青海大學(xué)非均相物系課件第4章第1節(jié)重力沉降

2023/12/2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2023/12/2非均相物系

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2023/12/2非均相物系分離的目的

回收分散相：回收從催化反應(yīng)器出來的氣體中的催化劑顆粒；從干燥器出來的熱氣體中夾帶的被干燥的物料凈化連續(xù)相除去進(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)保護(hù)環(huán)境和安全生產(chǎn)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2023/12/2本章學(xué)習(xí)目的通過本章的學(xué)習(xí)，要重點(diǎn)掌握沉降和過濾這兩種機(jī)械分離操作的原理、過程計(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。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、過程計(jì)算、旋風(fēng)分離器的選型。

b

過濾操作的原理、過濾基本方程式推導(dǎo)的思路，恒壓過濾的計(jì)算、過濾常數(shù)的測(cè)定。第四章非均相物系的分離2023/12/2顆粒的特性1.球形顆粒：球形顆粒的尺寸由直徑d確定。比表面積體積表面積2023/12/22.非球形顆粒：需要形狀和大小兩個(gè)參數(shù)來描述其特性（1）球形度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球形顆粒2023/12/2（2）顆粒的當(dāng)量直徑體積當(dāng)量直徑比表面積當(dāng)量直徑兩者關(guān)系表面積當(dāng)量直徑

2023/12/2非球形顆粒的特性，即比表面積體積表面積2023/12/2第四章

非均相物系分離一、沉降速度1、重力沉降速度2、阻力系數(shù)3、影響沉降速度的因素4、沉降速度的計(jì)算5、分級(jí)沉降二、降塵室1、降塵室的結(jié)構(gòu)2、降塵室的生產(chǎn)能力第一節(jié)

重力沉降2023/12/2

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)分離的操作過程。作用力重力慣性離心力重力沉降離心沉降

1、重力沉降速度

1）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設(shè)顆粒的密度為ρs，直徑為d，流體的密度為ρ，Ρs>ρ,顆粒沉降2023/12/2重力浮力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：2023/12/2(a)顆粒開始沉降的瞬間，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max

顆粒開始沉降后，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——沉降速度表達(dá)式終端速度2023/12/22、阻力系數(shù)ξ

通過因次分析法得知，ξ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(stokes)定律區(qū)（10–4＜Ret<1）

——斯托克斯公式2023/12/2——艾倫公式

c)湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（103＜Ret

＜2×105）

——牛頓公式

b)過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（1＜Ret<103）

2023/12/2關(guān)系曲線

2023/12/2〖說明〗滯流區(qū)：由流體粘性引起的表面摩擦阻力居主要地位。μ↑，ut↓湍流區(qū)：流體在顆粒尾部出現(xiàn)邊界層分離而形成漩渦，故形體阻力居主要地位，μ對(duì)ut影響很小。過渡區(qū)：表面摩擦力和形體阻力均不可忽略上式滿足條件(1)容器相對(duì)顆粒直徑大得多(100倍以上)(2)顆粒不可過細(xì)，否則出現(xiàn)布朗運(yùn)動(dòng)(d>2μm)適用條件(1)顆粒靜止，流體運(yùn)動(dòng)(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2023/12/23、影響沉降速度的因素1）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）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。

2023/12/2由式Stokes公式、Allen公式、Newton公式可看出，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：滯流區(qū)，ut∝d2；過渡區(qū)ut∝d1.143；湍流區(qū)ut∝d0.5。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加速沉降。3）顆粒直徑的影響2023/12/24)粘度的影響在滯流區(qū)，阻力主要來自于流體粘性引起的表面摩擦力；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)沉降速度已無影響。在過渡區(qū)，摩擦阻力和形體阻力都不可忽略。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)懸浮液的沉降過程應(yīng)設(shè)法提高溫度，而對(duì)含塵氣體的沉降應(yīng)降低氣體溫度。

2023/12/25）顆粒形狀的影響球形度對(duì)于球形顆粒，φs=1，顆粒形狀與球形的差異愈大，球形度φs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。顆粒的球形度愈小，對(duì)應(yīng)于同一Ret值的阻力系數(shù)ξ愈大但φs值對(duì)ξ的影響在滯流區(qū)并不顯著，隨著Ret的增大，這種影響變大。2023/12/24、沉降速度的計(jì)算

1）試差法

假設(shè)沉降屬于層流區(qū)

方法：ut

Ret

Ret＜1

ut為所求Ret＞1艾倫公式求ut判斷……公式適用為止2)摩擦數(shù)群法

由得2023/12/2因ξ是Ret的已知函數(shù)，ξRet2必然也是Ret的已知函數(shù)，ξ～Ret曲線便可轉(zhuǎn)化成ξRet2～Ret曲線。計(jì)算ut時(shí)，先由已知數(shù)據(jù)算出ξRet2的值，再由ξRet2～Ret曲線查得Ret值，最后由Ret反算ut。2)摩擦數(shù)群法

由得2023/12/2摩擦數(shù)群法2023/12/2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ξ與Ret-1相乘，ξRet-1～Ret關(guān)系繪成曲線，由ξRet-1值查得Ret的值，再根據(jù)沉降速度ut值計(jì)算d。摩擦數(shù)群法顆粒直徑d的計(jì)算2023/12/23)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為艾侖定律區(qū)，K>69.1為牛頓定律區(qū)。2023/12/2例：試計(jì)算直徑為95μm，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，

附錄查得，20℃時(shí)水的密度為998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s2023/12/2核算流型

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：ρ=⒈205kg/m3，μ=⒈81×10-5Pa.s根據(jù)無因次數(shù)K值判別顆粒沉降的流型2023/12/22.61＜K<69.1，沉降在過渡區(qū)。用艾倫公式計(jì)算沉降速度。

2023/12/2

例：本題附圖所示為一雙錐分級(jí)器，利用它可將密度不同或尺寸不同的粒子混合物分開。混合粒子由上部加入，水經(jīng)可調(diào)錐與外壁的環(huán)形間隙向上流過。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

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。

2023/12/2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0.08~0.7mm方鉛礦密度ρs1=7500kg/m3石英密度ρs2=2650kg/m320℃水的密度和粘度ρ=998.2kg/m3μ=1.005×10-3Pa·s假定粒子在上升水流中作自由沉降，試求：1）欲得純方鉛礦粒，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。2023/12/2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。2023/12/2用摩擦數(shù)群法求最大石英粒子的沉降速度φs=0.806，查圖3-3的，Ret=60，則：2023/12/22）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。φs=0.806，查圖3-3的，Ret=22，則：2023/12/2與此當(dāng)量直徑相對(duì)應(yīng)的正方體的棱長(zhǎng)為：所得方鉛礦的棱長(zhǎng)范圍為0.2565~0.7mm。2023/12/2二、降塵室1、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)uut2023/12/2顆粒在降塵室的停留時(shí)間

顆粒沉降到室底所需的時(shí)間

為了滿足除塵要求

——降塵室使顆粒沉降的條件——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關(guān)。

uut2023/12/2n----隔板數(shù)隔板間距：40－100mm3、多層降塵室2023/12/24.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

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

要求完全除去直徑dp的塵粒時(shí)所能處理的氣體流量2023/12/2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：降塵室的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但設(shè)備龐大流動(dòng)阻力小，分離75

m的粗顆粒，作預(yù)除塵流體處于層流區(qū)2023/12/2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ρ=0.5kg/m3，粘度μ=3.4×10-5Pa.s，固體密度ρS=400kg/m3操作條件下，規(guī)定氣體速度不大于0.5m/s，試求：1.降塵室的總高度H，m；2.理論上能完全分離下來的最小顆粒尺寸；3.粒徑為40μm的顆粒的回收百分率；4.欲使粒徑為10μm的顆粒完全分離下來，需在降塵室內(nèi)設(shè)置幾層水平隔板？2023/12/2解：1）降塵室的總高度H2）理論上能完除去的最小顆粒尺寸

用試差法由ut求dmin。假設(shè)沉降在斯托克斯區(qū)

2023/12/2核算沉降流型

∴原假設(shè)正確

3、粒徑為40μm的顆粒的回收百分率粒徑為40μm的顆粒定在滯流區(qū)，其沉降速度2023/12/2氣體通過降沉室的時(shí)間為：

直徑為40μm的顆粒在12s內(nèi)的沉降高度為：

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的百分率。直徑為40μm的顆粒被回收的百分率為：

2023/12/24、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10μm的顆粒的沉降必在滯流區(qū)，

取33層

板間距為

2023/12/2三、沉降槽1、懸浮液的沉聚過程

懸浮液的沉聚過程，屬重力沉降，在沉降槽中進(jìn)行。固體顆粒在液體中的沉降過程，大多屬于干擾沉降。比固體顆粒在氣體中自由沉降阻力大。隨著沉聚過程的進(jìn)行，Ａ，Ｄ兩區(qū)逐漸擴(kuò)大，Ｂ區(qū)這時(shí)逐漸縮小至消失。在沉降開始后的一段時(shí)間內(nèi)，Ａ，Ｂ兩區(qū)之間的界面以等速向下移動(dòng)，直至Ｂ區(qū)消失時(shí)與Ｃ區(qū)的上界面重合為止。此階段中ＡＢ界面向下移動(dòng)的速度即為該濃度懸浮液中顆粒的表觀沉降速度。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Ｂ區(qū)消失后，ＡＣ界面以逐漸變小的速度下降，直至Ｃ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)的壓緊過程。Ｄ區(qū)又稱為壓緊區(qū)，壓緊過程所需時(shí)間往往占沉聚過程的絕大部分。通過間歇沉降實(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)2023/12/22、沉降槽利用重力沉降從懸浮液中分離固相的設(shè)備稱為沉降槽，它可從懸浮液中分出清液而得到稠