化工原理第三章第一節(jié)講稿

1、2022-4-26第第第第第第三三三三三三章章章章章章 非均相物系分離非均相物系分離非均相物系分離非均相物系分離非均相物系分離非均相物系分離一、沉降速度一、沉降速度1、球形顆粒的自由沉降、球形顆粒的自由沉降2、阻力系數(shù)、阻力系數(shù)3、影響沉降速度的因素、影響沉降速度的因素4、沉降速度的計(jì)算、沉降速度的計(jì)算5、分級(jí)沉降、分級(jí)沉降二、降塵室二、降塵室1、降塵室的結(jié)構(gòu)、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)能力第第第第第第一一一一一一節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)節(jié)節(jié) 重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降2022-4-26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

2、。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。例如固體顆粒和氣體構(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2022-4-26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 2022-4-26 一、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降一

3、、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、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設(shè)顆粒的密度為s，直徑為d，流體的密度為， 2022-4-26重力 gdFsg36浮力 gdFb36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 ：22uAFd24dA對(duì)球形顆粒 2422udFdmaFFFdbg2022-4-26adudgdgdss3223362466(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

4、Fd ；u ut 時(shí)，a=0 。等速階段中顆粒相對(duì)與流體的運(yùn)動(dòng)速度ut 稱為沉降速度。當(dāng)a=0時(shí)，u=ut，代入（a）式024662233tsudgdgd 3)(4stdgu沉降速度表達(dá)式2022-4-262、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(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)或托斯克斯滯流區(qū)或托斯克斯(stokes)定律區(qū)（定律區(qū)（10 4Ret1） tRe24182stdu斯托克斯公式2022-4-262022-4-266 . 0Re5 .18t6 . 0Re269. 0tgdust艾倫公式 c) 滯流區(qū)或牛頓

5、定律區(qū)（滯流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（）（103Ret 2105） 44. 0gdust74. 1牛頓公式 b) 過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（）（1Ret103） 2022-4-263、影響沉降速度的因素、影響沉降速度的因素 1）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(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)）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。 Dduutt1 .

6、212022-4-263）顆粒形狀的影響）顆粒形狀的影響 psSS球形度對(duì)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(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 。peVd3636PeVd顆粒的球形度愈小，對(duì)應(yīng)于同一Ret值的阻力系數(shù)愈大但s值對(duì)的影響在滯流區(qū)并不顯著，隨著Ret的增大，這種影響變大。2022-4-264、沉降速度的計(jì)算、沉降速度的計(jì)算 1）試差法）試差法 假設(shè)沉降屬于層流區(qū) 方法：182stduut dutReRet Ret1 ut為所求Ret1 艾倫公式求ut判斷公式適用為止 2) 摩擦數(shù)群法摩擦數(shù)群法 34stgdu由得234tsudg2

7、022-4-2622222Retudt 23234Regdst32gdks令3234Rekt 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(zhuǎn)化成 Ret2Ret曲線。 計(jì)算ut時(shí)，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 。duttRe2022-4-262022-4-26 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，令與Ret-1相乘， 2213)(4Retstug Ret-1Ret關(guān)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(jì)算d。ttudRe無(wú)因次數(shù)群K也可以判別流型 182gdust23

8、18Regdst183K2022-4-26當(dāng)Ret=1時(shí)K=2.62，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：例：試計(jì)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(jì)算先假設(shè)顆粒在滯流區(qū)內(nèi)沉降 ，182gdust 附錄查得，20時(shí)水的密度為998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s2022-4-2632610005. 11881. 92 .99830001095tusm/10797. 93核算流型 ttduRe33610005. 12 .99810797. 910959244. 01原假

9、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：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s根據(jù)無(wú)因次數(shù)K值判別顆粒沉降的流型 2022-4-2632gdKs32561081. 181. 9205. 13000205. 1109552. 42.61K69.1，沉降在過渡區(qū)。用艾倫公式計(jì)算沉降速度。 4 . 16 . 04 . 14 . 04 . 114 . 16 . 14 . 11154. 0stdgusm/619. 05、分級(jí)沉降、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。 2022-4-26 例：本題附圖所示為一雙錐分級(jí)

10、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佑缮喜考尤?，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。2022-4-26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0.080.7mm方鉛礦密度 s1=7500kg/m3石英密度 s2=2650kg/m320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(yīng)取多少m/s？2）所得純方鉛礦粒的尺寸范圍。2022-4-26解：

11、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。36peVd336lm43310685. 8)107 . 0(6psSS226lde806. 0)107 . 0(610685. 82342022-4-26用摩擦數(shù)群法求最大石英粒子的沉降速度22223)(4Regdset14000)10005. 1 ( 381. 92 .998)2 .9982650()10685. 8(42334s=0.806，查圖3-3的，Ret=60，則：ettduRe4

12、310685. 82 .99810005. 160sm/0696. 02022-4-262）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。32113)(4Retstug2544. 0)0696. 0(2 .998381. 9)2 .9987500(10005. 14323s=0.806，查圖3-3的，Ret=22，則：2022-4-26tteudRe0696. 02 .99810005. 1223m410182.3與此當(dāng)量直徑相對(duì)應(yīng)的正方體的棱長(zhǎng)為：36edl 34610182. 3m410565. 2所得方鉛礦的棱長(zhǎng)范圍為

13、0.25650.7mm。2022-4-26二、降塵室二、降塵室二、降塵室二、降塵室二、降塵室二、降塵室1、降塵室的結(jié)構(gòu)、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 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)2022-4-262022-4-26顆粒在降塵室的停留時(shí)間 ul顆粒沉降到室底所需的時(shí)間 ttuHt為了滿足除塵要求 tuHul降塵室使顆粒沉降的條件降塵室使顆粒沉降的條件HbVusssVlHbHbVltsuHVlHbtsbluV 降塵室的生產(chǎn)能力降塵室的生產(chǎn)能力 降塵室的生產(chǎn)能力只與降塵

14、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(wú)關(guān)。 2022-4-263、降塵室的計(jì)算、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，或者計(jì)算要求完全除去直徑dp的塵粒時(shí)所能處理的氣體流量。2022-4-26 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(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=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

15、室的總高度H，m；2理論上能完全分離下來(lái)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(lái)，需在降降塵室內(nèi)設(shè)置幾層水平隔板？2022-4-26解：解：1）降塵室的總高度HsmtVVS/564. 2273427273127327330buVHS5 . 02564. 2m564. 22）理論上能完全出去的最小顆粒尺寸 blVustsm/214. 062564. 2用試差法由ut求dmin。假設(shè)沉降在斯托克斯區(qū) 2022-4-26gudst18min807. 95 . 04000214. 0104 . 3185m51078. 5核算沉降流型 1182. 01014. 35 . 0214. 01078. 5Re55ttdu原假設(shè)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 smgdust/103. 0104 . 318807. 95 . 0400010401852622022-4-26氣體通過降沉室的時(shí)間為： suHt12214. 0564. 2直徑為40m的顆粒在12s內(nèi)的沉降高度為： muHt234. 112103. 0 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