化工原理第三章第一節(jié)

第三章

機(jī)械分離與固體流態(tài)化一、沉降速度1、球形顆粒的自由沉降2、阻力系數(shù)3、影響沉降速度的因素4、沉降速度的計(jì)算5、分級(jí)沉降二、降塵室1、降塵室的結(jié)構(gòu)2、降塵室的生產(chǎn)能力第一節(jié)

重力沉降2023/12/10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(kāi)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2023/12/10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(jī)械分離

沉降

過(guò)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

2023/12/102023/12/102023/12/102023/12/102023/12/102023/12/102023/12/102023/12/102023/12/10第二節(jié)沉降分離一、沉降原理1、自由沉降極短，通?？梢院雎栽摱蔚念w粒運(yùn)動(dòng)速度稱(chēng)為沉降速度，用u0表示。加速段：等速段：浮力Fb

曳力FD

質(zhì)量力Fc顆粒在流體中沉降時(shí)受力---單個(gè)顆粒在無(wú)限大流體中的降落過(guò)程重力沉降速度：以球形顆粒為例

2023/12/101、自由沉降Re0=du0

/

1或2層流區(qū)----斯托克斯定律

2023/12/102、阻力系數(shù)ξ

通過(guò)因次分析法得知，ξ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(stokes)定律區(qū)（10–4＜Ret<1）

——斯托克斯公式2023/12/10顆粒沉降的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系2023/12/10——艾倫公式

c)滯流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（103＜Ret

＜2×105）

——牛頓公式

b)過(guò)渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（1＜Ret<103）

2023/12/101、自由沉降離心沉降速度對(duì)照重力場(chǎng)離心加速度ar=

2r=ut2/r不是常量沉降過(guò)程沒(méi)有勻速段，但在小顆粒沉降時(shí)，加速度很小，可近似作為勻速沉降處理顆粒受力：類(lèi)似重力沉降速度推導(dǎo)，得：2023/12/101、自由沉降Rer=dur

/

1或2層流區(qū)對(duì)照重力場(chǎng)數(shù)值約為幾千～幾萬(wàn)-----離心分離因數(shù)2023/12/102、實(shí)際沉降由于干擾作用，實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度。由于壁面效應(yīng)，實(shí)際沉降速度小于自由沉降速度。干擾沉降

非球形顆粒的沉降壁面效應(yīng)球形度越小，沉降速度越??；顆粒的位向?qū)Τ两邓俣纫灿杏绊憽?023/12/10二、沉降設(shè)備---用于除去>75m以上顆粒---用于除去>5～10

m顆粒2023/12/10二、降塵室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(yùn)動(dòng)

以速度u隨氣體流動(dòng)以速度ut作沉降運(yùn)動(dòng)2023/12/101．重力沉降設(shè)備降塵室則表明，該顆粒能在降塵室中除去。思考1：為什么氣體進(jìn)入降塵室后，流通截面積要擴(kuò)大？思考2：為什么降塵室要做成扁平的？結(jié)構(gòu)：除塵原理：2023/12/10降塵室思考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4：能夠被100%除去的最小顆粒，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?jǐn)?shù)如何計(jì)算？2023/12/10降塵室思考2：為什么降塵室要做成扁平的？可見(jiàn)，降塵室最大處理量與底面積、沉降速度有關(guān),而與降塵室高度無(wú)關(guān)。故降塵室多做成扁平的。

注意!!

降塵室內(nèi)氣體流速不應(yīng)過(guò)高，以免將已沉降下來(lái)的顆粒重新?lián)P起。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)灰塵的分離，可取u<3m/s，較易揚(yáng)起灰塵的，可取u<1.5m/s。最大處理量------能夠除去最小顆粒時(shí)的氣體流量Vs2023/12/103、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(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?xún)?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)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。

2023/12/103）顆粒形狀的影響

球形度對(duì)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(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。顆粒的球形度愈小，對(duì)應(yīng)于同一Ret值的阻力系數(shù)ξ愈大但φs值對(duì)ξ的影響在滯流區(qū)并不顯著，隨著Ret的增大，這種影響變大。2023/12/104、沉降速度的計(jì)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

2023/12/10例：試計(jì)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(jì)算先假設(shè)顆粒在滯流區(qū)內(nèi)沉降，

附錄查得，20℃時(shí)水的密度為998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s2023/12/10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(jì)算20℃空氣：ρ=⒈205kg/m3，μ=⒈81×10-5Pa.s根據(jù)無(wú)因次數(shù)K值判別顆粒沉降的流型2023/12/102.61＜K<69.1，沉降在過(guò)渡區(qū)。用艾倫公式計(jì)算沉降速度。

5、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。

2023/12/10例題3-1石英和方鉛礦的混合球形顆粒在如圖所示的水力分級(jí)器中進(jìn)行分離。兩者的密度分別為2650kg/m3和7500kg/m3，且粒度范圍均為水溫為20℃。假設(shè)顆粒在分級(jí)器中均作自由沉降。試計(jì)算能夠得到純石英和純方鉛礦的粒度范圍及三個(gè)分級(jí)器中的水流速度2023/12/10解：1、2、3號(hào)分級(jí)器直徑逐漸增大而三者中上升水流量均相同，所以水在三者中流速逐漸減小。水在1號(hào)中的速度最大，可將密度小的石英顆粒全部帶走，于是1號(hào)底部可得到純方鉛礦。但是，也有部分小顆粒的方鉛礦隨同全部石英被帶走。在2號(hào)分級(jí)器，控制水流速度，將全部方鉛礦全部沉降下來(lái)，但也有部分大顆粒石英會(huì)沉降下來(lái)。在3號(hào)分級(jí)器，控制水流速度，可將全部小石英粒子全部沉降下來(lái)。2023/12/10綜上所述，1號(hào)分級(jí)器的作用在于要帶走所有石英粒子（最大為100），因此1號(hào)的水流速應(yīng)該等于100石英的沉降速度；2號(hào)的作用在于截下全部方鉛礦（最小為20），因此2號(hào)的水流速應(yīng)該等于20方鉛礦的沉降速度；3號(hào)的作用在于截下全部石英粒子（最小為20），因此3號(hào)水流速應(yīng)該等于20石英的沉降速度。2023/12/102023/12/102023/12/10

例：本題附圖所示為一雙錐分級(jí)器，利用它可將密度不同或尺寸不同的粒子混合物分開(kāi)?；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(guò)。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。2023/12/10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0.08~0.7mm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。2023/12/10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。2023/12/10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：2023/12/102）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。φs=0.806，查圖3-3的，Ret=22，則：2023/12/10與此當(dāng)量直徑相對(duì)應(yīng)的正方體的棱長(zhǎng)為：所得方鉛礦的棱長(zhǎng)范圍為0.2565~0.7mm。2023/12/102023/12/103、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。2023/12/10

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(lái)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(lái)，需在降塵室內(nèi)設(shè)置幾層水平隔板？2023/12/10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)

2023/12/10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2023/12/10氣體通過(guò)降沉室的時(shí)間為：