第三章機械分離(1、2節(jié))

第三章

非均相物系的分離2023/2/5第一節(jié)概述(1)一、非均勻相物系化工生產(chǎn)中處理的物料可分成兩大類：均相物料：物料內(nèi)性質(zhì)均勻一致而無相界面,單相物系。非均相物料：物料內(nèi)存在相界面,且界面兩側(cè)性質(zhì)不同的多相物系。非均相物系中的名稱：分散相(分散物質(zhì))：以小液滴、小顆粒等形式分散開,在物料中是不連續(xù)的。分散介質(zhì)(連續(xù)相)：將分散相包圍，而且處于連續(xù)狀態(tài)的液體或氣體，即連續(xù)流體。分散介質(zhì)

分散相

非均相物系氣體液體固體含塵氣體霧氣固體液體氣體泡沫液懸浮液乳濁液液體2023/2/5第一節(jié)概述(2)多相物系的分類：

分離非均相物質(zhì)中分散相與分散介質(zhì)是化工生產(chǎn)中的一個重要單元操作，實現(xiàn)分離操作必須使分散相與分散介質(zhì)之間發(fā)生相對運動，因此非均相物系操作過程，遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。分離機械分離

沉降

過濾

不同的物理性質(zhì)

連續(xù)相與分散相發(fā)生相對運動的方式分散相和連續(xù)相

(1)沉降分離(重力與離心沉降)；(2)過濾；分離的目的1、凈制分散介質(zhì)2、收取分散相3、勞保與環(huán)保等常用的分離方法：1、沉降分離法2、過濾法3、離心分離法4、旋風(fēng)與旋液分離分離5、電除塵法6、濕法除塵二、本章的主要分離方法2023/2/5第二節(jié)沉降分離（1）沉降操作:

在外力場作用下，利用分散相和分散介質(zhì)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。

沉降屬于流體與固體間的相對運動問題，分三種情況：

⑴流體靜止，顆粒相對流體的沉降或浮升；⑵固體顆粒靜止，流體對固體繞流；⑶固體與流體均運動，并保持一定的相對速度。作用力

重力沉降離心沉降

慣性離心力

慣性力作用重力

重力作用

2023/2/5第二節(jié)沉降分離（2）受地球吸引力的作用而發(fā)生的沉降過程——重力沉降。1、球型顆粒在流體中的自由沉降流體靜止：連續(xù)相靜止(氣體或液體靜止)；顆粒降落：分散相為固體,與流體有相對運動;(或固體運動，也可能流體運動因此需要用伯努利方程解決)。一、重力沉降固體顆粒受力分析：顆粒沉降過程受三個力的作用Ff阻力Fb浮力Fg重力(1)球形顆粒的重力：(2)浮力：(3)阻力：(一)重力沉降過程的分析：2023/2/5第二節(jié)沉降分離（3）

顆粒剛開始沉降的瞬間階段(此階段極短)：顆粒作加速沉降運動，用牛頓第二定律描述:(Fg-Fb)-Ff=ma為什么顆粒沉降的加速階段很短？沉降速度——自由沉降速度表達式顆粒沉降階段：顆粒作等速沉降，顆粒相對于流體的運動速度ut稱為沉降速度，并以此速度達到最終結(jié)束，又叫“終端速度”

，此時a=0;

也可稱為自由沉降速度，即：(Fg-Fb)-Ff=0，F(xiàn)g＝Fb+Ff則——

小顆粒具有相當(dāng)大的比表面，阻力在很短時間內(nèi)便與顆粒所受到的凈重力(重力－浮力)接近平衡，在整個過程加速階段可以忽略，整個沉降認為是等速階段。2023/2/5第二節(jié)沉降分離（4）(2)流動為過渡流：1<Ret<103(3)流動為湍流：103<Ret<2×105,ζ=0.44;2、阻力系數(shù)ζ

通過因次分析法得知，ζ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)：

——牛頓公式

(1)流動為層流：

10-4<Ret<12023/2/5第二節(jié)沉降分離（5）ut

的計算必須先判斷流型Ret；但Ret式中的ut

又待求。⑴試差法：①先假定沉降在某個區(qū)域(例層流)，用對應(yīng)的公式求ut；②將ut代入Ret中驗算假定是否合理(再校核)；③若不符重設(shè)ut，直至合理為止。⑵摩擦數(shù)群法——阿基米德準(zhǔn)數(shù)法：3、重力沉降速度ut的計算：2023/2/5第二節(jié)沉降分離（6）

顆粒作勻速沉降運動時的速度，與流體性質(zhì)及顆粒的密度、顆粒粒徑、流動形態(tài)等有關(guān)，它是一個綜合特性，不是操作特性；

說明重力沉降速度ut值不可以隨操作而改變。而流體的流速u與ut不同，u可以通過Vs改變。以層流為例：自由沉降：非均相物系中固體顆粒在沉降過程中不因流體中其它顆粒的存在而受到干擾的沉降。單個顆粒在液相中的沉降或氣相中顆粒的沉降可以認為試自由沉降。4、影響重力沉降速度的因素干擾沉降：

由于固體顆粒的濃度大，顆粒在沉降過程中，顆粒之間相互干擾，器壁對沉降過程的影響，稱為干擾沉降或受阻沉降。

干擾沉降速度<自由沉降速度2023/2/5第二節(jié)沉降分離（7）層流沉降區(qū)：流體的粘性占主導(dǎo)作用；湍流區(qū)：流體粘性對沉降速率無影響，主要為流體對顆粒產(chǎn)生邊界層分離的形體阻力影響；過渡區(qū)：流體的表面摩擦與形體阻力均有影響。⑴流體黏度的影響：體積分數(shù)在0.2％以內(nèi)的沉降速度，理論計算與實際速度值的偏差在1％以內(nèi)；體積分數(shù)較高時，由于存在顆粒間的相互作用，發(fā)生干擾沉降。容器的壁面與底面都對顆粒沉降時產(chǎn)生曳力，從而使顆粒的實際沉降速度比自由沉降速度低。只有容器尺寸在顆粒尺寸的100倍以上，器壁效應(yīng)可以忽略。⑵顆粒體積分數(shù)(顆粒濃度)的影響：⑶器壁效應(yīng)的影響：2023/2/5第二節(jié)沉降分離（8）

同一種固體物質(zhì)，球形或近球形顆粒比同體積非球形顆粒的沉降要快一些。非球形顆粒的形狀及其投影面對沉降速度也有影響。

由ut計算式可知，μ↑ut↓，而氣體的μ隨溫度增高而增大，因此,T↑對氣體沉降不利。[注意]在沉降速度關(guān)系式中，顆粒的密度ρs>流體的密度ρ,則發(fā)生沉降；顆粒的凈重力<流體的阻力,則發(fā)生顆粒的浮升。⑷顆粒形狀的影響：⑸溫度的影響：[曳力]當(dāng)流體以一定速度繞過靜止的固體顆粒流動時，由于液體的黏性便對顆粒產(chǎn)生作用力；同理，固體顆粒在靜止的液體中移動，流體對顆粒有作用力，這兩種力性質(zhì)相同，稱為曳力（阻力）。2023/2/5第二節(jié)沉降分離（9）(二)重力沉降設(shè)備降塵室內(nèi)的顆粒運動特征：

以速度u隨氣體流動水平速度

以速度ut作沉降運動垂直速度(1)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。1、重力沉降設(shè)備1——降塵室：2023/2/5第二節(jié)沉降分離（10）2023/2/5第二節(jié)沉降分離（11）極限情況:θ=θt時，位于頂部的顆粒也能沉降到底部(臨界值)，則含塵氣體最大處理量為Vs：(3)多層降塵室的生產(chǎn)能力：隔板間距一般為40~100mm。結(jié)論:

降塵室的最大處理量—生產(chǎn)能力Vs與降塵室高度無關(guān)，只與塵室(底)面積及沉降速度有關(guān)。因此,降塵室做成扁平型或多層型。為了滿足除塵要求，θ≧θt②顆粒降落時間θt＝H/ut(從頂?shù)降?①顆粒水平停留時間θ＝L/u(從進口到出口,即氣體通過降塵室的時間),此時間即為氣體通過降塵室的時間，即顆粒在降塵室內(nèi)停留的時間。(2)單層降塵室分析：一顆顆粒在降塵室中的運動——降塵室使顆粒沉降的條件——降塵室的生產(chǎn)能力2023/2/5第二節(jié)沉降分離（12）

(4)臨界粒徑dmin:

處理量為Vs的重力沉降能100％

除去的顆粒中最小粒徑。

(5)降塵室的特點：(1)阻力小，結(jié)構(gòu)簡單；

(2)體積較大，分離效率較低，只可除去d>50μm的顆粒。

已知Vs、降塵室尺寸；求：可全部沉降的最小顆粒直徑dmin。2023/2/5第二節(jié)沉降分離（13）

懸浮液通過沉降槽后，可分為清液和稠厚的沉渣。沉降槽有澄清液體和增濃懸浮液的雙重功能。用于分離懸浮液的設(shè)備。

2、重力沉降設(shè)備2——沉降槽：又稱為增稠器或澄清器，處理懸浮液用的沉降設(shè)備。沉降槽是用來提高懸浮液濃度并同時得到澄清液體的重力沉降設(shè)備。只起增稠作用，得不到固體的徹底分離。常見的污水處理就是一例。

2023/2/5第二節(jié)沉降分離（14）(1)自由沉降與自由落體不同

自由沉降是指在沉降過程中，顆粒不受流體中其它粒子干擾，但由于顆粒較小，所以不能忽略流體對它產(chǎn)生的浮力和阻力；自由落體是體積與密度都較大，但流體對物體產(chǎn)生的浮力及阻力與重力相比小的多，所以自由落體不及流體對物體產(chǎn)生的阻力和浮力。(2)自由沉降與干擾沉降不同重力沉降需要注意的概念：2023/2/5第二節(jié)沉降分離（15）依靠慣性離心力的作用而實現(xiàn)的沉降過程，稱為離心沉降。適用于分離兩相密度差較小，顆粒粒度較細的非均相物系。二、離心沉降(一)離心沉降過程的分析：1、離心沉降速度：

當(dāng)含塵氣體進入圓筒中作圓周運動時，便形成了在離心力場的作用下的運動，即離心運動,對應(yīng)其離心沉降速度。一個顆粒在離心力場中的受力分析：1)慣性離心力Ft:與重力場中的重力相似,切向速度為uT。(uT2/R)離心力場的加速度。2)向心力FI:與重力場中浮力相似，方向沿半徑指向旋轉(zhuǎn)中心。3)阻力Ff:方向為與顆粒徑向運動方向相反，與向心力方向相同。2023/2/5第二節(jié)沉降分離（16）

顆粒在徑向上相對于流體的速度ur,叫顆粒在位置r的離心沉降速度ur：若顆粒與流體的相對運動為層流：離心沉降速率:離心分離系數(shù)Kc：同一顆粒在同一介質(zhì)中的離心沉降速度ur與重力沉降速度uT之比。例如；當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4m，切向速度uT=20m/s時，求分離因數(shù)。三個力達平衡：uT切向速度2023/2/5第二節(jié)沉降分離（17）離心沉降與重力沉降生產(chǎn)操作方面的比較:

離心沉降速度ur中的R為旋轉(zhuǎn)半徑，也是設(shè)備半徑可以改變其大小;顆粒與流體的相對運動為層流：ζ=24/Re阻力系數(shù)與重力沉降的層流相同。沉降類型外力場強度比較生產(chǎn)能力Vs

比較離心沉降速度重力沉降速度VS

↑，u0

↑顆粒停留時間短，則使η↓為了增大沉降效率η↑：使設(shè)備滿負荷的方法：ur

↑若：VS↓，則：L↑設(shè)備加長或放隔板2023/2/5第二節(jié)沉降分離（18）分離→氣固混合物→旋風(fēng)分離器↘液固混合物→旋液分離器(二）離心沉降設(shè)備1、旋風(fēng)分離器的操作原理2023/2/5第二節(jié)沉降分離（19）(1)結(jié)構(gòu)特點：上部為圓柱形，下部為圓錐形(2)作用原理：

含塵氣體切線進入，產(chǎn)生離心力，顆粒受到壁面的約束而旋轉(zhuǎn)，向下作下行旋轉(zhuǎn)：外旋流，稱為除塵區(qū)；在此過程顆粒被甩出氣流；分散相與分散介質(zhì)分離。

經(jīng)除塵后氣體上行旋轉(zhuǎn)：內(nèi)旋流；塵粒沿壁面落入錐底；而氣體到錐底部后，壓強改變而上升。內(nèi)、外旋流的旋轉(zhuǎn)方向相同。2023/2/5第二節(jié)沉降分離（20）產(chǎn)生壓強差：分離器內(nèi)靜壓強的分布不同——靠近壁面處：壓強最高，僅僅稍稍低于進口處壓強；中心處:壓強逐漸降低，在中心軸處可降至出口壓強以下,壓強改變(流道變窄),除塵后氣體轉(zhuǎn)為向上的運動，從上部排出。2、旋風(fēng)分離器性能的主要操作參數(shù)：氣體處理量，V;分離效率；氣體通過旋風(fēng)分離器的壓強降。(1)氣體處理量旋風(fēng)分離器的處理量由入口的氣速決定，入口氣體流量是旋風(fēng)分離器最主要的操作參數(shù)。一般入口氣速ui在15～25m/s。旋風(fēng)分離器的處理量:2023/2/5第二節(jié)沉降分離（21）(2)臨界粒徑：

理論上在旋風(fēng)分離器中能夠被分離出的最小顆粒直徑。判斷分離效率的重要依據(jù)。

旋風(fēng)分離器的理論估算是在以下三個假設(shè)下進行的。假設(shè)：1)進入旋風(fēng)分離器的氣流嚴格按螺旋路線運動，顆粒與氣體速度相同、恒定與所在位置無關(guān)，切線速度

等于進口速度；2)顆粒沉降所穿過的氣體最大厚度層為進口寬度B的氣流層，達到壁面后，被沉降出來，沉降距離：

B=D/43)顆粒與氣體的相對運動為層流，作自由沉降。2023/2/5第二節(jié)沉降分離（22）∵ρ

s>>ρg,∴ρs-ρg≈ρs,旋轉(zhuǎn)半徑取平均半徑rm則氣體流中顆粒的離心沉降速度為:顆粒穿過B到達壁面的沉降時間:氣流的有效旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為Ne,則顆粒在筒內(nèi)的停留時間:(3)臨界粒徑dmin的計算:顆粒所需沉降時間恰好=顆粒的停留時間理論上該粒徑的顆粒能完全被分離出來，即為臨界粒徑

dmin：2023/2/5第二節(jié)沉降分離（23）(4)臨界粒徑的影響因素：

B為旋風(fēng)分離器的進口寬度與D/4倍數(shù)關(guān)系,而D與設(shè)備半徑R成正比;

D↑dmin

↑分離效率η↓;

因此設(shè)備尺寸越小:dmin

↓,η

↑分離效率高。dmin∝B1/23、分離效率分離效率總效率ηo

進入旋風(fēng)分離器的全部粉塵中實際被分離下來的粉塵的質(zhì)量分率粒級效