2.1第四章沉降與過濾ppt課件

1、 第四章第四章 沉降與過濾沉降與過濾重點(diǎn)：過濾和沉降的基本理論、基重點(diǎn)：過濾和沉降的基本理論、基本方程本方程難點(diǎn)：過濾基本方程的應(yīng)用、過濾難點(diǎn)：過濾基本方程的應(yīng)用、過濾設(shè)備設(shè)備主要內(nèi)容主要內(nèi)容l0.概述概述l1.重力沉降重力沉降l2.過濾過濾l3.離心分離離心分離p均相物系均相物系(honogeneous system): 均相混均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無相界面。如合物。物系內(nèi)部各處均勻且無相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：自然界的混合物分為兩大類：p非均相物系非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混

2、合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。于氣態(tài)非均相物系。第第0節(jié)節(jié) 概述概述p分散相：分散相： 分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。狀態(tài)的物質(zhì)。p連續(xù)相：連續(xù)相： 分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。狀態(tài)的流體。非均相物系由分散相和連續(xù)相組成非均相物系

3、由分散相和連續(xù)相組成 要實(shí)現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因而，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。因而，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。p非均相物系的分離原理：非均相物系的分離原理： p非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：根據(jù)兩相物理性質(zhì)根據(jù)兩相物理性質(zhì)( (如密度等如密度等) )的不同而進(jìn)行的分離。的不同而進(jìn)行的分離。 由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較大，因此常采用機(jī)械方法進(jìn)行分離。按兩相運(yùn)動(dòng)方式大，因此常采用機(jī)械方法進(jìn)行分離。按兩相運(yùn)動(dòng)方

4、式的不同，機(jī)械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。的不同，機(jī)械分離大致分為沉降和過濾兩種操作。 通常先造成一個(gè)兩相物系，再用機(jī)械分離的方法分通常先造成一個(gè)兩相物系，再用機(jī)械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。離，如蒸餾，萃取等。p非均相物系的分離方法：非均相物系的分離方法：p均相物系的分離：均相物系的分離：p 定義：定義：p沉降力場：重力、離心力。沉降力場：重力、離心力。 在某種力場的作用下，利用分散物質(zhì)與分散在某種力場的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離的介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離的單元操作。單元操作。p 沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。沉降操作分類：重力

5、沉降、離心沉降。第一節(jié)第一節(jié) 重力沉降重力沉降4-1 顆粒在流體中的流動(dòng)顆粒在流體中的流動(dòng)4.1A 顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力 當(dāng)流體相對(duì)于靜止的固體顆粒流動(dòng)時(shí)，或者固體顆粒在靜止當(dāng)流體相對(duì)于靜止的固體顆粒流動(dòng)時(shí)，或者固體顆粒在靜止流體中移動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，兩者之間會(huì)產(chǎn)生作用力，這流體中移動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，兩者之間會(huì)產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力種作用力通常稱為曳力drag force)或阻力?；蜃枇?。理想流體理想流體實(shí)際流體實(shí)際流體根據(jù)斯托克斯定律，連續(xù)流體以較低速度流過球形顆根據(jù)斯托克斯定律，連續(xù)流體以較低速度流過球形顆粒所產(chǎn)生的曳力符合下列公式：

6、粒所產(chǎn)生的曳力符合下列公式：2)(424322ududduFd令令 稱修正雷諾數(shù)稱修正雷諾數(shù) 為球形顆粒投影面積為球形顆粒投影面積 稱為阻力因數(shù)，則得：稱為阻力因數(shù)，則得：dupRe42dApRe24 流體密度； 流體粘度； dp顆粒的當(dāng)量直徑； A 顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積； u 顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。22uAFd)()(udRpe顆粒所受的阻力顆粒所受的阻力Fd可用下式計(jì)算可用下式計(jì)算 pRe/246 . 0Re/5 .18p44.0層流區(qū)斯托克斯層流區(qū)斯托克斯StokesStokes區(qū)，區(qū)，10-4Re110-4Re1） 注意：其中斯托克斯

7、區(qū)的計(jì)算式是準(zhǔn)確的，其它兩個(gè)區(qū)域注意：其中斯托克斯區(qū)的計(jì)算式是準(zhǔn)確的，其它兩個(gè)區(qū)域的計(jì)算式是近似的。的計(jì)算式是近似的。過渡區(qū)艾侖過渡區(qū)艾侖AllenAllen區(qū)，區(qū)，1Re5001Re500）湍流區(qū)牛頓湍流區(qū)牛頓NewtonNewton區(qū)，區(qū)，500Re1.5500Re1.5105105）圖中曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同圖中曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同的計(jì)算式表示為：的計(jì)算式表示為：4.1B沉降速度沉降速度1. 球形顆粒的自由沉降球形顆粒的自由沉降重力沉降重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降：由地球引力作用而發(fā)生的

8、顆粒沉降過程，稱為重力沉降。過程，稱為重力沉降。 自由沉降自由沉降free settling）：）： 當(dāng)一個(gè)顆粒與容器器壁和與其他當(dāng)一個(gè)顆粒與容器器壁和與其他顆粒有足夠的距離，使該顆粒沉降不受它們的影響?；蛘哳w粒顆粒有足夠的距離，使該顆粒沉降不受它們的影響。或者顆粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下沉降。沉降。 dtdumFFFdbg243)(udgdtdupppp根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運(yùn)動(dòng)基本方程式應(yīng)為根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運(yùn)動(dòng)基本方程式應(yīng)為:u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb2422ud

9、FpdgdFppg36gdFpb36 p p為顆粒密度為顆粒密度 隨著顆粒向下沉降，隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，逐漸增大，du/dt 逐漸減少。逐漸減少。 當(dāng)當(dāng)u增到一定數(shù)值增到一定數(shù)值ui時(shí)，時(shí)，du/dt =0。顆粒開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。顆粒開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。3)(4pptgdu上式表明：上式表明：顆粒的沉降過程分為兩個(gè)階段：顆粒的沉降過程分為兩個(gè)階段：沉降速度沉降速度terminal velocity） ：也稱為終端速度，勻速階：也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。段顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。 當(dāng)當(dāng)du/d =0時(shí)，令時(shí)，令u= ut，則可得沉降速度計(jì)算，則可得沉降速度計(jì)

10、算式式加速階段；加速階段；勻速階段。勻速階段。 將不同流動(dòng)區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各將不同流動(dòng)區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為：區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為： 層流區(qū)Re1）18)(2ppgdtupptdgu3122225)(4ppdgtu)(3過渡區(qū)過渡區(qū)1Re5001Re500）湍流區(qū)湍流區(qū)500Re105500Re105）utut與與dpdp有關(guān)。有關(guān)。dpdp愈大，愈大，utut則愈大。則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，層流區(qū)與過渡區(qū)中，utut還與流體粘度有關(guān)。還與流體粘度有關(guān)。液體粘度約為氣體粘度的液體粘度約為氣體粘度的5050倍，故顆粒在液體中的

11、沉降速倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。度比在氣體中的小很多。 假設(shè)流體流動(dòng)類型；假設(shè)流體流動(dòng)類型； 計(jì)算沉降速度；計(jì)算沉降速度； 計(jì)算計(jì)算ReRe，驗(yàn)證與假設(shè)是否相符；，驗(yàn)證與假設(shè)是否相符； 如果不相符，則轉(zhuǎn)。如果相符，如果不相符，則轉(zhuǎn)。如果相符，OK !OK !（1試差法。試差法。2.沉降速度的求算：沉降速度的求算： （2復(fù)驗(yàn)法。復(fù)驗(yàn)法。 假設(shè)沉降速度假設(shè)沉降速度u u，計(jì)算，計(jì)算RepRep值；值； 按圖按圖4-24-2查得查得，由，由 算的算的uu； 由由uu，計(jì)算，計(jì)算RepRep，按圖，按圖4-24-2查得查得，由，由 算的算的uu； 直至直至u u相符，相符，OK

12、!OK !（3摩擦數(shù)群法直接法）摩擦數(shù)群法直接法）該法是把該法是把ut加以轉(zhuǎn)換，使其兩個(gè)坐標(biāo)軸之一變成不包含加以轉(zhuǎn)換，使其兩個(gè)坐標(biāo)軸之一變成不包含ut的的無因次數(shù)群，進(jìn)而便可求得無因次數(shù)群，進(jìn)而便可求得ut。 又又 消去消去ut，即：，即： 再令再令 得得 23)(4tppugd22)(Retpdu2323)(4Regdpp32)(gdKp3234ReKp因因是是Rep的已知函數(shù)，則的已知函數(shù)，則Rep2必然也是必然也是Rep的已知函數(shù)。計(jì)的已知函數(shù)。計(jì)算算ut時(shí)，可先由已知數(shù)據(jù)算出時(shí)，可先由已知數(shù)據(jù)算出Rep2的值，再由的值，再由Rep2曲線查曲線查得得Re值，最后由值，最后由Re值反算值反

13、算u，即：，即： ut=Rep/d 如果要計(jì)算在一定介質(zhì)中具有某一沉降速度如果要計(jì)算在一定介質(zhì)中具有某一沉降速度ut的顆粒的直的顆粒的直徑，也可用類似的方法解決。令徑，也可用類似的方法解決。令與與Rep-1相乘，得：相乘，得： Rep-1-Rep曲線繪于圖中。由曲線繪于圖中。由Rep-1值從圖中查得值從圖中查得Rep的的值，再根據(jù)沉降速度值，再根據(jù)沉降速度ut。值計(jì)算。值計(jì)算d，即：，即： d=Rep/ut 2213)(4Retppug摩擦數(shù)群法對(duì)于已知摩擦數(shù)群法對(duì)于已知ut求求d或?qū)τ诜乔蛐晤w粒的沉降計(jì)算均非常方或?qū)τ诜乔蛐晤w粒的沉降計(jì)算均非常方便。此外，也可用無因次數(shù)群便。此外，也可用無因

14、次數(shù)群K值判別流型。將式值判別流型。將式4-7代入雷諾準(zhǔn)代入雷諾準(zhǔn)數(shù)的定義式得：數(shù)的定義式得： 當(dāng)當(dāng)Rep=1時(shí)，時(shí)，K=2.62，此值即為斯托克斯定律區(qū)的上限。，此值即為斯托克斯定律區(qū)的上限。 同理，當(dāng)同理，當(dāng)Rep=500時(shí)，可得牛頓定律區(qū)的下限時(shí)，可得牛頓定律區(qū)的下限K值為值為43.6 這樣，計(jì)算已知直徑的球形顆粒的沉降速度時(shí)，可根據(jù)此值選這樣，計(jì)算已知直徑的球形顆粒的沉降速度時(shí)，可根據(jù)此值選用相應(yīng)的公式計(jì)算用相應(yīng)的公式計(jì)算ut，從而避免采用試差法。，從而避免采用試差法。 323323)(Re181818)(RegdKKgdpppp例：計(jì)算直徑為例：計(jì)算直徑為9595m m，密度為，密度

15、為3000kg/m33000kg/m3的固體顆的固體顆粒分別在粒分別在20 20 的水中的自由沉降速度。的水中的自由沉降速度。smugdtpp/10797. 9310005. 11881. 9)2 .9983000()1095(18)(362計(jì)算計(jì)算Re，核算流型：，核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095udp假設(shè)正確，計(jì)算有效。假設(shè)正確，計(jì)算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度為水的密度為998.2kg/m3998.2kg/m3，粘度為，粘度為1.0051.00510-3 Pa10-3 Pas s先設(shè)為層流區(qū)。

16、先設(shè)為層流區(qū)。 18)(2ppgdtu1) 1) 顆粒直徑顆粒直徑dp:dp:應(yīng)用：應(yīng)用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，dput，使啤酒易于分離和澄，使啤酒易于分離和澄清。清。均質(zhì)乳化，均質(zhì)乳化， dput，使飲料不易分層。，使飲料不易分層。加絮凝劑，如水中加明礬。加絮凝劑，如水中加明礬。2) 2) 連續(xù)相的粘度連續(xù)相的粘度：應(yīng)用：應(yīng)用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使加酶：清飲料中添加果膠酶，使 ut，易，易于分離。于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使增稠：濃飲料中添加增稠劑，使 ut，不，不易分層。易分層。加熱：加熱：3) 兩相密度差兩相密度差( p-)：3 影響沉降速度的因

17、素影響沉降速度的因素(以層流區(qū)為例以層流區(qū)為例) 4) 顆粒形狀顆粒形狀在實(shí)際沉降中：在實(shí)際沉降中：非球形顆粒的形狀可用球形度非球形顆粒的形狀可用球形度s 來描述。來描述。pSSs s 球形度；球形度；S 顆粒的表面積，顆粒的表面積，m2；Sp 與顆粒體積相等的圓球的表面積，與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。 不同球形度下阻力系數(shù)與不同球形度下阻力系數(shù)與Re的關(guān)系見課本圖示，的關(guān)系見課本圖示，Re中的中的dp用當(dāng)量直用當(dāng)量直徑徑de代替。代替。球形度球形度s s越小，阻力系數(shù)越小，阻力系數(shù) 越大，但在層流區(qū)不明顯。越大，但在層流區(qū)不明顯。utut非球非球utut球球 。對(duì)于細(xì)微顆粒對(duì)于細(xì)微顆

18、粒(d0.5(d0.5m)m)，應(yīng)考慮分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，不能用沉降公，應(yīng)考慮分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，不能用沉降公式計(jì)算式計(jì)算utut；沉降公式可用于沉降和上浮等情況。沉降公式可用于沉降和上浮等情況。注意：注意：6)干擾沉降干擾沉降hindered settling）：）： 當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時(shí)，顆粒沉降會(huì)受到其它顆粒的影響，這種沉降稱近時(shí)，顆粒沉降會(huì)受到其它顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降速度比自由沉降的小。為干擾沉降。干擾沉降速度比自由沉降的小。5) 壁效應(yīng)壁效應(yīng) (wall effect) ： 當(dāng)顆粒在靠近器壁的位

19、置沉降時(shí)，由于器壁的影當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時(shí)，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁效應(yīng)。效應(yīng)。4.2A 間歇式沉降器間歇式沉降器 食品中主要用于沉降速度緩慢的葡萄酒和果汁的食品中主要用于沉降速度緩慢的葡萄酒和果汁的澄清。澄清。4.2 懸浮液的重力沉降懸浮液的重力沉降4.2B 半連續(xù)式沉降器半連續(xù)式沉降器 1.臨界速度：已經(jīng)沉積的顆粒不致被流體流動(dòng)的臨界速度：已經(jīng)沉積的顆粒不致被流體流動(dòng)的曳力所帶走的流體流動(dòng)最大速度。曳力所帶走的流體流動(dòng)最大速度。3)(4spgdcu操作中操作中,應(yīng)使操作流速應(yīng)使操作流速 u 5 m，dp

20、c50=12 m 。主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)例：溫度為例：溫度為20，壓力為，壓力為0.101Mpa，流量為，流量為2.5m3/s的含塵空的含塵空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為2500kg/m3，試，試計(jì)算臨界粒徑。選擇合適的旋風(fēng)分離器，使之能計(jì)算臨界粒徑。選擇合適的旋風(fēng)分離器，使之能100%的分的分離出離出6.5m以上的粉塵。并計(jì)算壓損。以上的粉塵。并計(jì)算壓損。解：解： 20，0.101Mpa時(shí)空氣的：時(shí)空氣的： =1.21kg/m3，=1.8110-5Pas1 1、確定進(jìn)口氣速：、確定進(jìn)口氣速：ui=20m/s (15-20m/s)ui=20m/s

21、 (15-20m/s)2 2、計(jì)算、計(jì)算D D和和b b：流量：流量 V=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 V=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5) 2.5=(D/5)(3D/5)(3D/5)20 20 D=1.041m D=1.041m 取取 D=1100 mm D=1100 mm旋風(fēng)分離器的選用旋風(fēng)分離器的選用此時(shí)此時(shí)550,160,220,1200,1100121DhBHDHsmuhBVi/2 .17)5/ 1 . 13()5/ 1 . 1 (5 . 23、 求求dpcmuNBdippc3 . 73)(32 .172500514. 322. 01081. 15kPaupi49.121.13 .82/22 .17223.8302121HHDDBh4、求、求p5、 求求D