制藥化工原理：第三章第一節(jié)重力沉降

1、2020/12/8,第三章 非均相物系分離,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、降塵室的結構 2、降塵室的生產(chǎn)能力,第一節(jié) 重力沉降,2020/12/8,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的物料性質(zhì)截然不同的混合物,固體顆粒和氣體構成的含塵氣體,固體顆粒和液體構成的懸浮液,不互溶液體構成的乳濁液,液體顆粒和氣體構成的含霧氣體,2020/12/8,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

2、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,沉降,過濾,2020/12/8,一、重力沉降,沉降,在某種力場中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對運動而實現(xiàn)分離的操作過程,重力,慣性離心力,1、沉降速度,1）球形顆粒的自由沉降,設顆粒的密度為s，直徑為d，流體的密度為,2020/12/8,重力,浮力,而阻力隨著顆粒與流體間的相對運動速度而變，可仿照流體流動阻力的計算式寫為,2020/12/8,a,顆粒開始沉降的瞬間，速度u=0，因此阻力Fd=0，amax 顆粒開始沉降后，u Fd ；u

3、ut 時，a=0 。 等速階段中顆粒相對與流體的運動速度ut 稱為沉降速度。 當a=0時，u=ut，代入（a）式,沉降速度表達式,2020/12/8,2、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,2020/12/8,2020/12/8,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）（1Ret103,2020/12/8,3、影響沉降速度的因素 1）顆粒的體積濃度

4、 在前面介紹的各種沉降速度關系式中，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,2020/12/8,3）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,2020/12/8,4、沉降速

5、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,2020/12/8,令,因是Ret的已知函數(shù)，Ret2必然也是Ret的已知函數(shù)， Ret曲線便可轉化成 Ret2Ret曲線。 計算ut時，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,2020/12/8,2020/12/8,計算在一定介質(zhì)中具有某一沉降速度ut的顆粒的直徑， 令與Ret-1相乘,Ret-1Ret關系繪成曲線 ，由Ret-1值查得Ret的值， 再根據(jù)沉降速度ut值計算d,無因次數(shù)群K也可以判別流型,2020/12/8,當Ret=1時K=2.62

6、，此值即為斯托克斯區(qū)的上限 牛頓定律區(qū)的下限K值為69.1 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,附錄查得，20時水的密度為998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s,2020/12/8,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,2020/12/8,2.61K69.1，沉降在過渡區(qū)。用艾倫公式計算沉降速度,5、分

7、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,2020/12/8,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,2020/12/8,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

8、 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,2020/12/8,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,2020/12/8,用摩擦數(shù)群法求最大石英粒子的沉降速度,s=0.806，查圖3-3的，Ret=60，則,2020/12/8,2）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.

9、806，查圖3-3的，Ret=22，則,2020/12/8,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,2020/12/8,二、降塵室,1、降塵室的結構,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)的顆粒運動,2020/12/8,2020/12/8,顆粒在降塵室的停留時間,顆粒沉降到室底所需的時間,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，而與降塵室的高度無關,2020/12/8,3、降塵室的計算,設計型,操作型

10、,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,2020/12/8,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，需在降降塵室內(nèi)設置幾層水平隔板,2020/12/8,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),2020/12/8,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,2020/12/8,氣體通過降沉室的時間為,直徑為40m的顆粒在12s內(nèi)的沉降高度為,假設顆粒在