第3章-沉降与过滤-化工原理

1第三章沉降与过滤2第一节概述3分散物质（分散相）：处于分散状态的物质分散介质（连续相）：处于连续状态的物质自然界混合物：黄沙空气，烟，雾，洪水一、非均相物系的分离4分离的目的1.回收分散物质(母液中的固体成品或半成品)2.净化分散介质(净制原料气或原料液、分离废气和废液中所含的有害物质等)5非均相物系分离的理论基础要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。流体与固体颗粒之间有相对运动时，将发生动量传递。6非均相物系的分离原理根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。因此常采用机械方法进行分离。7按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降（重力沉降，离心沉降）和过滤两种操作。例：非均相物系的分离方法8液态均相混合物的分离—蒸馏气态均相混合物的分离—吸收均相物系的分离9二、颗粒与流体相对运动时所受的阻力当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力（dragforce)或阻力。曳力妨碍流体的流动，或固体颗粒的相对运动。10图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。爬流(Creepingflow)：来流速度很小，流动很缓慢，颗粒迎流面与背流面的流线对称。11流体中颗粒运动的阻力(曳力)222242dppuuFAd——阻力系数（曳力系数）(Re)fReptdu、——流体特性dp、ut——颗粒特性12（1）层流区10－4Re2Stokes区24Re（2）过渡区2Re500Allen区10Re（3）湍流区500Re2105Newton区0.44（球形）（准确）（近似）（近似）13tRe/245.0Re/10t44.014球形度sPSSSs——球形度S——颗粒的表面积，m2Sp——与颗粒体积相等的圆球的表面积，m215第二节重力沉降16p一、重力沉降速度（一）球形颗粒的自由沉降重力Fg浮力Fb阻力Fd自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中互不碰撞、互不影响。,p颗粒下沉1736gppFmgdg重力：gdFpb36浮力：242222uduAFppd阻力：18maFFFdbgmaudgdpsp246223tuua,0当34pptgdu重力沉降速度（终端速度）颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。19182gduppt（二）沉降速度的计算层流区（Re2)（Stokes定律区）过渡区(2Re500)（Allen区）湍流区(500Re2×105)（Nuwton区）pptdgu3/122254pptgdu03.320试差计算法：•假设沉降处于某一区域；•计算ut；•计算Re，校验区域；•若符合，则正确，否则重新假设区域。21例3－1一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，试求其沉降速度。解：由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，22校核流型Re=dPutρ/μ=10-3×0.157×103/10-3=157属于过渡区，与假设相符。23解：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，182gduppt附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒在20℃的水中的自由沉降速度。24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。25（三）影响沉降速度的其它因素1.干扰沉降（颗粒之间）自由干扰uu2.颗粒形状越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。3.壁效应使沉降速度下降26二、重力沉降设备（一）降尘室利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。预分离，分离粒径较大的尘粒。含尘气体净化气体2728假设：颗粒运动的水平分速度与气体的流速u相同；垂直分速度=重力沉降速度utuut291.沉降分离条件停留时间：uL沉降时间：ttHu分离条件：tWqtuHuLtuHLu即或入口速度不能大于某值302.生产能力qVs——降尘室所处理含尘气体的体积流量结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒沉降速度ut有关，而与高度H无关。ttVsWLuuHLWHWHuq313.临界颗粒直径临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100%除去的最小颗粒直径。32含尘气体qVs在除尘室中的流速为HWquVs沉降速度应满足的条件：WLquVsttuHuL33WLquWLquVstcVst——能100%除去的最小粒径—临界粒径——utc为临界（粒径）颗粒的沉降速度18)(2gduWLqupptStokesVstc定律1818()()VpctppqduggWLs34一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积WL和utc有关，而与H无关。故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板。气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。沉降室设计35多层隔板降尘室示意图含尘气体粉尘隔板净化气体(1)VtqnWLu若加入n个隔板，则：生产能力—n倍提高！36当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。水平速度u不变。此时：尘粒沉降高度为原来的1/N倍；utc降为原来的1/N倍；临界粒径为原来的倍；一般可分离20m以上的颗粒（通常为50m）。N/11818()()VpctppqduggWLs37２)３)处理量qVS，粉尘的排放标准dpc，面积ＷＬ沉降室的设计计算类型面积）()(18WLWLqgdVsppc处理量）()(18VsVsppcqWLqgdWLqgdVsppc)(181)38例3-2：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.799kg/m3，粘度为2.53×10-5Pa·s，流量为1.25×104m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求粉尘的临界直径。smquVstc/278.055.23600/1025.1WL4解：与临界直径对应的临界沉降速度为39假设流型属于层流区，粉尘的临界直径为678.01053.2779.0278.0103.80Re56tcpcud验算流型故属于层流区，与假设相符。mWLqgdVsppc65103.80278.081.92000105.218)(1840沉聚：悬浮液放在大型容器里，其中的固体颗粒在重力下沉降，得到澄清液与稠浆的操作。澄清：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了得到澄清液时的操作，所用设备称为澄清器。增稠器：从较稠的原液中尽可能把液体分离出来而得到稠浆的设备。三、悬浮液的沉聚411.悬浮液的沉聚过程422.沉降槽（增稠器）要点：直径较大高度较低43溶胶：含有颗粒大小会直径小于1μm的液体。为了促进细小颗粒絮凝成较大颗粒以增大沉降速度，可往溶胶中加入少量电解质。絮凝剂：凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质。常用絮凝剂:明矾、三氧化铝、绿矾（硫酸亚铁）、三氯化铁等。一般用量为40—200ppm（质量）。絮凝剂4445第三节离心沉降46离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现沉降的过程。离心沉降效率较重力沉降效率高。47一、离心分离因数22)30/(2NmrmrrumFc离心力：22::60/2:min/:rruruNNwhere向心加速度切向速度角速度转转速，48增大Kc值的途径：增大r，强度要求增大9002222rNgrugrmgmrKc离心分离因素：离心力与重力比1363.081.92022gruKc旋风分离器：49切向速度u径向速度ur合成u合合二、离心沉降速度ddrur50离心力：2236CppuuFmdrr径向向外浮力：236bpuFdr指向中心阻力：242222rprduduAF指向中心受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。23)(4rduddrppr5123)(4rduppr离心沉降（1）方向不同；（2）在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。gduppt3)(4重力沉降对照52gdurdupptppr18)(18)(22223)(4Re24rduppr，代入：层流中重力沉降离心沉降离心沉降设计对象为小颗粒，流体阻力处于层流区53含尘气体的分离系统20m5—200m0.5m达90%灰尘含尘气体净化气体灰尘灰尘重力沉降室旋风分离器袋滤器离心风机54旋风分离器：是利用离心力作用净制气体的设备。其结构简单，制造方便分离效率高可用于高温含尘气体的分离特点：三、旋风分离器555657uib含尘气体切线进入；沿内壁作旋转流动：颗粒的离心力较大，被甩向外层，气流在内层。气固得以分离；在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动；在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，最后由上部出口管排出；颗粒沿内壁落入灰斗。构造与工作原理构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒5859旋风分离器的尺寸DbDhDHDLDd2153221，，LHSbDdhui60临界粒径：能够100％除去的最小粒径。根据旋风分离器的尺寸，以及离心沉降速度式分离变量，积分求得沉降时间；临界粒径rudrdddripppp222218)(18)(61ui——进口气流的流速，m/sb——入口宽度，mn——气流旋转的圈数,计算时通常取n=5。ippcunbd)(3沉降时间≤颗粒旋转n圈（平均半径rm)的停留时间：62讨论：（1）bdpcD旋风分离器越大，分离效果越不好所以生产能力较大时，一般采用多个小旋风分离器并联。（2）uidc分离效果好流动阻力大smui/25~12ippcunbd)(36322iup进、排气与筒壁之间的摩擦损失；突然扩大(缩小）的局部阻力；旋转中动能损失造成气体压力降：由于:HLdDbh230压力损失64圆筒直径一般为200～800mm，系列尺寸进口速度一般为15～20m/s压力损失约为1～2kPa分离的颗粒直径约为5m主要技术参数65旋风分离器的选用例3-3：温度为20℃，压力为0.101MPa，流量为2.5m3/s的含空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m3，最大允许压力损失为2.0kPa,试求：（1）分离器尺寸；（2）临界粒径。66解：阻力系数的计算（仅与其型号有关）DbDhDHDLDd2153221，，，，设：3.825535303022DDDDDDHLdDbh67,......612.04.2/5.2/20)21.13.8/(20002/22232mDDbhusmqsmpuupiVii解得，DbDhDHDLDd2153221，，，，（1）68（2）mmuNBdippc5.6105.6202500514.320