化工原理第三章1沉降

1、第三章第三章 非均相物系分離非均相物系分離 第二節(jié)第二節(jié) 沉降分離沉降分離 一、重力沉降原理一、重力沉降原理 1 1、自由沉降、自由沉降 2 2、干擾沉降、干擾沉降 二、重力沉降分離設備二、重力沉降分離設備 1 1、降塵室、降塵室 2 2、沉降槽、沉降槽 混合物 均相混合物 非均相混合物 物系內部各處物料性質均勻而且不 存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合氣體 物系內部有隔開兩相的界面存在且 界面兩側的物料性質截然不同的混 合物。 例如 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 非均相物系 分散相 分散物質 處于分散狀

2、態(tài)的物質 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 包圍著分散相物質且處于連續(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 機械 分離 沉降 過濾 不同的物理性質 連續(xù)相與分散相 發(fā)生相對運動的方式 分散相和連續(xù)相 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。 作用力 重力 慣性離心力 重力 沉降 離心沉降 一一) )自由沉降自由沉降 1 1）球形顆粒的自由沉降）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， 定義：定義：單個顆粒在無限大流體中的沉降過程。 一、重力沉降原理一、重力

3、沉降原理一、重力沉降原理 重力 gdF sg 3 6 浮力 gdF b 3 6 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 ： 2 2 u AFd 2 4 dA 對球形顆粒 24 2 2 u dFd maFFF dbg ad u dgdgd ss 3 2 233 62466 (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 u0 時，a=0 。 等速階段中顆粒相對與流體的運動速度u0 稱為沉降速度。 當a=0時，u=u0，代入（a）式 0 2466 2 0 233 u dgdgd s 3 )(4 0 s dg u

4、 沉降速度表達式 2 2) )阻力系數(shù)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)Re0的函數(shù)。 對于球形顆粒的曲線，按Re0值大致分為三個區(qū)： a) a) 層流區(qū)或斯托克斯層流區(qū)或斯托克斯( (stokes)stokes)定律區(qū)（定律區(qū)（10 10 4 4 ReRe0 022） 0 Re 24 18 2 0 s d u斯托克斯公式 6 . 0 0 Re 5 .18 6 . 0 0 0 Re 269. 0 s gd u 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）（）（500Re0 2105） 44. 0 gd u s 74. 1 0 牛頓公式 b)

5、 過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（）（2Re0500） 3)影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素 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，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。 器壁效應器壁效應 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。 D d u u 1 . 21 0 0 顆粒形狀的影響顆粒形狀的影響 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

6、數(shù)Re0中的直徑要用當量直徑de代替 pe Vd 3 6 3 6 Pe Vd 顆粒的球形度愈小，對應于同一Re0值的阻力系數(shù)愈大 但s值對的影響在層流區(qū)并不顯著，隨著Re0的增大，這種影 響變大。 p s S S 球形度 與物體相同體積的球體的表面積和物體的與物體相同體積的球體的表面積和物體的 表面積的比表面積的比 4)常用沉降速度的計算常用沉降速度的計算 試差法試差法 假設沉降屬于層流區(qū) 方法： 18 2 0 s d u u0 du 0 Re Re0 Re02 u0為所求 Re02 艾倫公式 求u0 判斷 公式適 用為止 例：例：試計算直徑為30m，密度為2000kg/m3的固體顆粒在空 氣

7、中做自由沉降時的沉降速度?？諝獾拿芏葹?.2kg/m3，黏 度為0.0185mPas 解：用試差法計算 分析：先假設顆粒在滯流區(qū)內沉降 ， 18 2 0 gd u s 由已知條件：空氣的密度為1.2kg/m3，黏度為0.0185mPas 核算流型 0 0 Re du 若原假設滯流區(qū)正確，求得的沉降 速度有效。 例 顆粒大小的確定顆粒大小的確定 已測得密度為 =1630kg/m3的塑料珠在20 的CCl4液體中的沉降速度為1.710-3m/s， 200C時CCl4的密度 =1590kg/m3，黏度為 =1.0310-3Pas，求此塑料珠的直徑。 s 18 2 0 gd u s 0 0 Re du

8、 二、干擾沉降二、干擾沉降 顆粒之間距離很小的沉降稱為干擾沉降。 干擾沉降的速度可用自由沉降速度的計算方法計 算，但要根據(jù)顆粒濃度對所用的流體密度及黏度 進行校正。 用上述方法計算干擾沉降的速度比自由沉降要小 一）降塵室一）降塵室 降塵室的生產能力降塵室的生產能力 降塵室的生產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。 降塵室內的顆粒運動 以速度u 隨氣體流動 以速度u0 作沉降運動 二、重力沉降分離設備二、重力沉降分離設備二、重力沉降分離設備 顆粒在降塵室的停留時間 ul 顆粒沉降到室底所需的時間 00 uH 0 為了滿足除塵要求 0 u H u l 降塵室使顆粒沉降

9、的條件降塵室使顆粒沉降的條件 Hb V u s s s V lHb Hb V l 0 u H V lHb s 000 uAbluVs 降塵室的生產能力降塵室的生產能力 說明說明 含塵氣體的最大處理量與某一粒徑對應最大處理量與某一粒徑對應的，是指這一粒 徑及大于該粒徑的顆粒都能100%被除去時的最大氣體量； 完全被分離出的最小顆粒直徑完全被分離出的最小顆粒直徑 底 Ag V Lg Hu d s S s 1818 min 說明說明 最大的氣體處理量還與降塵室最大的氣體處理量還與降塵室底面積底面積和顆粒的和顆粒的沉降速度沉降速度 有關，有關，底面積越大處理量越大，但處理量與高度無關處理量與高度無關。

10、 為此，降塵室都做成扁平形；為提高氣體處理量，室內 以水平隔板將降塵室分割若干層，稱為多層降塵室。隔 板的間距應考慮出灰的方便。 降塵室的計算降塵室的計算 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。 例例3-3 降塵室高2m，寬2m，長5m，用于礦石焙燒爐爐 氣的除塵。操作條件下氣體的流量為25000m3/h，密度 為0.6kg/m3，黏度為0.03mPas。試求： 1）能完全除去的氧化鐵灰塵（密度為4500kg/m3）的最小

11、 直徑； 2）粒徑為60微米的氧化鐵灰塵被除去的百分數(shù)； 3）若將上述降塵室用隔板分隔成2層（不考慮隔板的厚 度），如需完全除去的塵粒直徑相同，則含塵氣體的處 理量為多大？反之，若生產能力相同，則完全除去的塵 粒的最小顆粒直徑為多大？ 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，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

12、分率； 4. 欲使粒徑為10m的顆粒完全分離下來，需在降塵室內設置 幾層水平隔板？ 解：解：1）降塵室的總高度H sm t VVS/564. 2 273 427273 1 273 273 3 0 bu V H S 5 . 02 564. 2 m564. 2 2）理論上能完全除去的最小顆粒尺寸 bl V u s 0 sm/214. 0 62 564. 2 用試差法由u0求dmin。 假設沉降在斯托克斯區(qū) g u d s 0 min 18 807. 95 . 04000 214. 0104 . 318 5 m 5 1078. 5 核算沉降流型 1182. 0 1014. 3 5 . 0214. 0

13、1078. 5 Re 5 5 0 0 du 原假設正確 3、粒徑為40m的顆粒的回收百分率 粒徑為40m的顆粒定在層流區(qū) ，其沉降速度 sm gd u s /103. 0 104 . 318 807. 95 . 040001040 18 5 2 62 0 氣體通過降沉室的時間為： s u l 12 直徑為40m的顆粒在12s內的沉降高度為： muH t 234. 112103. 0 假設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40m的顆粒被回收的百分率為： %13.48%100 564. 2 234. 1

14、 H H 4、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的顆粒的沉降必在層流區(qū)， sm gd u s /1041. 6 104 . 318 807. 95 . 04000101 18 3 6 2 52 0 1 0 blu V n S 1 104 . 662 564. 2 3 3 .32 取33層 板間距為 1 n H h m0754. 0 133 564. 2 補充說明：補充說明： 為使氣體分布均勻，降塵室進出口通常都做成錐形進出口通常都做成錐形； 為防止操作過程中已被除下的塵粒又被氣流重新卷起，降 塵室的操作氣速往

15、往很低操作氣速往往很低； 為保證分離效率，室底面積也必須較大。 因此，降塵室是一種龐大而低效龐大而低效的設備，通常只能捕 獲大于大于100微米微米的粗顆粒。要將更細小的顆粒分離出來， 就必須采用更高效的除塵設備。 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。混合粒子由 上部加入，水經可調 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。 二）分級器二）分級器 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。 水力分級器 三）沉降槽三）沉降槽 從懸浮液中分離出清液而留下稠厚沉渣的重 力沉降設備稱為沉降槽。 加料加料 清液溢流清液溢流 水平水平清液清液 擋板擋板 耙耙 稠漿稠漿 連續(xù)式沉降槽 顆粒在重力或離心力場中都可發(fā)生沉降過程。 利用離心力比利用重力要有效得多，因為顆粒的顆粒的 離心力由旋轉而產生，轉速越大，則離心力越大離心力由旋轉而產生，轉速越大，則離心力越大； 而顆粒所受的重力卻是固定的。 因此，利用離心力作用的分離