化工原理14.非均相物系的分離-沉降

非均相物系的分離-沉降

一、顆粒及混合顆粒的特性二、沉降重力沉降離心沉降沉降分離設(shè)備主要內(nèi)容一顆粒的特性大小d

顆粒的特性比表面積形狀1、對于球形顆粒，常用直徑d作為特征長度，其體積、表面積和比表面積為：球形顆粒非球形顆粒式中：a——單位體積顆粒所具有的表面積，m2/m3。對一定直徑的顆粒，比表面積一定；顆粒的直徑愈小，比表面積愈大，因此可以根據(jù)比表面積的大小，來表示顆粒的大小，特別是微小顆粒。2.非球形顆粒-形狀的描述

①顆粒的球形度φ

表明：顆粒形狀接近于球形的程度；

φ↑，則顆粒越接近于球形。球形顆粒：球形顆粒非球形顆粒非球形顆粒：常用顆粒的當(dāng)量直徑和球形度表示其特性。(2)描述顆粒大小

(1)體積當(dāng)量直徑de：與實(shí)際顆粒體積Vp相等的球形顆粒的直徑定義為非球形顆粒的當(dāng)量直徑。即：(2)比表面積當(dāng)量直徑de,a：比表面積等于實(shí)際顆粒比表面積的球形顆粒的直徑，定義為非球形顆粒的比表面積當(dāng)量直徑。即：對非球形顆粒必須有兩個(gè)參數(shù)才能確定其幾何特性，通常選用de和

s來表征。1.3顆粒群的特性(1).粒度分布按顆粒尺寸對顆粒群進(jìn)行排列劃分的結(jié)果稱為粒度分布。根據(jù)顆粒大小的范圍不同，采用不同的方法測量顆粒群的粒度分布，對工業(yè)上常見的尺寸大于40μm的顆粒群，一般采用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行測量，稱為篩分。a.篩分：標(biāo)準(zhǔn)篩由一系列篩孔大小不同的篩組成，篩的篩網(wǎng)由金屬絲網(wǎng)制成，篩孔呈正方形。一套標(biāo)準(zhǔn)篩的各個(gè)篩的網(wǎng)孔大小按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制成，通用的是泰勒(Tyler)標(biāo)準(zhǔn)篩系列。篩網(wǎng)上每英寸長度上的孔數(shù)作為篩號，也稱為目，且每個(gè)篩的篩網(wǎng)金屬絲的直徑也有規(guī)定，因此一定目數(shù)的篩孔尺寸一定。如100號篩，1英寸長有篩孔100個(gè)，它的篩網(wǎng)的金屬絲直徑規(guī)定為0.0042in，故篩孔的凈寬度為：(1/100-0.0042)=0.0058in=0.147mm，因而篩號愈大，篩孔愈小，相鄰篩號的篩孔尺寸之比為20.5(即篩孔面積按2的倍數(shù)遞增)。混合顆粒的特性參數(shù)

(1)顆粒的篩分尺寸

標(biāo)準(zhǔn)篩：有不同的系列，常用泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩。

篩號(目數(shù))：每英寸長度篩網(wǎng)上的篩孔數(shù)目；

篩過量：通過篩孔的顆粒量；

篩余量：截留于篩面上的顆粒量。顆粒的篩分尺寸(2)顆粒群的平均特性參數(shù)

①平均比表面積：

di-1didi+1di+2②顆粒群的等比表面積當(dāng)量直徑根據(jù)其篩分尺寸dpi和對應(yīng)篩余物的質(zhì)量分率可得到顆粒群的粒度分布，分別以表格，圖示或分布函數(shù)曲線表示之。二、沉降流體與固體顆粒相對運(yùn)動規(guī)律，沉降分離過程的基礎(chǔ)相對運(yùn)動條件：流體與固體顆粒有密度差外力場：重力、離心力在重力作用下的沉降稱為重力沉降；在離心力作用下的沉降稱為離心沉降。①顆粒靜止，流體繞過顆粒流動；

②流體靜止，顆粒流動；③顆粒和流體都運(yùn)動，維持一定相對速度。3.3.1流體繞過顆粒的流動

(1)曳力阻力：顆粒對流體的作用力；曳力：流體對顆粒的作用力。流體和顆粒相對運(yùn)動的情況：二.沉降--流體和顆粒的相對運(yùn)動不同顆粒的形狀

水平方向，顆粒所受曳力：

流體流過固體時(shí)，固體表面的受力情況：

作用在顆粒上的曳力a.粘性引起的表面曳力b.表面壓差引起的形體曳力總曳力FD=表面曳力＋形體曳力可由因次分析法求解曳力：(2)曳力系數(shù)通過因次分析，解得：Ap：顆粒在運(yùn)動方向上的投影面積；ζ：曳力系數(shù),可由實(shí)驗(yàn)測定曳力系數(shù)ξ與ReP的關(guān)系：（1）圓球（2）圓盤（3）圓柱實(shí)驗(yàn)獲得ξ與Re0的關(guān)系：10-410-310-210-11.01010210310410510610-11.010102103105Re0ξ（1）（2）（3）層流區(qū)：Rep<2；b.過渡區(qū)：2<Rep<500；

c.湍流區(qū)：Rep>500StokesLaw3.3.2顆粒與流體的相對運(yùn)動

(1)顆粒在力場中的受力分析

合力：①質(zhì)量力

②浮力③曳力顆粒受力分析FeFDFb(2)顆粒的運(yùn)動情況運(yùn)動方向：沿合力方向顆粒運(yùn)動的兩個(gè)階段：加速階段、恒速階段簡化：加速階段很短，忽略不計(jì)。認(rèn)為全過程中，顆粒勻速運(yùn)動。①加速階段：

②恒速階段：

終端速度:

顆粒在流體中勻速運(yùn)動的速度。顆粒受力分析FeFDFb（1）重力沉降速度u0

重力-浮力-阻力=顆粒質(zhì)量×加速度

重、浮一定，u

，阻力

，加速度加速度=0時(shí)，u=u0——沉降速度其它條件相同時(shí)，小顆粒后沉降?！?/p>

影響沉降速度的因素其它條件相同時(shí)，密度大的顆粒先沉降。其它條件相同時(shí)，顆粒在空氣較在水中易沉降。

①顆粒直徑

②流體密度

③顆粒密度

◆沉降速度計(jì)算當(dāng)處于層流區(qū)時(shí)：Rep<2；有：StokesVelocity由以上分析可知，u0的計(jì)算有以下兩個(gè)方程：注意：1.求雷諾數(shù)時(shí)的密度、粘度為流體性質(zhì)，而不是顆粒性質(zhì)；而直徑、流速則為顆粒參數(shù)。2.求雷諾數(shù)時(shí)的速度為顆粒勻速運(yùn)動速度，因此在求解顆粒運(yùn)動速度時(shí)需要進(jìn)行試算或者采用無因次數(shù)群法。無因次數(shù)群法：根據(jù)給定的dp，可以求得相應(yīng)的不同的Re，可以求得不同的通過上述數(shù)據(jù)可以作出關(guān)于Re和的關(guān)系圖。，進(jìn)而依據(jù)關(guān)系圖求得相應(yīng)的Re，最后可依據(jù)雷諾數(shù)定義求得速度值。當(dāng)已知沉降速度求解顆粒直徑時(shí)，可以采用類似的方法。(3)不均勻顆粒的沉降速度粒徑不同時(shí)，大顆粒沉降速度快，小顆粒沉降速度慢。除去所有顆粒，應(yīng)以最小顆粒直徑計(jì)算ut

。

顆粒分級時(shí)，以不同粒度，分別進(jìn)行計(jì)算ut

。(4)影響沉降速度的其它因素干擾沉降------顆粒沉降時(shí)彼此影響了解一下就可以第二節(jié)重力沉降第二節(jié)重力沉降3.4.3離心沉降速度的計(jì)算(1)離心沉降速度

計(jì)算方法：同重力場，重力→離心力；

離心沉降速度ur：隨顆粒旋轉(zhuǎn)半徑r變化。如果離心沉降在層流區(qū)，則：有：分離因數(shù)當(dāng)r=0.4m，ω

＝50/s時(shí)，有Kc=102是重力沉降的102倍可見離心分離的效果遠(yuǎn)比重力沉降好，而且離心沉降還可以人為地強(qiáng)化。說明:分離因數(shù)是評價(jià)離心分離設(shè)備的重要指標(biāo)

KC越大，分離效能越高。重力沉降設(shè)備(1)降塵室

①結(jié)構(gòu)及工作原理

入口截面：矩形

隨氣體的水平流速u；顆粒沉降速度ut。降塵室底面積：含塵氣體積流量：含塵氣流通截面積：顆粒運(yùn)動速度分解：集塵斗氣體入口氣體出口含塵氣體凈化氣體顆粒降塵室操作示意圖顆粒的停留時(shí)間顆粒的沉降時(shí)間②顆粒分離(沉降)條件③生產(chǎn)能力(可處理的塵氣體積流量q

V)說明：生產(chǎn)能力由底面積、沉降速度決定，與降塵室高度無關(guān)，多用扁平形狀或多層降塵室(層高40-100mm)含塵氣體凈化氣體臨界條件(能100%去除的顆粒)只要保證沉降時(shí)間小于停留時(shí)間，顆粒均可除去，取：對于細(xì)小顆粒，設(shè)在層流區(qū)沉降，有：則可100%去除的顆粒直徑為：當(dāng)dp,min一定時(shí)，可求得u0，沉降室的最大處理量為：可知，處理量僅與底面積有關(guān)，而與高度無關(guān)。離心沉降設(shè)備工業(yè)上應(yīng)用的兩種型式：旋流器和離心沉降機(jī)。旋流器：設(shè)備靜止，流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；離心沉降機(jī)：設(shè)備本身和液體一起旋轉(zhuǎn)。(1)旋風(fēng)分離器基本結(jié)構(gòu)與操作原理在離心力作用下，利用密度差將氣固分離。

進(jìn)氣口形狀：矩形

尺寸：進(jìn)口管B；

圓柱筒直徑D(主要尺寸)；

排氣口直徑D1。進(jìn)氣排氣出灰口旋風(fēng)分離器示意圖B2.旋風(fēng)分離器1)構(gòu)造與操作矩形入口，切線進(jìn)入10～25m/sKc=5～2500去除粒徑：5～75μm2)性能a.臨界粒徑dcb.分離效率c.壓強(qiáng)降a.臨界粒徑:能被完全分離下來的最小粒徑。三點(diǎn)假設(shè)：1.切向速度＝入口氣速，嚴(yán)格螺旋等速運(yùn)動2.顆粒須穿過厚度為B的氣層3.顆粒在層流區(qū)作離心沉降由于有：r為平均半徑則顆粒沉降時(shí)間為：設(shè)：氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為N，則停留時(shí)間為：當(dāng)時(shí)，對應(yīng)粒徑為臨界粒徑：b.分離效率粒級效率：按各種粒度表示被分離的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總效率：全部顆粒中被分離的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依據(jù)臨界粒徑的公式，有：當(dāng)顆粒與壁面相距為B’時(shí)，有：BB’總分離效率：xi

為粒度為di的顆粒占總顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。c.壓強(qiáng)降旋風(fēng)分離器的入口氣體速度控制在10-25m/s范圍內(nèi)為佳，壓降為500～2000Pa。對于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器阻力系數(shù)取8。本節(jié)小結(jié)二.顆粒在流體中沉降受力分析：表面曳力、形體曳力三.顆粒的曳力系數(shù)四.球形顆粒的終端沉降速度五.沉降分離設(shè)備一.顆粒與混合顆粒的表征參數(shù)已知非球形顆粒的體積為Ｖ，則該顆粒的等體積球徑（當(dāng)量直徑中最常用的一種）為＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。非球形顆粒的當(dāng)量直徑的一種是等體積球徑，它的表達(dá)式為______。

Adp＝6V/A

此處V為非球形顆粒的體積，A為非球形顆粒的表面積

Bdp＝(6V/

)1/3Cdp＝(4V/

)1/2D

dp＝(kV/

)1/3(k