顆粒床過濾中最難過濾粒子粒徑及最具穿透率流速研究.docx

1、流態(tài)化與氣溶膠3/-,V,n,.，顆粒床過濾中最難過濾粒子粒徑及最具穿透率流速研究王啟燕，何啟梅，王志強(qiáng)(西北核技術(shù)研究所.陜內(nèi)西安710024)摘要：研完了顆粒床過波中4種機(jī)理聯(lián)合作用下的最具穿透奉粒子校徑及景具穿透率氣體流速特當(dāng)氣體流速、過濾介質(zhì)杖徑均不變時，得列了計算最推過濾栓子粒徑的理論方程；當(dāng)氣溶膠ti子柱徑、過注介質(zhì)性徑均不變時，得到了計算最具穿透率流速的理論方程，通過實檢教據(jù)驗證了理論的正確性。關(guān)鍵詞：氣淀般；過透；歆承過泳校徑；氏戒過沽流速中圖分類號：X513文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號：1()08-5548(2008)06-0022-04StudyonMostPenetrantPa

2、rticleSizeandFlowVelocityinGranularBedFiltrationWangQiyan,HeQimei,WangZhiqicmg(NorthwestInstituteonNuclearTechnology,Xian710024.China)Abstract:Thecharacteristicsofmostpenetrantparticlesizeandflowvelocityingranularbedfiltrationbyfourunitedmechanismwerestudied.Whentheflowvelocityandfiltrationmediumdia

3、meterdidntchange,thetheoreticalequationofcomputingmostpenetrantparticlesizewasgained.Whenbothoftheaerosolandfiltrationmediumparticlediameterdidntchange,thetheoreticalequationofcomputingmostpenetrantflowvelocitywasgained.Theexperimentaldatafurtherprovedthecorrectnessofaboveresults.Keywords:aerosol；fi

4、ltration；mostpenetrantparticlesize；mostpenetrantflowvelocity氣溶膠過濾中使用較多的是纖維濾器和多孔膜式濾器，其次是顆粒床濾器。顆粒床濾器是利用細(xì)顆粒作為過濾材料，將少量粒子從各種流體中分離出來的處理方法。除了用于處理水和空氣，顆粒床濾器還訶以用于處理燃燒產(chǎn)物、溶化的金屬、石油化工原料、聚合體等。顆粒床濾器中通常使用的材料是砂子，它常用于高溫、高壓等惡劣環(huán)境下，如燃煤發(fā)電廠和煉鋼廠的尾氣凈化、核工業(yè)產(chǎn)生的放射性氣溶膠的過濾等。收稿日期：2008-01-14。第一作者簡介：王啟燕(1972-),男.高級工程帥，碩士.主要從串氣溶股和人員輻

5、射防護(hù)領(lǐng)域的研究工作。E-mail:wqylcy-氣溶膠粒子沉積在顆粒床濾器中的收集體上主要有如下幾種機(jī)理慣性碰撞、布朗擴(kuò)散、重力沉降、直接截留、靜電吸引、熱泳沉積等。當(dāng)小粒子沿著非截留流線在收集體旁邊流過時，布朗運(yùn)動會大大地增加粒子撞在收集體上的可能性.一旦碰撞發(fā)生，由于粒子表面與收集體表面間范德華力的作用，粒子將會粘附在收集體表面。單個收集體的擴(kuò)散收集效率加主要取決于無量綱參數(shù)Peclet數(shù)Pe:(1)式中：Dg為收集體的直徑，cm；U為氣流的正面速度,cm/s；OB為氣溶膠粒子的擴(kuò)散系數(shù),cm2/s當(dāng)粒子尺寸足夠大時粒子由于慣性在收集體附近流線突然改變的區(qū)段不能足夠迅速地調(diào)整，從而離開流

6、線撞在收集體上時.就出現(xiàn)了粒子在收集體上的慣性碰撞。單個收集體的慣性碰撞收集效率主要取決于無址綱參數(shù)Stokes數(shù)：Stk=pCJUJDG(2)式中：S次為Stokes無量綱參數(shù)；pp為氣溶膠粒子的密度,g/cm、；Op為氣溶膠粒子的直徑,cm；Cp為氣溶膠粒子的卡寧漢滑移修正因子普為氣體的粘滯系數(shù),g/(cm-s)o當(dāng)粒子隨著氣體的流線恰好進(jìn)入到距離收集體表面小于等于粒子半徑的時候,由于粒子尺寸一定，粒子會碰到收集體表面發(fā)生截留收集。單個收集體的截留收集效率取決于無最綱參數(shù)匕：Ra(3)式中:為直接截留無址綱參數(shù)；0為氣溶膠粒子的半徑,cm；a為收集體的半徑,cmo單個收集體的重力沉降收集效

7、率由伽利略數(shù)Ga和Stokes數(shù)的乘積無雖綱參數(shù)Grv控制：Ga=ag/U；(4)Grv=GaSfk(5)式中,Gq為伽利略數(shù);g為重力加速度,cm/s2o作者已經(jīng)分別研究了布朗擴(kuò)散、重力沉降、慣性碰撞、直接截留等機(jī)理在顆粒床濾器過濾氣溶膠粒子中的作用，并得出了4種機(jī)理單獨(dú)作用時if算單個顆粒收集效率的經(jīng)驗關(guān)系式和單個顆粒的總收集效率的：rj=19.80Pe-067+03Grv072+5.78Sf88+1.42/?p+0.00075(6)另一方面，根據(jù)顆粒床過濾的球型模型，只要收集體粒徑、過濾床密實度及厚度已知，就可以從所得到的單個顆粒的總收集效率汁算出相應(yīng)的穿透率國P=exp(-3/3L/2

8、DG)77(7)式中，P為氣溶膠粒子的穿透率;為過濾介質(zhì)的密實度為整個過濾床的厚度,cm；7?為單個收集體總收集效率。從國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看，很少有關(guān)于最難過濾氣溶膠粒子粒徑和最具穿透率氣體流速的研究報道。本文中主要從理論分析的角度，研究顆粒床過濾中最具穿透率粒子粒徑及氣體流速特征，并將理論計算結(jié)果與實驗值進(jìn)行比較，以檢驗理論的正確性。1最難過濾粒子的粒徑研究對式(6)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣體流速及過濾介質(zhì)粒徑均不變時,4種過濾機(jī)理聯(lián)合作用的結(jié)果使得總收集效率隨氣溶膠粒子粒徑的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，在亞微米附近有極小值，表現(xiàn)在宏觀現(xiàn)象上就是出現(xiàn)了最難過濾的粒子。為了更進(jìn)一步研究最難

9、過濾粒子粒徑隨流速、介質(zhì)粒徑的變化規(guī)律，對式(6)取偏導(dǎo)數(shù)得：票一=_13.266票性-成40.216察命嚴(yán)+加p瀝p叫5.0864嘿匕SWF42察(8)dDpdDp由于式(8)難于得到解析解，為了簡化計算，先討論當(dāng)過濾介質(zhì)粒徑和流速均不變時最難過濾氣溶膠粒徑，上式經(jīng)過簡化可以改寫為如下形式：爵53.266瓣/和.216翳GL+5.0864S妒%42柴(9)dpdp將式(1)-(5)代入上式化簡得，粉=詁WW+皿f(10)式中：化=一13.27(3砂嚴(yán)(11)右0.43(歐pCp/1職t/。)。72(12)灼=10.17(ppCpUJl電)g嚴(yán)8(13)心=1.42/g(14)式中，K為玻爾茲

10、曼常數(shù)；丁為絕對溫度，K。為了求出過濾介質(zhì)粒徑和氣體流速已知時的最難過濾粒子的粒徑，令：站。5)即：皿-成+松。*皿。沖知=0(16)當(dāng)過濾介質(zhì)粒徑和氣體流速已知時，待定系數(shù)燈虹可通過式(11)(M)直接計算。但是上式直接求解難度仍然較大，仰利用計算機(jī)在一定的氣溶膠粒子粒徑范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值求解，即可得到最難過濾粒子的粒徑。值得一提的是，在式(11)中含有氣溶膠粒子的卡寧漢滑移修正因子Cp,它實際上與氣溶膠粒子大小有關(guān)，在推異過程中為了簡化將其近似為常量:。從G的取值來看，當(dāng)氣溶膠粒徑從0.3wm增大到0.8jim時,Cp相應(yīng)從1.567降低到1.207,變化不大,對整個計算并無太大影響。為了驗證

11、理論的準(zhǔn)確性，利用式(16)計算出2cm厚1020目、2040目砂中各種流速下的最難過濾粒亍的粒徑，代入式(6)中計算出過濾介質(zhì)對該種粒子的單個顆粒總收集效率，然后通過式(7)計算出粒子的穿透率，與實驗數(shù)據(jù)同進(jìn)行比較，如圖1、2所示。考慮到實驗中研究氣溶膠粒子粒徑范圍廣(0.048.3|im)、氣體流速范圍大(0.29230cm/s),從圖1中可以看出，大部分情況F,理論計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)較好地保持了一致。在所研究的條件下，當(dāng)流速從0.29cm/s變化到8.17cm/s時，1020目砂中最難過濾粒子粒徑范圍的理論值為0.28-0.53jim,實驗值范圍為0.320.50*m；2040目砂中最難

12、過濾粒子粒徑范圍的理論值為0.27-0.64jxm,實驗值為0.50Fxmo實驗數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果也同時表明最難過濾粒子粒徑受過濾介質(zhì)粒徑變化影響不大。從圖2可以看出，對于兩種粒徑的過濾介質(zhì)，最難過濾粒子穿透率的理論計算值和實驗數(shù)據(jù)基本保持-致,二者變化規(guī)律也相同。當(dāng)流速從0.29cm/s增大到8.17cm/s時，1020目砂中最難過濾粒子穿透率的理論值從74.91%增加到94.14%,實驗值從49.21%增加到99.12%；2040日砂中最難過濾粒子穿透率理論值從46.24%增加到83.94%,實驗值從37.73%增加到94.16%。理論計算和實羚均表明，流速增加引起收集效率下降，過濾介質(zhì)粒

13、徑減小使得氣溶膠粒子穿透率降低。0.301.774.026.06&17流速/(cms1)65605550454035Qo.oOO.QO.化為：祟二-13.266券此一0+0.216碧寫0”+dU0dU05.0864妒(18)將式(1)(5)代入上式化簡得，(19)式中：幻=-13.27(3砂OnDp/ATCp)(20)站-0.22(g%)pCp/l職)皿(21)穌=5.09彷心。/1職0；)。圈(22)為了求出過濾介質(zhì)粒徑和氣溶膠粒徑已知時的最具穿透率的流速，令：(23)ffi1201)厚1020、2040目砂中不同流速下晨琳過濾溶膠粒子的粒徑Fig.lMostpenetrantparticl

14、esizein2cmlength1020、2040meshsandunderdifferentflowvelocity908070605040流速/(cmr1)圖22cm厚1020、2040目砂中不同流速下最艱過濾氣溶膠粒子的穿透率Fig.2Penetrationofmostpenetrantparticlein2cmlength1020、2040meshsandunderdiflercntflowvelocity2最具穿透率的流速分析當(dāng)氣溶膠粒子粒徑、過濾介質(zhì)粒徑均不變時，式(6)表明，隨著流速的增加,4種機(jī)理聯(lián)合作用使得單個顆粒的總收集效率呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，反映在宏觀現(xiàn)象就是氣

15、溶膠粒子的穿透率隨流速增加先升高后降低，也就是說存在最具穿透率的流速。為了詳細(xì)研究最具穿透率流速隨氣溶膠粒徑、介質(zhì)粒徑的變化規(guī)律，對式(6)取偏導(dǎo)數(shù)得：察-=-13.266券W+0.216駕ACr；4-dU0dUQdUo5.0864-S店+1.42舞(17)當(dāng)氣溶膠粒徑和介質(zhì)大小不變時，上式可以簡即：農(nóng)+心小心湘(24)當(dāng)過濾介質(zhì)粒徑和氣溶膠粒徑已知時，待定系數(shù)kf可通過式(20)(22)計算同樣對上式進(jìn)行數(shù)值求解，既可求出同種粒徑氣溶膠粒子在一定大小過濾介質(zhì)中最具穿透率的流速。利用公式(24)計算出不同粒徑氣溶膠粒子在2cm厚1020目砂中最具穿透率的流速，代入式(6)計算出該流速下的單個顆

16、?？偸占?，再利用式(7)計算出對應(yīng)的最大穿透率，與實驗數(shù)據(jù)囹進(jìn)行比較，如圖3、4所示。從圖3中可以看出，實驗數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果基本保持一致。在所研究的條件下，當(dāng)氣溶膠粒子粒徑從0.50增加到3.15rim時，最具穿透率的流速范圍理論值從8.90cm/s減小到2.77cm/s,實驗值為8.17cm/so圖3不冏粒徑氣溶膠粒子在2cm厚】020目砂中的最具穿透率流速Fig.3Mostpenetrantflowvelocityofdifferentsizeparticlesin2cmlength1020meshsand100723.15氣溶膠粒徑/pm圖4表明，最具穿透率流速下

17、穿透率理論計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)基本保持一致，二者變化規(guī)律也相同。隨著氣溶膠粒子粒徑從0.50|im增加到3.15白m,最具穿透率流速下穿透率理論計算結(jié)果從93.63%減小到67.14%,實驗值從99.12%減小到86.23%,二者均隨粒徑的增加而減小。圖42cm厚1020目沙中不同粒徑，溶股粒子在最具穿諉率流速下的穿透率Fig.4Penetrationofdifferentsizeparticlesin2cmlength1020meshsandundermostpenetrantflowvelocity另一方面，從圖14中可以看出實驗數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果間仍然存在一定的差異。這主要由以下兩個方面的

18、因素造成：首先，實驗所用過濾介質(zhì)存在著一定的粒度分布范圍，并不絕對均一，介質(zhì)顆粒也不可能是真正的球體，而理論計算中假定過濾介質(zhì)的粒徑是完全均勻的，且是理想化的球體顆粒；其次，氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的粒子也帶有一定程度的多(上接第21頁)到粒子的動能損失，因此粒子質(zhì)量流量:不會影響到粒子的破損率。,參考文獻(xiàn)(References):1 TOMITAY.Funtaigijutsusyanotamenofuntaihandoringuhijutsu(JJ.KagakuSouchi,1999,41(5):23-72.2 KALMEANH,GODERD.Designcriteriaforparticleatt

19、rition(JJ.AdvancedPowderTechnology,1998.9:153-167.3 KONAMIM,TANAKAS,MATSUMOTOK.Attritionofhighbulkdensitygranulesbyb7!ow-tank-typedensephasepneumatictrans-portcrfJ.JSocPowderTechnolJapan.2002,39:4-11.4 UEDAH.KIMURAH,TOMITAY,etal.Influenceofpneumaticconveyanceonphysicalandchemicalpropertiesofwet-gran

20、ulespreparedbyextrudinggranulationJ.JSocPowderTcchnol,Japan,1999,36:819-824.5 UEDAH,LIJ,HORHK,ctal.StudyofswirlingpneumatictransportofgranulesinaverticalpipeJ.JSocPowderTechnolJapan,分散性，而理論計算中假定氣溶膠粒子是絕對的單分散，所有這些因素都會造成實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果之間的差異。3結(jié)論1) 當(dāng)氣體流速和過濾介質(zhì)粒徑不變時，由于各種機(jī)理的聯(lián)合作用，存在最具穿透率的氣溶膠粒子粒徑,其范圍為0.300.80怯m,計

21、算方程式為：叫-成+皿心+心俱=02) 當(dāng)氣溶膠粒子粒徑和過濾介質(zhì)粒徑不變時，由于各種機(jī)理的聯(lián)合作用，最具穿透率的氣體流速范圍為2.778.90cm/s,計算方程式為：參考文獻(xiàn)(References):1 GUTFINGERC,TARDOSG1.TheoreticalandexperimentalinvestigationongranularbedfillersJ.AtmosphericEnvironment,1979.13:853-867.2 OTANIY,KANAOKAC.Experimentalstudyofaerosolfiltrationbythegranularbedoverawi

22、derangeofReynoldsnumbersJ.AerosolScienceandTechnology.1989,10:463-474.3 TARDOSGI.YUE.ExperimentsonaerosolfiltrationingranularsandbcdsJ.JColloidandInterfaceSci,1979,71:616-621.4 王啟燕，王志強(qiáng).何啟梅.不同障度顆粒床的過濾特性研究J.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007(10):28-30.5 王啟燕.高鴻恩.何啟梅.顆粒床過濾中的慣性碰撞效應(yīng)研究J.環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006(10):30-31.2003,40:482-488.6 UEDAH