触面的相互引力4 4、、、、实际的粉体粘着和的粉体粘着和团聚性，通常聚性，通常认为与作用与作用在在颗粒上的力相平衡（在重力作用下是粒上的力相平衡（在重力作用下是颗粒的自粒的自重重）2 2、、、、固体固体颗粒是非常容易聚集在一起的，尤其当粒是非常容易聚集在一起的，尤其当颗粒很粒很细小的小的时候，候，这充分充分说明明颗粒与粒与颗粒之粒之间存在着作用存在着作用( (附着附着) )力1 1、、、、分散与凝聚是分散与凝聚是颗粒群中粒子存在的两种不同的粒群中粒子存在的两种不同的状状态1.4.1 分子间引力分子间引力——范德华引力范德华引力两个分子间的范德华吸引位能两个分子间的范德华吸引位能与与分子本身有关的引力常数分子本身有关的引力常数分子间距分子间距 小分子能聚集并规则地排列成分子晶体（大分子），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间有作用力存在――――即分子间力或称范德华力即分子间力或称范德华力 （荷兰，（荷兰，18731873年）年）（（1 1）取向力）取向力 （（2 2）诱导力）诱导力 （（3 3）色散力）色散力 永远存在于分子或原子之间的一种作用力；永远存在于分子或原子之间的一种作用力；是吸引是吸引力，作用能量约比化学键小力，作用能量约比化学键小1-21-2数量级；数量级；力的作用很小，力的作用很小，无方向性和饱和性；无方向性和饱和性； 经常是以色散力为主。

经常是以色散力为主w分子间的范德华力分子间的范德华力(van der Waals interaction force)来源：来源：取向力取向力、、诱导力诱导力和和色散力色散力ª取向力取向力 二个极性分子的固有偶极将同极相斥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而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力ª诱导力诱导力 非极性分子在极性分子的固有偶极的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偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用力力ª色散力色散力 非极性分子之间，由于组成分子的正、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重合，出现瞬时偶极，瞬时偶极间的作用力w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ª极性分子间有色散力，诱导力和极性分子间有色散力，诱导力和取向力取向力；；ª极性分子与非极性分子间有色散力和极性分子与非极性分子间有色散力和诱导力诱导力；；ª非极性分子间只有非极性分子间只有色散力色散力。

☻实实验验证证明明，，对对大大多多数数分分子子来来说说，，色色散散力力是是主主要要的的；；只只有有偶偶极极矩矩很很大大的的分分子子( (如如水水) )，，取取向向力力才才是是主主要要的的；；而诱导力通常是很小的而诱导力通常是很小的☻P19 P19 表表1-11 1-11 一些分子间相互作用常数一些分子间相互作用常数1.4.2 颗粒间的范德华引力颗粒间的范德华引力两个两个颗粒的吸引位能粒的吸引位能相应的引力相应的引力一、一、Hamaker理论理论 微粒可以看做是大量分子的集合体微粒可以看做是大量分子的集合体HamakerHamaker假设，微粒间的相假设，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 分子之间的分子之间的Vander WaalsVander Waals作用，指的是以下三种涉及偶极子的相互作用，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的六次方成反比  两两个个直径为直径为1um1um的球形颗粒在表面间距为的球形颗粒在表面间距为0.01um0.01um时的时的相互吸引力为相互吸引力为4 4X10X10-12-12N N；；如果颗粒的密度大到如果颗粒的密度大到为为1010X10X103 3Kg/mKg/m3 3，，直径为直径为1um1um的的一个颗粒所受的重力一个颗粒所受的重力为为5 5X10X10-14-14N N，，因此颗粒的相互引力比重力大得多，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。

两个这样的颗粒不会因为重力产生分离结论结论 注注 意意1 1、、、、上述公式严格适用于真空中的两个颗粒，有时也近似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适用于空气中的情况2 2、、、、其他介质中，需要使用有效的其他介质中，需要使用有效的HamakarHamakar常数常数，其近似表，其近似表达式为达式为3 3、、、、有效有效HamakarHamakar常数比在真空中的常数小一个数量级若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，即固体与液体的物质本性接近，即A A1111与与A A2222越接近，则越接近，则A A越小因此溶剂化极好的颗粒之间就不存在这种吸引力因此溶剂化极好的颗粒之间就不存在这种吸引力作为介质颗粒在真空中的作为介质颗粒在真空中的HamakarHamakar常数常数固体颗粒在真空中的固体颗粒在真空中的HamakarHamakar常数常数 注注 意意4 4、、、、这些范德华力及其产生的位能随着颗粒间距离的增加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当颗粒表面吸附环境气体时，将增加颗粒间的范德华力。

当颗粒表面吸附环境气体时，将增加颗粒间的范德华力当颗粒表面吸附环境气体时，将增加颗粒间的范德华力二、二、 吸附气体的影响吸附气体的影响相应的引力相应的引力气体吸附常数气体吸附常数当颗粒相互接触时，接触点有变形时，将增加范德华力当颗粒相互接触时，接触点有变形时，将增加范德华力当颗粒相互接触时，接触点有变形时，将增加范德华力当颗粒相互接触时，接触点有变形时，将增加范德华力三、三、 颗粒粗变形的影响颗粒粗变形的影响变形后接触面积变形后接触面积颗粒的接触直径颗粒的接触直径 颗粒的接触面积增加，就增加了颗粒间距离较近的分子颗粒的接触面积增加，就增加了颗粒间距离较近的分子数，从而增加了颗粒间的引力势能数，从而增加了颗粒间的引力势能原因：原因：范德华力随颗粒表面粗糙度半径的增加而迅速衰减范德华力随颗粒表面粗糙度半径的增加而迅速衰减范德华力随颗粒表面粗糙度半径的增加而迅速衰减范德华力随颗粒表面粗糙度半径的增加而迅速衰减三、三、 表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响表面粗糙度半径表面粗糙度半径 R，，<10nm，，F主要是母颗粒的主要是母颗粒的WaalsWaals力；力； R，，>100nm，，F主要是表面粗糙度与另一颗粒的主要是表面粗糙度与另一颗粒的WaalsWaals力；力； 图 颗粒间的附着水分 实际的粉末往往会含有水分，所含的水分有化合水分的粉末往往会含有水分，所含的水分有化合水分( (如如结晶水晶水) )、、表面吸附水分和附着水分表面吸附水分和附着水分等，等，附着水分是指两个附着水分是指两个颗粒接触点附近的粒接触点附近的毛毛细管水分。

管水分1.4.3 颗粒间的毛细力颗粒间的毛细力 水的表面水的表面张力的收力的收缩作用将引起作用将引起对两个两个颗粒之粒之间的的牵引力，有引力，有时也称也称为毛毛细管力实际上，上，这种种颗粒粒间的的联结力是毛力是毛细管的管的负压力力与液体表面与液体表面张力的合力力的合力 w颗粒间的毛细力ª当粉体暴露在湿空气中时，颗粒将吸收空气中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（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）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明，形成液桥的临界湿度在60-80%之间 粒子表面的粒子表面的亲水力比水力比较强强、空气、空气的湿度大，的湿度大，则水膜的厚度越厚水膜的厚度越厚1 1、、、、由于蒸汽由于蒸汽压的不同和粉体的不同和粉体颗粒表面不粒表面不饱和力的作用，和力的作用，大气中的水分子因凝大气中的水分子因凝结或者吸附在或者吸附在颗粒的表面，形成水膜粒的表面，形成水膜（（厚度取决于粒子表面的厚度取决于粒子表面的亲水程度和空气本身的湿度水程度和空气本身的湿度））。

2 2、、、、粒子表面的水分多到粒子接触点粒子表面的水分多到粒子接触点处形成形成环状的液相状的液相时，，就开始就开始产生液生液桥力，力，这样又会加速又会加速颗粒的聚集随着液粒的聚集随着液体的增多，粒体的增多，粒间液相液相还可形成多种不同的状可形成多种不同的状态摆动状态链索状态毛细管状态浸渍状态图图 颗粒间液相状态颗粒间液相状态颗粒间液相状态颗粒间液相状态 颗粒接触点上存颗粒接触点上存 在透镜状或环状在透镜状或环状 的液相，液相互的液相，液相互 不连续不连续 随着液体量增多，环随着液体量增多，环 张大，颗粒空隙中的张大，颗粒空隙中的 液相相互连结成网状，液相相互连结成网状， 空气分布其中空气分布其中 颗粒群浸在颗粒群浸在 液体中，存液体中，存 在自由液面在自由液面 颗粒间的所有空隙被颗粒间的所有空隙被 液体充满，仅在粉体液体充满，仅在粉体 层表面存在气液界面层表面存在气液界面什么是液桥什么是液桥：：液桥的形成原因：液桥的形成原因： 1 1、粉体与固体或粉体颗粒相互间的接、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，称为液触部分或间隙部分存在液体时，称为液体桥。

体桥2 2、由液体桥所产生的颗粒间的附着力、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所谓毛细管压是由曲面的内外压差形成的负压成的负压) ) 1 1、、由于水蒸气的毛由于水蒸气的毛细管凝管凝缩1 1））过滤、离心分离造粒、离心分离造粒等等单元操作元操作过程中形成程中形成；；（（2 2））在大气在大气压下存放粉体下存放粉体时（（3 3）单元操作中的）单元操作中的液液桥力大力大2 2、、液液桥力的大小同湿度，即力的大小同湿度，即同水蒸气吸附量有关同水蒸气吸附量有关3 3、、吸附量和液体吸附量和液体桥的形式取的形式取决于粉体表面决于粉体表面对水蒸气水蒸气亲和和性的大小、性的大小、颗粒形状以及接粒形状以及接触状况等触状况等 液桥液桥1-130当当颗颗粒粒间间形形成成液液桥桥时时，，由由于于表表面面张张力力和和毛毛细细压压差差的的作作用，颗粒间将有作用力存在，称为毛细力用，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：颗粒间毛细力的计算公式为：表面张力表面张力1-131考虑几何关系：考虑几何关系：1-1331-132当颗粒尺寸相等时，即当颗粒尺寸相等时，即β=1，颗粒间的毛细力变为：，颗粒间的毛细力变为：当当颗颗粒粒与与平平面面接接触触时时，，即即β→∞，，颗颗粒粒与与平平面面的的毛毛细细力力变为：变为： 1 1、液体桥的破坏，是出现在最窄的断面上，通、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常情况下，较小的力就能在液体桥最窄的断面产生破坏。

破坏 结论结论玻璃球玻璃球半径半径r（（um））钳角钳角 毛管负压毛管负压p（（N））表面张力表面张力  （（N））附着力附着力F （（N））自重自重（（N））F/自重自重10000.1626.37 X10X10-4-41.27 X10X10-6-66.38X10X10-4-41.03 X10X10-4-46.191000.5116.33 X10X10-5-54.02X10X10-7-76.37X10X10-5-51.03X10X10-7-76.18X10X102 2101.626.20 X10X10-6-61.26 X10X10-7-76.33 X10X10-6-61.03 X10X10-10-106.15X10X104 415.105.81 X10X10-7-73.91X10X10-8-86.20 X10X10-7-71.03X10-X10-13136.02X10X106 62 2、玻璃球的大小与附着力、玻璃球的大小与附着力。