化工原理第三章第一節(jié).ppt

1、2020/11/5,第三章 機械分離與固體流態(tài)化,一、沉降速度 1、球形顆粒的自由沉降 2、阻力系數(shù) 3、影響沉降速度的因素 4、沉降速度的計算 5、分級沉降 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,2020/11/5,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。 例如：互溶溶液及混合氣體,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。,固體顆粒和氣體構(gòu)成的含塵氣體,固體顆粒和液體構(gòu)成的懸浮液,不互溶液體構(gòu)成的乳濁液,液體顆粒和氣體構(gòu)成的含霧氣體,2020/11/5,分散相 分散物質(zhì),處于分散狀態(tài)的物質(zhì) 如：分散

2、于流體中的固體顆粒、液滴或氣泡,連續(xù)相 連續(xù)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,沉降,過濾,2020/11/5,2020/11/5,2020/11/5,2020/11/5,2020/11/5,2020/11/5,2020/11/5,2020/11/5,2020/11/5,第二節(jié) 沉降分離,一、沉降原理,1、自由沉降,極短，通?？梢院雎?該段的顆粒運動速度稱為沉降速度，用u0表示。,顆粒在流體中沉降時受力,-單個顆粒在無限大流體中的降落過程,重力沉降速度：以球形顆粒為例,2020/11/5,1、自由沉降,Re0=du0/ 1

3、或2 層流區(qū),-斯托克斯定律,2020/11/5,2、阻力系數(shù) 通過因次分析法得知，值是顆粒與流體相對運動時的雷諾數(shù)Ret的函數(shù)。 對于球形顆粒的曲線，按Ret值大致分為三個區(qū)： a) 滯流區(qū)或托斯克斯(stokes)定律區(qū)（10 4Ret1）,斯托克斯公式,2020/11/5,顆粒沉降的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系,2020/11/5,艾倫公式,c) 滯流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（103Ret 2105）,牛頓公式,b) 過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（1Ret103）,2020/11/5,1、自由沉降,離心沉降速度,對照重力場,離心加速度ar=2r=ut2/r不是常量 沉降過程沒有勻速段，

4、但在小顆粒沉降時，加速度很小，可近似作為勻速沉降處理,顆粒受力：,類似重力沉降速度推導，得：,2020/11/5,1、自由沉降,Rer=dur/ 1或2 層流區(qū),對照重力場,數(shù)值約為幾千幾萬,-離心分離因數(shù),2020/11/5,2、實際沉降,由于干擾作用，實際沉降速度小于自由沉降速度。,由于壁面效應，實際沉降速度小于自由沉降速度。,干擾沉降,非球形顆粒的沉降,壁面效應,球形度越小，沉降速度越??； 顆粒的位向?qū)Τ两邓俣纫灿杏绊憽?2020/11/5,二、沉降設備,-用于除去75m以上顆粒,-用于除去510m 顆粒,2020/11/5,二、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

5、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)的顆粒運動,2020/11/5,1重力沉降設備,降塵室,則表明，該顆粒能在降塵室中除去。,思考1：為什么氣體進入降塵室后，流通截面積要擴大？,思考2：為什么降塵室要做成扁平的？,結(jié)構(gòu)：,除塵原理：,2020/11/5,降塵室,思考3：要想使某一粒度的顆粒在降塵室中被100%除去，必須滿足什么條件？,思考4：能夠被100%除去的最小顆粒，必須滿足什么條件？,思考5：粒徑比dmin小的顆粒，被除去的百分數(shù)如何計算？,2020/11/5,降塵室,思考2：為什么降塵室要做成扁平的？,可見，降塵室最大處理量與底面積、沉降速度有關(guān)

6、,而與降塵室高度無關(guān)。 故降塵室多做成扁平的。,注意! 降塵室內(nèi)氣體流速不應過高，以免將已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗，多數(shù)灰塵的分離，可取u3m/s，較易揚起灰塵的，可取u1.5m/s。,最大處理量-能夠除去最小顆粒時的氣體流量Vs,2020/11/5,3、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，當顆粒的體積濃度小于0.2%時，理論計算值的偏差在1%以內(nèi)，但當顆粒濃度較高時，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 當器壁尺寸遠遠大于顆粒尺寸時，（例如在100倍以上）容器效應可忽略，否則需加以考慮。,2020/11/

7、5,3）顆粒形狀的影響,球形度,對于球形顆粒，s=1，顆粒形狀與球形的差異愈大，球形度s值愈低。 對于非球形顆粒，雷諾準數(shù)Ret中的直徑要用當量直徑de代替 。,顆粒的球形度愈小，對應于同一Ret值的阻力系數(shù)愈大 但s值對的影響在滯流區(qū)并不顯著，隨著Ret的增大，這種影響變大。,2020/11/5,4、沉降速度的計算 1）試差法,假設沉降屬于層流區(qū),方法：,Ret1,Ret1,艾倫公式,2) 摩擦數(shù)群法,2020/11/5,例：試計算直徑為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。 用試差法計算 先假設顆粒在滯流區(qū)內(nèi)沉降 ，,附

8、錄查得，20時水的密度為998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s,2020/11/5,核算流型,原假設滯流區(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)群法計算 20空氣：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s 根據(jù)無因次數(shù)K值判別顆粒沉降的流型,2020/11/5,2.61K69.1，沉降在過渡區(qū)。用艾倫公式計算沉降速度。,5、分級沉降 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。,2020/11/5,例題3-1 石英和方鉛礦的混合球形顆粒在如圖所示的水力分級器中進行分離。兩者的密度分別為2650kg/m3和7500kg/m3，且粒度范

9、圍均為 水溫為20。假設顆粒在分級器中均作自由沉降。試計算能夠得到純石英和純方鉛礦的粒度范圍及三個分級器中的水流速度,2020/11/5,解：1、2、3號分級器直徑逐漸增大而三者中上升水流量均相同，所以水在三者中流速逐漸減小。水在1號中的速度最大，可將密度小的石英顆粒全部帶走，于是1號底部可得到純方鉛礦。但是，也有部分小顆粒的方鉛礦隨同全部石英被帶走。在2號分級器，控制水流速度，將全部方鉛礦全部沉降下來，但也有部分大顆粒石英會沉降下來。在3號分級器，控制水流速度，可將全部小石英粒子全部沉降下來。,2020/11/5,綜上所述，1號分級器的作用在于要帶走所有石英粒子（最大為100），因此1號的水

10、流速應該等于100石英的沉降速度；2號的作用在于截下全部方鉛礦（最小為20），因此2號的水流速應該等于20方鉛礦的沉降速度；3號的作用在于截下全部石英粒子（最小為20），因此3號水流速應該等于20石英的沉降速度。,2020/11/5,2020/11/5,2020/11/5,例：本題附圖所示 為一雙錐分級器，利 用它可將密度不同或 尺寸不同的粒子混合 物分開?；旌狭Ｗ佑?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入底流，而沉降速度小于該流速的顆粒則被溢流帶出。,2020/11/5,利用此雙錐分級器對方鉛礦與石英兩種粒子混合物分離。已知： 粒子形狀 正

11、方體 粒子尺寸 棱長為0.080.7mm 方鉛礦密度 s1=7500kg/m3 石英密度 s2=2650kg/m3 20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）欲得純方鉛礦粒，水的上升流速至少應取多少m/s？2）所得純方鉛礦粒的尺寸范圍。,2020/11/5,解：1)水的上升流速 為了得到純方鉛礦粒，應使全部石英粒子被溢流帶出， 應按最大石英粒子的自由沉降速度決定水的上升流速。 對于正方體顆粒，先算出其當量直徑和球形度。 設l代表棱長，Vp代表一個顆粒的體積。,2020/11/5,用摩擦數(shù)群法求最大石英粒子的沉降速度,s=

12、0.806，查圖3-3的，Ret=60，則：,2020/11/5,2）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等于0.0696m/s 用摩擦數(shù)群法計算該粒子的當量直徑。,s=0.806，查圖3-3的，Ret=22，則：,2020/11/5,與此當量直徑相對應的正方體的棱長為：,所得方鉛礦的棱長范圍為0.25650.7mm。,2020/11/5,2020/11/5,3、降塵室的計算,設計型,操作型,已知氣體處理量和除塵要求，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，計算可以完全除掉的最小顆粒的尺寸，或者計算要求完全除去直徑dp的塵粒時所能處理的氣體流量。,2020

13、/11/5,例：擬采用降塵室除去常壓爐氣中的球形塵粒。降塵室的寬和長分別為2m和6m,氣體處理量為1標m3/s，爐氣溫度為427，相應的密度=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0.5m/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，需在降塵室內(nèi)設置幾層水平隔板？,2020/11/5,解：1）降塵室的總高度H,2）理論上能完全出去的最小顆粒尺寸,用試差法由ut求dmin。 假設沉降在斯托克斯區(qū),2020/11/5,核算沉降流型,原假設正確 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,2020/11/5,氣體通