第三章非均相系分離

第三章非均相系分離2023/3/29第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日混合物

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。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3.1概述第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日非均相物系

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)相連續(xù)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

第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日3.2顆粒及顆粒床層的特性顆粒的特性及描述★第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日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

1、沉降速度

1）球形顆粒的自由沉降設(shè)顆粒的密度為ρs，直徑為d，流體的密度為ρ，

3.3.1重力沉降3.3沉降分離第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日重力

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：第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日(a)顆粒開始沉降的瞬間，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max

顆粒開始沉降后，u↑→Fd

↑；u→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——沉降速度表達式第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日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)：

a)滯流區(qū)或托斯克斯(stokes)定律區(qū)（10–4＜Ret<1）

——斯托克斯公式第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日——艾倫公式

c)湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（103＜Ret

＜2×105）

——牛頓公式

b)過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（1＜Ret<103）

第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日3、影響沉降速度的因素

1）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(yīng)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(yīng)可忽略，否則需加以考慮。

第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日3）顆粒形狀的影響

球形度對于球形顆粒，φs=1，顆粒形狀與球形的差異愈大，球形度φs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(yīng)于同一Ret值的阻力系數(shù)ζ愈大但φs值對ζ的影響在滯流區(qū)并不顯著，隨著Ret的增大，這種影響變大。第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日4、沉降速度的計算

1）試差法

假設(shè)沉降屬于層流區(qū)

方法：ut

Ret

Ret＜1

ut為所求Ret＞1

艾倫公式求ut判斷……公式適用為止2)摩擦數(shù)群法

由得第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日令

因ζ是Ret的已知函數(shù)，ζ

Ret2必然也是Ret的已知函數(shù)，ζ

～Ret曲線便可轉(zhuǎn)化成ζ

Ret2～Ret曲線。計算ut時，先由已知數(shù)據(jù)算出ζ

Ret2的值，再由ζ

Ret2～Ret曲線查得Ret值，最后由Ret反算ut。第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日RetζRetζRet2第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日計算在一定介質(zhì)中具有某一沉降速度ut的顆粒的直徑，令ζ與Ret-1相乘，

ζ

Ret-1～Ret關(guān)系繪成曲線，由ζ

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

第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日當Ret=1時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：試計算直徑為95μm，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(shè)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,μ=1.005×10-3Pa.s第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日核算流型

原假設(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)群法計算20℃空氣：ρ=⒈205kg/m3，μ=⒈81×10-5Pa.s根據(jù)無因次數(shù)K值判別顆粒沉降的流型第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日2.61＜K<69.1，沉降在過渡區(qū)。用艾倫公式計算沉降速度。

5.重力沉降設(shè)備第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日1）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

以速度u隨氣體流動以速度ut作沉降運動1.降塵室第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。思考1：為什么氣體進入降塵室后，流通截面積要擴大？思考2：為什么降塵室要做成扁平的？第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日<100%思考3：要想使某一粒度的顆粒在降塵室中被100%除去，必須滿足什么條件？

思考5：粒徑比dmin小的顆粒，被除去的百分數(shù)為多少？粒徑比dmin大的顆粒，被除去的百分數(shù)為多少？100%第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日注意：降塵室內(nèi)氣體流速不應(yīng)過高，以免將已沉降下來的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗，多數(shù)灰塵的分離，可取u<3m/s，較易揚起灰塵的，可取u<1.5m/s?？梢姡航祲m室生產(chǎn)能力與底面積、沉降速度有關(guān)，而與降塵室高度無關(guān)第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日多層降塵室★n層隔板的多層降塵室生產(chǎn)能力：第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日3）降塵室的計算

降塵室的計算

設(shè)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d的塵粒時所能處理的氣體流量。第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日

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(yīng)的密度ρ=0.5kg/m3，粘度μ=3.4×10-5Pa.s，固體密度ρS=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40μm的顆粒的回收百分率；4.欲使粒徑為10μm的顆粒完全分離下來，需在降降塵室內(nèi)設(shè)置幾層水平隔板？第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日解：1）降塵室的總高度H2）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(shè)沉降在斯托克斯區(qū)

第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日核算沉降流型

∴原假設(shè)正確

3）粒徑為40μm的顆粒的回收百分率粒徑為40μm的顆粒定在滯流區(qū)，其沉降速度第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日氣體通過降沉室的時間為：

直徑為40μm的顆粒在12s內(nèi)的沉降高度為：

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寸顆粒被分離下來的百分率。直徑為40μm的顆粒被回收的百分率為：

第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日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(chǎn)能力和底面積求得多層降塵室的水平隔板層數(shù)。粒徑為10μm的顆粒的沉降必在滯流區(qū)，

取33層

板間距為

第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日降塵室結(jié)構(gòu)簡單，但設(shè)備龐大、效率低，只適用于分離粗顆粒------直徑75m以上的顆粒，或作為預(yù)分離設(shè)備。第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日2.增稠器（沉降槽）第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日

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入底流，而沉降速度小于該流速的顆粒則被溢流帶出。3.分級器第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日利用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0.08~0.7mm方鉛礦密度ρs1=7500kg/m3石英密度ρs2=2650kg/m320℃水的密度和粘度ρ=998.2kg/m3μ=1.005×10-3Pa·s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。第三十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日解：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。對于正方體顆粒，先算出其當量直徑和球形度。設(shè)l代表棱長，Vp代表一個顆粒的體積。第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日用摩擦數(shù)群法求最大石英粒子的沉降速度φs=0.806，查圖3-3的，Ret=60，則：第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日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(yīng)等于0.0696m/s

用摩擦數(shù)群法計算該粒子的當量直徑。φs=0.806，查圖3-3的，Ret=22，則：第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日與此當量直徑相對應(yīng)的正方體的棱長為：所得方鉛礦的棱長范圍為0.2565~0.7mm。第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日離心沉降：

依靠慣性離心力的作用而實現(xiàn)的沉降過程

適于分離兩相密度差較小，顆粒粒度較細的非均相物系。慣性離心力場與重力場的區(qū)別

重力場離心力場力場強度重力加速度guT2/R

（可變）方向指向地心

沿旋轉(zhuǎn)半徑從中心指向外周

Fg=mg

作用力

3.3.2離心沉降第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日1、離心沉降速度ur慣性離心力=向心力=阻力=

三力達到平衡，則：第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日平衡時顆粒在徑向上相對于流體的運動速度ur便是此位置上的離心沉降速度。表達式：重力沉降速度公式中的重力加速度改為離心加速度數(shù)值：重力沉降速度基本上為定值離心沉降速度為絕對速度在徑向上的分量，隨顆粒在離心力場中的位置而變。

離心沉降速度與重力沉降速度的比較第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日阻力系數(shù)：層流時同一顆粒在同一種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值為：比值Kc就是粒子所在位置上的慣性離心力場強度與重力場強度之比稱為離心分離因數(shù)。例如；當旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4m，切向速度uT=20m/s時，求分離因數(shù)。一般離心設(shè)備Kc在5～2500之間，高速離心機Kc可達幾萬～數(shù)十萬。第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日2旋風分離器的工作原理構(gòu)造及氣、固運動軌跡第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日旋風分離器性能的主要操作參數(shù)為氣體處理量，分離效率和氣體通過旋風分離器的壓強降。1）氣體處理量

旋風分離器的處理量由入口的氣速決定，入口氣體流量是旋風分離器最主要的操作參數(shù)。一般入口氣速ui在15～25m/s。旋風分離器的處理量

3旋風分離器的性能第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日2）臨界粒徑

判斷旋風分離器分離效率高低的重要依據(jù)是臨界粒徑。臨界粒徑：

理論上在旋風分離器中能完全分離下來的最小顆粒直徑。①臨界粒徑的計算式a)進入旋風分離器的氣流嚴格按照螺旋形路線作等速運動，且切線速度恒定，等于進口氣速uT=ui；

b)

顆粒沉降過程中所穿過的氣流厚度為進氣口寬度B表示c)

顆粒在滯流情況下做自由沉降，徑向速度可用

第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日∵ρ<<ρS，故ρ可略去，而旋轉(zhuǎn)半徑R可取平均值Rm，并用進口速度ui代替uT。氣流中顆粒的離心沉降速度為：顆粒到達器壁所需要的時間：停留時間為：對某尺寸的顆粒所需的沉降時間θt恰好等于停留時間θ，該顆粒就是理論上能被完全分離下來的最小顆粒，用dc表示這種顆粒的直徑，即臨界粒徑。第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日——臨界粒徑的表達式

②臨界粒徑的影響因素

a)由，知即臨界粒徑隨分離器尺寸的增大而增大。分離效率隨分離器尺寸的增大而減小。

b)入口氣速ui愈大，dc愈小，效率愈高。第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日③分離效率

分離效率總效率ηo

進入旋風分離器的全部粉塵中被分離下來的粉塵的質(zhì)量分率粒級效率ηpi

進入旋風分離器的粒徑為di的顆粒被分離下來的質(zhì)量分率C1:旋風分離器進口氣體含塵濃度g/m3C2:旋風分離器出口氣體含塵濃度g/m3C1i:旋風分離器進口氣體中粒徑在第i段的顆粒濃度g/m3C2i:旋風分離器出口氣體中粒徑在第i段的顆粒濃度g/m3第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日粒級效率ηpi與顆粒直徑di的對應(yīng)關(guān)系可通過實測得到，稱為粒級效率曲線。如圖，臨界粒徑約為10μm。理論上，凡直徑大于10μm的顆粒，其粒級效率都應(yīng)為100%而小于10μm的顆粒，粒級效率都應(yīng)為零，圖中折線obcd。第五十頁，共六十五頁，2022年，8月28日實測的粒級效率曲線，直徑小于10μm的顆粒，也有可觀的分離效果，而直徑大于dc的顆粒，還有部分未被分離下來直徑小于dc的顆粒中有些在旋風分離器進口處已很靠近壁面，在停留時間內(nèi)能夠達到壁面上有些在器內(nèi)聚結(jié)成了大的顆粒，因而具有較大的沉降速度直徑大于dc的顆粒氣體渦流的影響，可能沒達到器壁。即使沉到器壁也會被重新?lián)P起第五十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日有時也把旋風分離器的粒級效率標繪成d/d50的函數(shù)曲線，d50為粒級效率為50%的顆粒直徑，稱為分割粒徑。對于標準旋風分離器第五十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日3)壓強降氣體通過旋風分離器時，由于進氣管、排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力，氣體流動時的局部阻力以及氣體旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動能損失造成了氣體的壓強降，對型式不同或尺寸比例不同的設(shè)備ζ的值也不同，要通過實驗測定，對于標準旋風分離器ζ=8.0。旋風分離器的壓降一般在500～2000Pa內(nèi)。第五十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日為了保證高速氣流進入旋風分離器時形成較規(guī)則的旋轉(zhuǎn)流，減少局部渦流與死角，設(shè)計了傾斜螺旋進口，螺殼形進口、軸向進口等。1）旋風分離器的型式

旋風分離器的形式多種多樣，主要是在對標準型式的旋風分離器的改進設(shè)計出來的。進氣口：

主體結(jié)構(gòu)與各部分尺寸比例的優(yōu)化：根據(jù)流場與顆粒流動規(guī)律設(shè)計旋風分離器的結(jié)構(gòu)。4旋風分離器的選型與計算第五十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日一般細長的旋風分離器效率高，但超過一定限度，分離效率的提高不明顯，而壓降卻增加。改進下灰口：防止已分離下來的粉塵重新?lián)P起。目前，我國已定型了旋風分離器，制定了標準流型系列，如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及擴散式旋風分離器。2）旋風分離器的設(shè)計計算

例如，已知氣體流量VS(m3/s)、原始含塵量C1(g/m3)、粉塵的粒度分布，除塵要求及氣體通過旋風分離器允許的壓強降，要求選擇旋風分離器的形式，確定旋風分離器的直徑和個數(shù)。第五十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日步驟：

a)根據(jù)具體情況選擇合適的型式，選型時應(yīng)在高效率與低阻力者之間作權(quán)衡，一般長、徑比大且出入口截面小的設(shè)備效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。

b)根據(jù)允許的壓降確定氣體在入口的流速ui

c)根據(jù)分離效率或除塵要求，求出臨界粒徑dC

d)根據(jù)ui和dc計算旋風分離器的直徑D

e)根據(jù)ui與D計算旋風分離器的處理量，再根據(jù)氣體流量確定旋風分離器的數(shù)目。

f)校核分離效率與壓力降

第五十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日標準旋風分離器h=D/2B=D/4D1=D/2H1=2DH2=2DS=D/8D2=D/4ζ＝8.0第五十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日

例：氣體中所含塵粒的密度為2000kg/m3，氣體的流量為5500標m3/h，溫度為500℃，密度為0.43kg/m3，粘度為3.6×10-5Pa.s，擬采用標準形式的旋風分離器進行除塵，