青海大學(xué)非均相物系課件第4章第1節(jié)重力沉降

1、2022-4-22混合物 均相混合物非均相混合物物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而且不存在相界面的混合物。（造成兩相，熱力學(xué)差異：揮發(fā)度，溶解度，吸附能力）物系內(nèi)部有隔開(kāi)兩相的界面存在且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同的混合物。 (物理學(xué)差異：密度，體積，電性能) 液態(tài)非均相物系：固、液、氣分散在液相中。 懸浮液(液固物系)：指液體中含有一部分固體顆粒 乳濁液(液液物系)：指一種液體分散在與其不互溶的另一種液體中 泡沫液(液氣物系)：指液體中含有氣泡的物系氣態(tài)非均相物系：固、液分散在氣相中。 含塵氣體(氣固物系)：指氣體中含有固體顆粒 含霧氣體(氣液物系)：指氣體中含有少量液滴2022-4-22非均相物系

2、分散相 分散物質(zhì) 處于分散狀態(tài)的物質(zhì) 如：分散于流體中的固體顆粒、液滴或氣泡 連續(xù)相分散相介質(zhì) 包圍著分散相物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的流體 如：氣態(tài)非均相物系中的氣體 液態(tài)非均相物系中的連續(xù)液體 分離機(jī)械分離 沉降 過(guò)濾 不同的物理性質(zhì) 連續(xù)相與分散相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式 分散相和連續(xù)相 吸附 膜分離2022-4-22非均相物系分離的目的非均相物系分離的目的 ： 回收從催化反應(yīng)器出來(lái)的氣體中的催化劑顆粒；從干燥器出來(lái)回收從催化反應(yīng)器出來(lái)的氣體中的催化劑顆粒；從干燥器出來(lái)的熱氣體中夾帶的被干燥的物料的熱氣體中夾帶的被干燥的物料除去進(jìn)入反應(yīng)器之前的反應(yīng)氣體中固態(tài)或液態(tài)的有害雜質(zhì)除去進(jìn)入反應(yīng)器之前的反應(yīng)氣體

3、中固態(tài)或液態(tài)的有害雜質(zhì)對(duì)排放的工業(yè)廢氣、廢液中有毒物質(zhì)或固體顆粒加以處理對(duì)排放的工業(yè)廢氣、廢液中有毒物質(zhì)或固體顆粒加以處理2022-4-22v本章學(xué)習(xí)目的 通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，要重點(diǎn)掌握沉降和過(guò)濾這兩種機(jī)械分離操作的原理、過(guò)程計(jì)算、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)與特性，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，合理選擇設(shè)備類型和尺寸。v本章應(yīng)掌握的內(nèi)容 a 沉降分離（包括重力沉降和離心沉降）的原理、過(guò)程計(jì)算、旋風(fēng)分離器的選型。 b 過(guò)濾操作的原理、過(guò)濾基本方程式推導(dǎo)的思路，恒壓過(guò)濾的計(jì)算、過(guò)濾常數(shù)的測(cè)定。第四章 非均相物系的分離2022-4-22顆粒的特性1. 球形顆粒：球形顆粒的尺寸由直徑d確定。 36dV2Sd6SaVd比表面積

4、比表面積 體積體積 表面積表面積 2022-4-222. 非球形顆粒：需要形狀和大小兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述其特性 （1）球形度 spSSs顆粒的表面積與該顆粒體積相等的球體的表面積非球形顆粒 1s球形顆粒 1s2022-4-22（2）顆粒的當(dāng)量直徑體積當(dāng)量直徑 36epdV比表面積當(dāng)量直徑 6adaasedd兩者關(guān)系表面積當(dāng)量直徑 pSeSd,2022-4-2236peVd2epsdS6sead非球形顆粒的特性，即非球形顆粒的特性，即比表面積比表面積 體積體積 表面積表面積 2022-4-22第四章第四章 非均相物系分離非均相物系分離一、沉降速度一、沉降速度1、重力沉降、重力沉降速度速度2、阻力系數(shù)、

5、阻力系數(shù)3、影響沉降速度的因素、影響沉降速度的因素4、沉降速度的計(jì)算、沉降速度的計(jì)算5、分級(jí)沉降、分級(jí)沉降二、降塵室二、降塵室1、降塵室的結(jié)構(gòu)、降塵室的結(jié)構(gòu)2、降塵室的生產(chǎn)能力、降塵室的生產(chǎn)能力第一節(jié)第一節(jié) 重力沉降重力沉降2022-4-22 一、重力沉降一、重力沉降沉降 ：在某種力場(chǎng)中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的操作過(guò)程。 作用力 重力 慣性離心力 重力沉降離心沉降 1 1、重力沉降速度、重力沉降速度 1 1）球形顆粒的自由沉降）球形顆粒的自由沉降光滑的剛性球形顆粒在靜止流體中的沉降光滑的剛性球形顆粒在靜止流體中的沉降設(shè)顆粒的密度為s，直徑為d，流體的密度為

6、， s,顆粒沉降 2022-4-22重力 gdFsg36浮力 gdFb36而阻力隨著顆粒與流體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度而變，可仿照流體流動(dòng)阻力的計(jì)算式寫為 ：22uAFd24dA對(duì)球形顆粒 2422udFdmaFFFdbg2022-4-22adudgdgdss3223362466(a)顆粒開(kāi)始沉降的瞬間，速度u=0，因此阻力Fd=0，amax 顆粒開(kāi)始沉降后，u Fd ；當(dāng)u ut 時(shí)，a=0 。等速階段中顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ut 稱為沉降速度。當(dāng)a=0時(shí)，u=ut，代入（a）式024662233tsudgdgd 3)(4stdgu沉降速度表達(dá)式終端速度終端速度2022-4-222、阻力系數(shù)、阻力

7、系數(shù) 通過(guò)因次分析法得知，值是顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)Ret的函數(shù)。 對(duì)于球形顆粒的曲線，按Ret值大致分為三個(gè)區(qū)： a) 滯流區(qū)或斯托克斯滯流區(qū)或斯托克斯(stokes)定律區(qū)（定律區(qū)（10 4Ret1） tRe24182gdust斯托克斯公式ttduRe2022-4-226 . 0Re5 .18t6 . 0Re269. 0tgdust艾倫公式 c) 湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（）（103Ret 2105） 44. 0gdust74. 1牛頓公式 b) 過(guò)渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（過(guò)渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（）（1Ret2m)適用條件 (1)顆粒靜止，流體運(yùn)動(dòng) (

8、2)顆粒運(yùn)動(dòng)，流體靜止 (3)顆粒流體作相反方向運(yùn)動(dòng) (4)顆粒、流體作相同方向運(yùn)動(dòng)，但速度不同 2022-4-223 3、影響沉降速度的因素、影響沉降速度的因素 1 1）顆粒的體積濃度）顆粒的體積濃度 在前面介紹的各種沉降速度關(guān)系式中，當(dāng)顆粒的體積濃度小于0.2%時(shí)，理論計(jì)算值的偏差在1%以內(nèi)，但當(dāng)顆粒濃度較高時(shí)，由于顆粒間相互作用明顯，便發(fā)生干擾沉降，自由沉降的公式不再適用。2 2）器壁效應(yīng)）器壁效應(yīng) 當(dāng)器壁尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸時(shí)，（例如在100倍以上）容器效應(yīng)可忽略，否則需加以考慮。 Dduutt1 . 212022-4-22v由式Stokes公式、Allen公式、Newton公式可看出

9、，顆粒直徑對(duì)沉降速度有明顯影響，但在不同的區(qū)域，其影響不同：v滯流區(qū)，utd2；過(guò)渡區(qū)utd1.143；湍流區(qū)utd0.5。即隨著Ret的增加，其影響減弱，在生產(chǎn)中對(duì)小顆粒的沉降采用添加絮凝劑來(lái)加速沉降。3）顆粒直徑的影響6 . 0Re269. 0tgdustgdust74. 12022-4-224)粘度的影響v在滯流區(qū)，阻力主要來(lái)自于流體粘性引起的表面摩擦力；v在湍流區(qū)，由流體在顆粒尾部出現(xiàn)的邊界層分離所引起的形體阻力占主導(dǎo)作用,流體粘性對(duì)沉降速度已無(wú)影響。v在過(guò)渡區(qū)，摩擦阻力和形體阻力都不可忽略。v因沉降多在滯流區(qū)進(jìn)行，故降低粘度對(duì)操作有利，對(duì)懸浮液的沉降過(guò)程應(yīng)設(shè)法提高溫度，而對(duì)含塵氣體的

10、沉降應(yīng)降低氣體溫度。 2022-4-225）顆粒形狀的影響 psSS球形度對(duì)于球形顆粒，s=1，顆粒形狀與球形的差異愈大，球形度s值愈低。對(duì)于非球形顆粒，雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret中的直徑要用當(dāng)量直徑de代替 。peVd3636PeVd顆粒的球形度愈小，對(duì)應(yīng)于同一Ret值的阻力系數(shù)愈大但s值對(duì)的影響在滯流區(qū)并不顯著，隨著Ret的增大，這種影響變大。2022-4-224 4、沉降速度的計(jì)算、沉降速度的計(jì)算 1 1）試差法）試差法 假設(shè)沉降屬于層流區(qū) 方法：182stduut dutReRet Ret1 ut為所求Ret1 艾倫公式求ut判斷公式適用為止 2) 2) 摩擦數(shù)群法摩擦數(shù)群法 34stgdu由得2

11、34tsudg2022-4-2222222Rettud23234Regdst 因是Ret的已知函數(shù)，Ret2必然也是Ret的已知函數(shù)，Ret曲線便可轉(zhuǎn)化成 Ret2Ret曲線。 計(jì)算ut時(shí)，先由已知數(shù)據(jù)算出Ret2的值，再由Ret2Ret曲線查得Ret值，最后由Ret反算ut 。duttRe 2) 2) 摩擦數(shù)群法摩擦數(shù)群法 34stgdu由得234tsudg2022-4-22摩擦數(shù)群法摩擦數(shù)群法2022-4-22 計(jì)算在一定介質(zhì)中具有某一沉降速度ut的顆粒的直徑d，令與Ret-1相乘， 2213)(4Retstug Ret-1Ret關(guān)系繪成曲線 ，由Ret-1值查得Ret的值， 再根據(jù)沉降速

12、度ut值計(jì)算d。ttudRe摩擦數(shù)群法摩擦數(shù)群法顆粒直徑顆粒直徑d d的計(jì)算的計(jì)算2022-4-223)量綱為一數(shù)群判別： K 2.62為斯托克斯定律區(qū)，2.62 K 69.1為牛頓定律區(qū)。2()sgKd 32022-4-22例：例：試計(jì)算直徑為95m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20的空氣和水中的自由沉降速度。 解：1）在20水中的沉降。用試差法計(jì)算先假設(shè)顆粒在滯流區(qū)內(nèi)沉降 ，182gdust 附錄查得，20時(shí)水的密度為998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s2022-4-2232610005. 11881. 92 .99830001095tusm/10797. 93核

13、算流型 ttduRe33610005. 12 .99810797. 910959244. 01原假設(shè)滯流區(qū)正確，求得的沉降速度有效。2） 20的空氣中的沉降速度用摩擦數(shù)群法計(jì)算20空氣：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s根據(jù)無(wú)因次數(shù)K值判別顆粒沉降的流型 2022-4-2232gdKs32561081. 181. 9205. 13000205. 1109552. 42.61K69.1，沉降在過(guò)渡區(qū)。用艾倫公式計(jì)算沉降速度。 4 . 16 . 04 . 14 . 04 . 114 . 16 . 14 . 11154. 0stdgusm/619. 02022-4-22 例：本題附圖所示

14、為一雙錐分級(jí)器，利用它可將密度不同或尺寸不同的粒子混合物分開(kāi)?；旌狭Ｗ佑缮喜考尤耄?jīng)可調(diào)錐與外壁的環(huán)形間隙向上流過(guò)。沉降速度大于水在環(huán)隙處上升流速的顆粒進(jìn)入底流，而沉降速度小于該流速的顆粒則被溢流帶出。5、分級(jí)沉降、分級(jí)沉降 含有兩種直徑不同或密度不同的混合物，也可用沉降方法加以分離。 2022-4-22利用此雙錐分級(jí)器對(duì)方鉛礦與石英兩種粒子混合物分離。已知：粒子形狀 正方體粒子尺寸 棱長(zhǎng)為0.080.7mm方鉛礦密度 s1=7500kg/m3石英密度 s2=2650kg/m320水的密度和粘度 =998.2kg/m3 =1.00510-3 Pas假定粒子在上升水流中作自由沉降，試求：1）欲

15、得純純方鉛礦粒，水的上升流速至少應(yīng)取多少m/s？2）所得純方鉛礦粒的尺寸范圍。2022-4-22解：解：1)水的上升流速 為了得到純方鉛礦粒，應(yīng)使全部石英粒子被溢流帶出，應(yīng)按最大石英粒子的自由沉降速度決定水的上升流速。 對(duì)于正方體顆粒，先算出其當(dāng)量直徑和球形度。 設(shè)l代表棱長(zhǎng)，Vp代表一個(gè)顆粒的體積。36peVd336lm43310685. 8)107 . 0(6psSS226lde806. 0)107 . 0(610685. 82342022-4-22用摩擦數(shù)群法求最大石英粒子的沉降速度22223)(4Regdset14000)10005. 1 (381. 92 .998)2 .998265

16、0()10685. 8(42334s=0.806，查圖3-3的，Ret=60，則：ettduRe4310685. 82 .99810005. 160sm/0696. 02022-4-222）純方鉛礦的尺寸范圍 所得到的純方鉛礦粒尺寸最小的沉降速度應(yīng)等于0.0696m/s 用摩擦數(shù)群法計(jì)算該粒子的當(dāng)量直徑。32113)(4Retstug2544. 0)0696. 0(2 .998381. 9)2 .9987500(10005. 14323s=0.806，查圖3-3的，Ret=22，則：2022-4-22tteudRe0696. 02 .99810005. 1223m410182.3與此當(dāng)量直徑相

17、對(duì)應(yīng)的正方體的棱長(zhǎng)為：36edl 34610182. 3m410565. 2所得方鉛礦的棱長(zhǎng)范圍為0.25650.7mm。2022-4-22二、降塵室二、降塵室1、降塵室的結(jié)構(gòu)、降塵室的結(jié)構(gòu) 2、降塵室的生產(chǎn)能力降塵室的生產(chǎn)能力 降塵室的生產(chǎn)能力是指降塵室所處理的含塵氣體的體積流量，用Vs表示，m3/s。降塵室內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng) 以速度u隨氣體流動(dòng) 以速度ut作沉降運(yùn)動(dòng)uut2022-4-22顆粒在降塵室的停留時(shí)間 ul顆粒沉降到室底所需的時(shí)間 ttuHt為了滿足除塵要求 tuHul降塵室使顆粒沉降的條件降塵室使顆粒沉降的條件HbVusssVlHbHbVltsuHVlHbtsbluV 降塵室的生產(chǎn)能

18、力降塵室的生產(chǎn)能力 降塵室的生產(chǎn)能力只與降塵室的沉降面積bl和顆粒的沉降速度ut有關(guān)，而與降塵室的高度無(wú)關(guān)。 uut2022-4-22n-隔板數(shù)隔板間距：隔板間距：4040100100mmmm3、 多層降塵室多層降塵室tsblunV)1( 2022-4-224.降塵室的計(jì)算降塵室的計(jì)算 降塵室的計(jì)算 設(shè)計(jì)型操作型已知?dú)怏w處理量和除塵要求， 求降塵室的大小求降塵室的大小 用已知尺寸的降塵室處理一定量含塵氣體時(shí)，計(jì)算: 可以完全除掉的最小顆粒的尺寸可以完全除掉的最小顆粒的尺寸 要求完全除去直徑要求完全除去直徑d dp p的塵粒時(shí)所的塵粒時(shí)所 能處理的氣體流量能處理的氣體流量2022-4-22降塵室

19、可以完全除去的最小顆粒直徑，假設(shè)沉降降塵室可以完全除去的最小顆粒直徑，假設(shè)沉降在層流區(qū)，沉降速度：在層流區(qū)，沉降速度：降塵室的特點(diǎn)降塵室的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, ,但設(shè)備龐大但設(shè)備龐大流動(dòng)阻力小，分離流動(dòng)阻力小，分離7575 m m的粗顆粒，作預(yù)除塵的粗顆粒，作預(yù)除塵流體處于層流區(qū)流體處于層流區(qū)18)(2gdustblVgdss18min2022-4-22例：例：擬采用降塵室除去常壓爐氣中的球形塵粒。降塵室的寬和長(zhǎng)分別為2m和6m,氣體處理量為1標(biāo)m3/s，爐氣溫度為427，相應(yīng)的密度=0.5kg/m3，粘度=3.410-5Pa.s，固體密度S=400kg/m3操作條件下，規(guī)定氣體速度不大于0

20、.5m/s，試求：1.降塵室的總高度H，m；2.理論上能完全分離下來(lái)的最小顆粒尺寸；3. 粒徑為40m的顆粒的回收百分率；4. 欲使粒徑為10m的顆粒完全分離下來(lái)，需在降塵室內(nèi)設(shè)置幾層水平隔板？2022-4-22解：解：1）降塵室的總高度HsmtVVS/564. 2273427273127327330buVHS5 . 02564. 2m564. 22）理論上能完除去的最小顆粒尺寸 blVustsm/214. 062564. 2用試差法由ut求dmin。假設(shè)沉降在斯托克斯區(qū) 2022-4-22gudst18min807. 95 . 04000214. 0104 . 3185m51078. 5核算

21、沉降流型 1182. 01014. 35 . 0214. 01078. 5Re55ttdu原假設(shè)正確 3、粒徑為40m的顆粒的回收百分率粒徑為40m的顆粒定在滯流區(qū) ，其沉降速度 smgdust/103. 0104 . 318807. 95 . 0400010401852622022-4-22氣體通過(guò)降沉室的時(shí)間為： suHt12214. 0564. 2直徑為40m的顆粒在12s內(nèi)的沉降高度為： muHt234. 112103. 0 假設(shè)顆粒在降塵室入口處的爐氣中是均勻分布的，則顆粒在降塵室內(nèi)的沉降高度與降塵室高度之比約等于該尺寸顆粒被分離下來(lái)的百分率。直徑為40m的顆粒被回收的百分率為： %

22、13.48%100564. 2234. 1HH2022-4-224、水平隔板層數(shù) 由規(guī)定需要完全除去的最小粒徑求沉降速度， 再由生產(chǎn)能力和底面積求得多層降塵室的水平隔板層數(shù)。 粒徑為10m的顆粒的沉降必在滯流區(qū)， smgdust/1041. 6104 . 318807. 95 . 0400010118362521tSbluVn1104 . 662564. 233 .32取33層 板間距為 1nHhm0754. 0133564. 22022-4-22三、沉降槽 1、懸浮液的沉聚過(guò)程懸浮液的沉聚過(guò)程 D沉聚區(qū)變濃度區(qū)等濃度區(qū)清液區(qū) 懸浮液的沉聚過(guò)程，屬重力沉降，在沉降槽中進(jìn)行。固體顆粒在液體中的沉

23、降過(guò)程，大多屬于干擾沉降。比固體顆粒在氣體中自由沉降阻力大。隨著沉聚過(guò)程的進(jìn)行，兩區(qū)逐漸擴(kuò)大，區(qū)這時(shí)逐漸縮小至消失。在沉降開(kāi)始后的一段時(shí)間內(nèi)，兩區(qū)之間的界面以等速向下移動(dòng)，直至區(qū)消失時(shí)與區(qū)的上界面重合為止。此階段中界面向下移動(dòng)的速度此階段中界面向下移動(dòng)的速度即為該濃度懸浮液中顆粒的即為該濃度懸浮液中顆粒的表觀沉降速度表觀沉降速度。表觀沉降速度不同于顆粒的沉降速度，因?yàn)樗穷w粒相對(duì)于器壁的速度，而不是顆粒相對(duì)于流體的速度。 等濃度區(qū)消失后，界面以逐漸變小的速度下降，直至區(qū)消失，此時(shí)在清液區(qū)與沉聚區(qū)之間形成一層清晰的界面，即達(dá)到“臨界沉降點(diǎn)”,此后便屬于沉聚區(qū)的壓緊過(guò)程。區(qū)又稱為壓緊區(qū)，壓緊過(guò)程所需時(shí)間往往占沉聚過(guò)程的絕大部分。 通過(guò)間歇沉降實(shí)驗(yàn)，可以獲得表觀沉降速度與懸浮液濃度及沉渣濃度與壓緊時(shí)間的二組對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，作為沉降槽設(shè)計(jì)的依據(jù)。 間歇沉降試驗(yàn)間歇沉降試驗(yàn)2022-4-222、