化工原理第三章1沉降

第三章非均相物系分离第二节沉降分离一、重力沉降原理1、自由沉降2、干扰沉降二、重力沉降分离设备1、降尘室2、沉降槽混合物均相混合物非均相混合物物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。例如固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液不互溶液体构成的乳浊液液体颗粒和气体构成的含雾气体非均相物系分散相分散物质处于分散状态的物质如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡连续相分散相介质包围着分散相物质且处于连续状态的流体如：气态非均相物系中的气体液态非均相物系中的连续液体分离机械分离沉降过滤不同的物理性质连续相与分散相发生相对运动的方式分散相和连续相沉降在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。作用力重力惯性离心力重力沉降离心沉降一)自由沉降1）球形颗粒的自由沉降设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，定义：单个颗粒在无限大流体中的沉降过程。一、重力沉降原理重力gdFsg36浮力gdFb36而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照流体流动阻力的计算式写为：22uAFd24dA对球形颗粒2422udFdmaFFFdbgadudgdgdss3223362466(a)颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max颗粒开始沉降后，u↑→Fd↑；u→u0时，a=0。等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度u0称为沉降速度。当a=0时，u=u0，代入（a）式0246620233udgdgds3)(40sdgu——沉降速度表达式2)阻力系数ξ通过因次分析法得知，ξ值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Re0的函数。对于球形颗粒的曲线，按Re0值大致分为三个区：a)层流区或斯托克斯(stokes)定律区（10–4＜Re02）0Re241820sdu——斯托克斯公式6.00Re5.186.000Re269.0sgdu——艾伦公式c)湍流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Re0＜2×105）44.0gdus74.10——牛顿公式b)过渡区或艾伦定律区（Allen）（2＜Re0500）3)影响沉降速度的因素①颗粒的体积浓度在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用。②器壁效应当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。Dduu1.210'0③颗粒形状的影响对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度φs值愈低。对于非球形颗粒，雷诺准数Re0中的直径要用当量直径de代替peVd3636PeVd颗粒的球形度愈小，对应于同一Re0值的阻力系数ξ愈大但φs值对ξ的影响在层流区并不显著，随着Re0的增大，这种影响变大。psSS球形度与物体相同体积的球体的表面积和物体的表面积的比4)常用沉降速度的计算试差法假设沉降属于层流区方法：1820sduu0du0ReRe0Re0＜2u0为所求Re0＞2艾伦公式求u0判断……公式适用为止例：试计算直径为30μm，密度为2000kg/m3的固体颗粒在空气中做自由沉降时的沉降速度。空气的密度为1.2kg/m3，黏度为0.0185mPa·s解：用试差法计算分析：先假设颗粒在滞流区内沉降，1820gdus由已知条件：空气的密度为1.2kg/m3，黏度为0.0185mPa·s核算流型00Redu若原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。•例颗粒大小的确定已测得密度为=1630kg/m3的塑料珠在20℃的CCl4液体中的沉降速度为1.7×10-3m/s，200C时CCl4的密度=1590kg/m3，黏度为=1.03×10-3Pa·s，求此塑料珠的直径。s1820gdus00Redu二、干扰沉降颗粒之间距离很小的沉降称为干扰沉降。•干扰沉降的速度可用自由沉降速度的计算方法计算，但要根据颗粒浓度对所用的流体密度及黏度进行校正。•用上述方法计算干扰沉降的速度比自由沉降要小一）降尘室•降尘室的生产能力降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量，用Vs表示，m3/s。降尘室内的颗粒运动以速度u随气体流动以速度u0作沉降运动二、重力沉降分离设备颗粒在降尘室的停留时间ul颗粒沉降到室底所需的时间00uH0为了满足除尘要求0uHul——降尘室使颗粒沉降的条件HbVusssVlHbHbVl0uHVlHbs000uAbluVs——降尘室的生产能力•说明①含尘气体的最大处理量与某一粒径对应的，是指这一粒径及大于该粒径的颗粒都能100%被除去时的最大气体量；•完全被分离出的最小颗粒直径底AgVLgHudsSs1818min•说明②最大的气体处理量还与降尘室底面积和颗粒的沉降速度有关，底面积越大处理量越大，但处理量与高度无关。为此，降尘室都做成扁平形；为提高气体处理量，室内以水平隔板将降尘室分割若干层，称为多层降尘室。隔板的间距应考虑出灰的方便。•降尘室的计算降尘室的计算设计型操作型已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量。•例3-3降尘室高2m，宽2m，长5m，用于矿石焙烧炉炉气的除尘。操作条件下气体的流量为25000m3/h，密度为0.6kg/m3，黏度为0.03mPa·s。试求：1）能完全除去的氧化铁灰尘（密度为4500kg/m3）的最小直径；2）粒径为60微米的氧化铁灰尘被除去的百分数；3）若将上述降尘室用隔板分隔成2层（不考虑隔板的厚度），如需完全除去的尘粒直径相同，则含尘气体的处理量为多大？反之，若生产能力相同，则完全除去的尘粒的最小颗粒直径为多大？例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427℃，相应的密度ρ=0.5kg/m3，粘度μ=3.4×10-5Pa.s，固体密度ρS=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，求：1．降尘室的总高度H，m；2．理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；3.粒径为40μm的颗粒的回收百分率；4.欲使粒径为10μm的颗粒完全分离下来，需在降尘室内设置几层水平隔板？解：1）降尘室的总高度HsmtVVS/564.2273427273127327330buVHS5.02564.2m564.22）理论上能完全除去的最小颗粒尺寸blVus0sm/214.062564.2用试差法由u0求dmin。假设沉降在斯托克斯区guds0min18807.95.04000214.0104.3185m51078.5核算沉降流型1182.01014.35.0214.01078.5Re5500du∴原假设正确3、粒径为40μm的颗粒的回收百分率粒径为40μm的颗粒定在层流区，其沉降速度smgdus/103.0104.318807.95.0400010401852620气体通过降沉室的时间为：sul12直径为40μm的颗粒在12s内的沉降高度为：muHt234.112103.0'假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。直径为40μm的颗粒被回收的百分率为：%13.48%100564.2234.1'HH4、水平隔板层数由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度，再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。粒径为10μm的颗粒的沉降必在层流区，smgdus/1041.6104.318807.95.040001011836252010bluVnS1104.662564.233.32取33层板间距为1nHhm0754.0133564.2•补充说明：①为使气体分布均匀，降尘室进出口通常都做成锥形；②为防止操作过程中已被除下的尘粒又被气流重新卷起，降尘室的操作气速往往很低；③为保证分离效率，室底面积也必须较大。因此，降尘室是一种庞大而低效的设备，通常只能捕获大于100微米的粗颗粒。要将更细小的颗粒分离出来，就必须采用更高效的除尘设备。例：本题附图所示为一双锥分级器，利用它可将密度不同或尺寸不同的粒子混合物分开。混合粒子由上部加入，水经可调锥与外壁的环形间隙向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升流速的颗粒进入底流，而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出。二）分级器含有两种直径不同或密度不同的混合物，也可用沉降方法加以分离。•水力分级器三）沉降槽从悬浮液中分离出清液而留下稠厚沉渣的重力沉降设备称为沉降槽。加料清液溢流水平清液挡板耙稠浆连续式沉降槽颗粒在重力或离心力场中都可发生沉降过程。利用离心力比利用重力要有效得多，因为颗粒的离心力由旋转而产生，转速越大，则离心力越大；而颗粒所受的重力却是固定的。因此，利用离心力作用的分离设备不仅可以分离出比较小的颗粒，而且设备的体积也可缩小很多。三、离心沉降原理B净化气体含尘气体AD尘粒标准型旋风分离器旋风分离器优点：构造简单，分离因数较高；离心分离因数指粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比。缺点：对气流的阻力较大，处理有磨蚀性的颗粒时易被磨损。一般分离气体中直径5微米以上的粒子。四、离心沉降分离设备