化工原理第三章第一节..

2020/2/14第三章机械分离与固体流态化一、沉降速度1、球形颗粒的自由沉降2、阻力系数3、影响沉降速度的因素4、沉降速度的计算5、分级沉降二、降尘室1、降尘室的结构2、降尘室的生产能力第一节重力沉降2020/2/14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2020/2/14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、液滴或气泡连续相连续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2020/2/142020/2/142020/2/142020/2/142020/2/142020/2/142020/2/142020/2/142020/2/14第二节沉降分离一、沉降原理rmamg或smg42220du0DbcFFF合外力0421220dumgs1、自由沉降极短，通常可以忽略该段的颗粒运动速度称为沉降速度，用u0表示。加速段：等速段：浮力Fb曳力FD质量力Fc颗粒在流体中沉降时受力---单个颗粒在无限大流体中的降落过程重力沉降速度：以球形颗粒为例2020/2/141、自由沉降Re0=du0/1或2层流区024162023udgdss340gdus0Re241820gdus----斯托克斯定律2020/2/142、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Ret的函数。对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：a)滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10–4＜Ret1）tRe24182stdu——斯托克斯公式2020/2/14颗粒沉降的阻力系数与雷诺数的关系2020/2/146.0Re5.18t6.0Re269.0tgdust——艾伦公式c)滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret＜2×105）44.0gdust74.1——牛顿公式b)过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret103）2020/2/141、自由沉降离心沉降速度ABurr1OCr2rut颗粒在旋转流场中的运动urcmaF离心力srbamF浮力AuFrD22曳力34rsradu对照重力场离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量沉降过程没有匀速段，但在小颗粒沉降时，加速度很小，可近似作为匀速沉降处理颗粒受力：类似重力沉降速度推导，得：340gdus2020/2/141、自由沉降ABurr1OCr2rut颗粒在旋转流场中的运动urRe24rudrdadutssrsr18181822222gaKcCRer=dur/1或2层流区对照重力场数值约为几千～几万1820gdus-----离心分离因数2020/2/142、实际沉降由于干扰作用，实际沉降速度小于自由沉降速度。由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。干扰沉降非球形颗粒的沉降壁面效应球形度越小，沉降速度越小；颗粒的位向对沉降速度也有影响。2020/2/14二、沉降设备液固体系沉降槽气固体系降尘室离心沉降设备重力沉降设备液固体系旋液分离器气固体系旋风分离器---用于除去75m以上颗粒---用于除去5～10m颗粒2020/2/14二、降尘室1、降尘室的结构2、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ut作沉降运动2020/2/141．重力沉降设备气体气体进口出口集灰斗LB含尘气体uHu0颗粒在降尘室中的运动t停留时间0沉降时间0t若uL0u高度降尘室则表明，该颗粒能在降尘室中除去。思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？思考2：为什么降尘室要做成扁平的？结构：除尘原理：2020/2/14降尘室0uHuL即思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被100%除去，必须满足什么条件？00uHt思考4：能够被100%除去的最小颗粒，必须满足什么条件？0t1820gdus0min1818AVgLgHudsssLuB气体u0H颗粒在降尘室中的运动思考5：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数如何计算？2020/2/14降尘室思考2：为什么降尘室要做成扁平的？LuB气体utH颗粒在降尘室中的运动000uABLuBHuVs0uHuL多层降尘室可见，降尘室最大处理量与底面积、沉降速度有关,而与降尘室高度无关。故降尘室多做成扁平的。注意!!降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取u3m/s，较易扬起灰尘的，可取u1.5m/s。最大处理量------能够除去最小颗粒时的气体流量Vs2020/2/143、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。Dduutt1.21'2020/2/143）颗粒形状的影响psSS球形度对于球形颗粒，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Ret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Ret值的阻力系数ξ愈大但φs值对ξ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。2020/2/144、沉降速度的计算1）试差法假设沉降属于层流区方法：182stduutdutReRetRet＜1ut为所求Ret＞1艾伦公式求ut判断……公式适用为止2)摩擦数群法2020/2/14例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。解：1）在20℃水中的沉降。用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降，182gdust附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s2020/2/1432610005.11881.92.99830001095tusm/10797.93核算流型ttduRe33610005.12.99810797.910959244.01＜原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。2）20℃的空气中的沉降速度用摩擦数群法计算20℃空气：ρ=⒈205kg/m3，μ=⒈81×10-5Pa.s根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型2020/2/1432gdKs32561081.181.9205.13000205.1109552.42.61＜K69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。4.16.04.14.04.114.16.14.11154.0stdgusm/619.05、分级沉降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。2020/2/14•例题3-1石英和方铅矿的混合球形颗粒在如图所示的水力分级器中进行分离。两者的密度分别为2650kg/m3和7500kg/m3，且粒度范围均为•水温为20℃。假设颗粒在分级器中均作自由沉降。试计算能够得到纯石英和纯方铅矿的粒度范围及三个分级器中的水流速度m100~202020/2/14•解：1、2、3号分级器直径逐渐增大而三者中上升水流量均相同，所以水在三者中流速逐渐减小。水在1号中的速度最大，可将密度小的石英颗粒全部带走，于是1号底部可得到纯方铅矿。但是，也有部分小颗粒的方铅矿随同全部石英被带走。在2号分级器，控制水流速度，将全部方铅矿全部沉降下来，但也有部分大颗粒石英会沉降下来。在3号分级器，控制水流速度，可将全部小石英粒子全部沉降下来。2020/2/14•综上所述，1号分级器的作用在于要带走所有石英粒子（最大为100），因此1号的水流速应该等于100石英的沉降速度；2号的作用在于截下全部方铅矿（最小为20），因此2号的水流速应该等于20方铅矿的沉降速度；3号的作用在于截下全部石英粒子（最小为20），因此3号水流速应该等于20石英的沉降速度。2020/2/142020/2/142020/2/14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。2020/2/14利用此双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离。已知：粒子形状正方体粒子尺寸棱长为0.08~0.7mm方铅矿密度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，试求：1）欲得纯方铅矿粒，水的上升流速至少应取多少m/s？2）所得纯方铅矿粒的尺寸范围。2020/2/14解：1)水的上升流速为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，应按最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速。对于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。设l代表棱长，Vp代表一个颗粒的体积。36peVd336lm43310685.8)107.0(6psSS226lde806.0)107.0(610685.82342020/2/14用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度22223)(4Regdset14000)10005.1(381.92.998)2.9982650()10685.8(42334φs=0.806，查图3-3的，Ret=60，则：ettduRe4310685.82.99810005.160sm/0696.02020/2/142）纯方铅矿的尺寸范围所得到的纯方铅矿粒尺寸最小的沉降速度应等于0.0696m/s用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。32113)(4Retstug2544.0)0696.0(2.998381.9)2.9987500(10005.14323φs=0.806，查图3-3的，Ret=22，则：2020/2/14tteudRe0696.02.99810005.1223m410182.3与此当量直径相对应的正方体的棱长为：36edl34610182.3m410565.2所得方铅矿的棱长范围为0.2565~0.7mm。2020/2/142020/2/143、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。2020/2/14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