第三章非均相物系分離

第三章非均相物系分離第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三概述

本章考察流固兩相物系中固體顆粒與流體間的相對運動。在流固兩相物系中，不論作為連續(xù)相的流體處于靜止還是作莫種運動，只要固體顆粒的密度大于流體的密度，那么在重力場中,固體顆粒將在重力方向上與流體做相對運動，在離心力場中，則與流體作離心力方向上的相對運動。第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三顆粒的沉降運動

3.2.1流體對固體顆粒的繞流

3.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降

第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三流體與固體顆粒之間的相對運動可分為以下三種情況：①顆粒靜止，流體對其做繞流；②流體靜止，顆粒作沉降運動；③顆粒與流體都運動，但保持一定的相對運動。流體對固體顆粒的繞流

第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（1）兩種曳力—表面曳力和形體曳力回顧第1章流體沿固體壁面流過的阻力分為兩類：表皮阻力（即表面摩擦阻力）和形體阻力（邊界層分離產(chǎn)生旋渦），繞流時顆粒受到流體的總曳力:

第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（1）兩種曳力—表面曳力和形體曳力

FD與流體

、、相對流速有關(guān)，而且受顆粒的形狀與定向的影響，問題較為復(fù)雜。至今，只有幾何形狀簡單的少數(shù)情況才可以得到FD的理論計算式。例如，粘性流體對球體的低速繞流（也稱爬流）時FD的理論式即斯托克律（Stokes）定律為：當(dāng)流速較高時，Stokes定律不成立。因此，對一般流動條件下的球形顆粒及其其他形狀的顆粒，F(xiàn)D的數(shù)值尚需通過實驗解決。

第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（2）曳力（阻力）系數(shù)

對球形顆粒，用因次分析并整理后可得：第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三球形顆粒的曲線在不同的雷諾數(shù)范圍內(nèi)可用公式表示如下：

，層流區(qū)，Sokes定律區(qū)：

，過渡區(qū)，Allen定律區(qū)：

，湍流區(qū)，Newton定律區(qū)：（2）曳力（阻力）系數(shù)第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三5.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降（1）沉降的加速段將一個表面光滑的球形顆粒置于靜止的流體中，若，顆粒在重力的作用下沿重力方向作沉降運動，此時顆粒受到哪些力的作用呢？

第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)牛頓第二定律得：或者：開始瞬間，，最大，顆粒作加速運動。

5.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三5.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降（2）沉降的等速階段

隨，,到某一數(shù)值時，式（5-16）右邊等于零，此時，顆粒將以恒定不變的速度維持下降。此稱為顆粒的沉降速度或造端速度。對小顆粒，沉降的加速段很短，加速度所經(jīng)歷的距離也很小。因此，對小顆粒沉降的加速度可以忽略，而近似認為顆粒始終以下降。第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三5.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降（3）顆粒的沉降速度

對球形顆粒，當(dāng)時，可得式中：

第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三因與有關(guān)，也與有關(guān)，將不同區(qū)域的與的關(guān)系式（5-6）—式（5-8）分別帶入上式，整理得：，層流區(qū)（Sokes區(qū)）

，過渡區(qū)（Allen區(qū)）

，湍流區(qū)（Newton區(qū)）5.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（4）其他因素對沉降速度的影響

①干擾沉降②端效應(yīng)③分子運動

④非球形顆粒

5.2.2靜止流體中顆粒的自由沉降第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三5.3沉降分離設(shè)備

5.3.1重力沉降設(shè)備

5.3.2離心沉降設(shè)備

第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

5.3.1重力沉降設(shè)備（1）降塵室

停留時間：沉降時間：，至少所以：（降塵室的設(shè)計原理）第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三—含塵氣體體積流量，。氣速，一般應(yīng)<1，實際上為避免已沉下的塵粒重新被揚起，往往取更低。降塵室一般用于分離的粗顆粒。

—降塵室底面積，。

—顆粒的沉降速度，。應(yīng)根據(jù)要分離的最小顆粒直徑?jīng)Q定。

5.3.1重力沉降設(shè)備第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

對一定物系，一定，降塵室的處理能力只取決于降塵室的底面積，而與高度無關(guān)，故降塵室應(yīng)設(shè)計成扁平形狀，或在室內(nèi)設(shè)置多層水平隔板。①設(shè)計型計算

已知、、、、，計算。

②操作型計算已知、、、、，核算；

或已知、、、、，求。

5.3.1重力沉降設(shè)備第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

（2）增稠器

分離懸浮液，在中心距液面下0.3～1處連續(xù)加料，清液往上走，稠液往下走，錐形底部有一緩慢旋轉(zhuǎn)的齒耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠漿從底部出口出去。（內(nèi)部沉降分為上部自由沉降和下部干擾沉降）大的增稠器直徑可達10～100，深2.5～4（為什么？）。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理，常見的污水處理就是一例。5.3.1重力沉降設(shè)備第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（3）分級器

利用不同粒徑或不同密度的顆粒在流體中的沉降速度不同這一原理來實現(xiàn)它們分離的設(shè)備稱為分級器。將沉降速度不同的兩種顆粒傾倒到向上流動的水流中，若水的速度調(diào)整到在兩者的沉降速度之間，則沉降速度較小的那部分顆粒便被漂走分出。若有密度不同的a、b兩種顆粒要分離，且兩種顆粒的直徑范圍都很大，則由于密度大而直徑小的顆粒與密度小而直徑大的顆?？赡芫哂邢嗤某两邓俣?，使兩者不能完全分離。

5.3.1重力沉降設(shè)備第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

上式表明，不同直徑的顆粒因為密度不同而具有相同的沉降速度，該式代表了具有相同沉降速度的兩種顆粒的直徑比。5.3.1重力沉降設(shè)備第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

5.3.2離心沉降設(shè)備

對于兩相密度差較小，顆粒粒度較細的非均相物系，可利用顆粒作圓周運動時的離心力以加快沉降過程。定義同一顆粒所受的離心力與重力之比為離心分離因數(shù)

式中為流體和顆粒的切線速度，；為旋轉(zhuǎn)半徑，；為旋轉(zhuǎn)角速度，。

數(shù)值的大小是反映離心分離設(shè)備性能的重要指標。若，則說明同一顆粒在離心力場中受到的離心力是在重力場中受到的重力的1000倍，當(dāng)然大大加快沉降分離過程。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三旋風(fēng)分離器是利用離心沉降原理從氣流中分離出顆粒的設(shè)備。如圖所示，上部為圓筒形、下部為圓錐形；含塵氣體從圓筒上側(cè)的矩形進氣管以切線方向進入，藉此來獲得器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動。氣體在器內(nèi)按螺旋形路線向器底旋轉(zhuǎn)，到達底部后折而向上，成為內(nèi)層的上旋的氣流，稱為氣芯，然后從頂部的中央排氣管排出。氣體中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過程中，由于密度較大，受離心力的作用逐漸沉降到器壁，碰到器壁后落下，滑向出灰口。旋風(fēng)分離器的構(gòu)造簡單，沒有運動部件（設(shè)備不動，離心力是由切線進入的氣流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動造成的），操作不受溫度、壓強的限制。一般其分離因數(shù)，可分離氣體中直徑的粒子。用降塵室分離（經(jīng)濟），可用袋式除塵器，用靜電除塵器。

5.3.2離心沉降設(shè)備

第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三5.3.2離心沉降設(shè)備第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三旋風(fēng)分離器各部分的尺寸都有一定的比例，只要規(guī)定出其中一個主要尺寸，如圓筒直徑D或進氣口寬度B，則其它各部分的尺寸亦確定。評價旋風(fēng)分離器性能指標，我們的教材上介紹兩個：

1）旋風(fēng)分離器的分離效率

①總效率

式中、分別為進出旋風(fēng)分離器氣體顆粒的質(zhì)量濃度，。

總效率并不能準確地代表旋風(fēng)分離器的分離性能。因為氣體中顆粒大小不等，各種顆粒被除下的比例也不相同。顆粒的尺寸越小，所受的離心力越小，沉降速度也越小，所以能被除下的比例也越小。因此，總效率相同的兩臺旋風(fēng)分離器其分離性能卻可能相差很大，這是因為被分離的顆粒具有不同粒度分布的緣故。5.3.2離心沉降設(shè)備

第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三②粒級效率式中、分別為進出旋風(fēng)分離器氣體中粒徑為的顆粒的質(zhì)量濃度，。

總效率與粒級效率的關(guān)系為：

式中為進口氣體中粒徑為顆粒的質(zhì)量分率。

通常將經(jīng)過旋風(fēng)分離器后能被除下50%的顆粒直徑稱為分割直徑，某些高效旋風(fēng)分離器的分割直徑可小至。不同粒徑的粒級分離效率不同。

5.3.2離心沉降設(shè)備

第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2）旋風(fēng)分離器的壓降氣體經(jīng)過旋風(fēng)分離器時，由于進氣管和排氣管及主體器壁所引起的摩擦阻力、流動時的局部阻力以及氣體旋轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的能量損失等，都將造成氣體的壓力降。旋風(fēng)分離器的壓降大小是評價其性能好壞的重要指標。氣體通過旋風(fēng)分離器的壓降應(yīng)盡可能小。通常壓降用入口氣體動能的倍數(shù)來表示：除了上述兩個性能指標外，有的教材還介紹了另外一個性能指標，即臨界直徑，指旋風(fēng)分離器能夠分離的最小顆粒直徑。5.3.2離心沉降設(shè)備

第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三實驗結(jié)果表明：，，錐體長度，。粗短形旋風(fēng)分離器在一定時，處理量大；細長形旋風(fēng)分離器，但，從經(jīng)濟角度看一般可取進口氣速。若處理量大，則可采用多個小尺寸的旋風(fēng)分離器并聯(lián)操作，這較用一個大尺寸的旋風(fēng)分離器可望獲得更高的效率，同樣原因，投入使用的旋風(fēng)分離器處于低氣體負荷下操作是不適宜的。旋風(fēng)分離器的內(nèi)旋氣流在底部旋轉(zhuǎn)上升時，會在錐底成升力。即使在常壓下操作，出口氣體直接排入大氣，也會在錐底造成顯著的負壓。如果錐底集塵室密封不良，少量空氣串入器內(nèi)將使分離效率嚴重下降。故出灰口的密封問題非常重要。

5.3.2離心沉降設(shè)備

第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三下面介紹旋風(fēng)分離器的改型問題：

底部旋轉(zhuǎn)上升會將已沉下的部分顆粒重新卷起，這是影響旋風(fēng)分離器分離效率的重要因素之一。為抑制這一不利因素而設(shè)計了一種擴散式旋風(fēng)分離器，它具有上小下大的外殼，這種分離器底部設(shè)有中央帶孔的錐形分割屏，氣流在分割屏上部轉(zhuǎn)向排氣管，少量氣體在分割屏與外錐體之間的環(huán)隙進入底部集塵斗，再從中央小孔上升。這樣就減少了已沉下的粉粒重新被卷起的可能性。因此，擴散式旋風(fēng)分離器分離效率提高，宜用于凈化顆粒濃度較高的氣體。5.3.2離心沉降設(shè)備

第29頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

5.3.2離心沉降設(shè)備

靠近旋風(fēng)分離器排氣管的頂部旋渦中帶有不少細小粉粒