第三章-沉降与过滤

非均相混合物的分离1本章学习要求•掌握重力沉降的基本原理和计算，重点掌握重力沉降中的球形颗粒的自由沉降、小Re范围的沉降计算、典型设备的结构和特点；•了解并熟悉旋风分离器的工作原理、结构特点及其性能参数；•理解沉降的影响因素及沉降分离计算、旋风分离器的选型计算•重点了解过滤的基本操作过程、典型设备的结构特点，熟练掌握恒压过滤的操作及计算；•了解含尘气体的过滤方法及设备。第三章非均相混合物的分离非均相混合物的分离2概述非均相混合物的概念：由物理性质不同的两相物质组成的物系。特征：存在相界面、物理性质不同、混合物分类：固体非均相混合物•气固非均相混合物（含尘气体）•气体非均相混合物•气液非均相混合物（如雾）•液固非均相混合物（悬浮液）•液体非均相混合物液液非均相混合物（乳浊液）•液气非均相混合物（泡沫液）基本概念：分散相（分散物质）：分散状态的物质连续相（分散介质）：连续状态的物质非均相混合物的分离3目的：产品的分离与提纯，回收再利用，环保的需求等方法：主要的物理分离方法是沉降与过滤沉降的概念：颗粒在外力作用下向指定沉积位置（器壁、器底或其他表面）相对于流体（静止或运动）运动的过程。沉降的类型：重力沉降、离心沉降和电力沉降。过滤的概念：流体在外力作用下相对于固体颗粒床层运动而实现两相分离的过程。过滤的类型：重力过滤、加压过滤、真空过滤和离心过滤。非均相混合物的分离4自由沉降：颗粒的沉降互不影响的沉降。如单一颗粒、体积浓度小于0.1%的颗粒的沉降。干扰沉降：颗粒的沉降互相影响的沉降。如体积浓度大于0.1%的颗粒的沉降。非均相混合物的分离5非均相混合物的分离61.1（自由）沉降速度3-1重力沉降在重力作用下颗粒向地面方向相对于流体的FbFdFg颗粒受力分析：以球形颗粒为研究对象重力：gdFppg361流体对颗粒的浮力：gdFpb361颗粒运动后流体对颗粒的阻力：仿照管内流体流动阻力的计算22uAFPd运动过程1.1.1沉降速度的概念和球形颗粒自由沉降速度的计算公式(1)概念(2)推导非均相混合物的分离7gbdduFFFFmdt2332366426ppppppududgdgdddt由动量定理：颗粒在流体内作重力沉降运动的过程将经历先加速后匀速的运动，其最终的速度称重力沉降速度，且颗粒的加速运动过程很短，一般情况下不予考虑。024662233tppppudgdgd3)(4pptgdu整理得0dudt当时，u＝ut，则：计算公式此即沉降速度计算的基本公式非均相混合物的分离8(3)阻力系数球形颗粒的阻力系数是颗粒雷诺数的函数（u是颗粒相对于流体的运动速度），教材P85页的与Re的关系曲线是由球形颗粒（球形度φs＝1）做实验得出的。ptetduρRμ(1)滞流区：10-4＜Re＜1，此时阻力主要为摩擦阻力。24etR(2)过渡区：1＜Re＜103，此时阻力为摩擦阻力和形体阻力之和。0.618.5etR(3)湍流区：103＜Re＜2×105，此时ζ＝0.44阻力主要为形体阻力。曲线分三个区：0.44非均相混合物的分离9ξ非均相混合物的分离10将用沉降速度ut表示的颗粒雷诺数Re代入滞流区沉降速度公式中：tpetudRetR2418)(2gduppt此即滞流区沉降速度计算式，也称斯托克斯（Stokes）公式，用于计算颗粒在流体中作自由沉降运动的滞流沉降速度计算式。另外，还有艾仑（Allen）公式和牛顿（Neton）公式分别计算自由沉降过程中过渡区和湍流区的沉降速度。1.1430.7140.2860.4280.6()0.78()0.27pptpcpdguRedutt或()1.74ppdgut非均相混合物的分离11(4)沉降分离机理比较分析颗粒的自由沉降速度计算式可知，滞流下沉降速度与颗粒和流体的密度差成比例关系，与颗粒的直径成平方关系。其他情况Ut也是随密度差和直径的增大而增大。不同密度的颗粒，沉降速度不同；不同粒径的颗粒，沉降速度也不同。这是为什么利用重力沉降能分离非均相混合物的根本原因。非均相混合物的分离121.1.2ut的计算方法：试差法假设沉降属于某一流型计算沉降速度核算Ret验证流型YESutNO非均相混合物的分离13例3－1用试差法求直径为40μm的球形颗粒在30℃大气中的自由沉降速度。已知固体颗粒密度为2600kg/m3，大气压强为0.1MPa。解：设沉降属于层流，应用斯托克斯公式计算。30℃，0.1MPa下空气的密度ρ＝1.165kg/m3，空气的粘度μ＝1.86×10-5·Pa·s，则：校核流型故初始假设正确，沉降速度为0.12m/s。2625()(4010)9.81(26001.165)18181.8610pPtdgusm/12.013.01086.1165.112.0104010564＜＜tpetudR非均相混合物的分离14无因次判据法即改用无因次判据k来判别沉降的类型，从而不用试差直接计算出Ut的方法。无因次判据k的定义式；3223Re4pprtdgA不同沉降区域Ar值的范围:滞流区：18×10-4＜Ar＜18过渡区：18＜Ar＜3.3×105湍流区：3.3×105＜Ar＜1.32×1010计算步骤（1）计算Ar；（2）判别沉降类型；（3）选用相应公式计算ut。例3－2用无因次判据法求例3－1的沉降速度。解：故选用斯托克斯公式计算ut。结果与例3－1同为：ut＝0.12m/s5.5)1086.1()165.12600(165.181.9)1040()(253623ppgdAr非均相混合物的分离15例3-3现测得一直径为30μm、密度ρP=3650kg/m3的球形颗粒在200C水中的沉降速度是某液体中沉降速度的2.7倍；又知此颗粒在水中的质量为在液体中的1.12倍，试求该液体黏度。解本题为球形颗粒在流体中的自由沉降。假设沉降服从斯托克斯公式，即（1）由题意可知utw/utl=2.7（2）式中，下标w,l分别代表水、某液体。将式（1）代入式（2），得（3）又由题意可知182gduppt7.2//llpwwp12.1颗粒在液体中的质量颗粒在水中的质量非均相混合物的分离16即（4）将式（4）代入式（3）得41.212.17.2wl故分别检验水和液体的Ret将已知条件代入式（1）可算得utw=1.3×10-3m/s则Pawl31041.241.2103.01011000103.11030Re336wwtwptwud分别由式（2）和（4）可得utl=4.8×10-4m/sρl=1284kg/m3则Retl=dputlρ/l=0.0077112.1lpwplpwpPPVV非均相混合物的分离17例3-4在一容器内盛有密度ρ=890kg/m3、黏度µ=0.32Pa•s的油，油的深度L=80cm，现将密度为ρP=2650kg/m3、直径dP=5mm的石英球粒投入容器中，每隔3s投一个，试求（1）若容器内的油是静止的，则容器内最多有多少个石英球同时向下沉降？（2）若容器内的油以u=0.05m/s的速度向上运动，则结果又如何？解（1）当容器内的油静止时，假设沉降过程处在斯托克斯区，则忽略沉降过程的加速段，则第一个石英球洛到容器底部所需时间为此时容器内共有同时向下沉降smgduppt/0749.032.01881.9890265010518232sLt7.100749.010802个6.337.103非均相混合物的分离18应取整数，即为3个球。检验Ret：说明原假设正确，以上计算有效。（2）当油以u=0.05m/s向上运动时，由于颗粒和油的物性未变，故沉降速度即颗粒和油之间的相对运动速度仍为ut=0.0749m/s因此石英球的绝对速度为ut–u=0.0749–0.05=0.0249m/s,方向向下。由此可得，第一个石英球落到容器底部所需时间此时容器内共有向下沉降应取整数，即为10个球。104.132.08900749.0105Re3tptudsuuLt1.32024.010802'107.1031.323'非均相混合物的分离19例3-5如图所示，水自下而上流过设备，以分离两种粒径相同的细粉。颗粒直径均为dp=100μm,两种颗粒的密度分别为2650kg/m3及2850kg/m3，水的密度为1000kg/m3，黏度为1cP。试问水在管中的流速控制在什么范围内才能使两种颗粒完全分开？解当水流向上的流速大于颗粒向下的沉降速度时，颗粒将被水流带出，反之颗粒则向下沉降。因此要使两种颗粒完全分开，管中水的速度应控制在两种颗粒沉降速度之间。假设沉降过程属于斯托克斯区，则两种颗粒的沉降速度分别为混合细粉水smgdupt/00899.0101188.9100026501010018326121smgduppt/010.0101881.910002850101001832522非均相混合物的分离20分别检验两种颗粒的Ret：10.11011000010.010100Re1899.0101100000899.010100Re36223611tpttptudud可见，关于沉降过程处在斯托克斯区的假设是正确的，故以上计算有效。当0.00899m/su0.01m/s时，理论上两种颗粒可以完全分开非均相混合物的分离211.1.3非球形颗粒的自由沉降：用球形度系数进行校正1.1.4影响沉降速度的因素：除了颗粒的形状外还有以下其它因素：1）颗粒浓度影响：浓度大于0.1%（体积）时由于反向置换流的阻力、颗粒的碰撞和流体有效密度和黏度增大颗粒发生干扰沉降（干扰沉降：颗粒间彼此影响的沉降过程）使沉降速度明显减小；2）壁效应β影响：当颗粒的直径较大时，在近壁处的沉降将受到明显的影响，经验值为β＝dp/D大于0.01时影响显著。3)流体分子运动的影响：当颗粒的直径太小时，颗粒的沉降还会受到流体分子间碰撞的影响。非均相混合物的分离221.2典型重力沉降设备及其计算根据非均相混合物的种类不同，主要有降尘室和沉降槽。降尘室1、结构：非均相混合物的分离232、工作原理滞流流动的气态非均相物系沿水平运动，固体颗粒则作平抛运动，即水平方向随气体一起运动，竖直方向则作沉降运动，如果颗粒在降尘室的停留时间（水平运动的时间τ）大于颗粒从室顶到出口下侧边缘所在的水平面所需的时间τt，即ττt，则颗粒必将留在降尘室，从而实现了物系的分离（固体颗粒和气体的分离）。尘粒在降尘室内的运动情况非均相混合物的分离24非均相混合物的分离25uLttHu3、颗粒能被分离出的必要条件是：τ≥τttLHuu显然，若处于入口端顶部的直径为dp颗粒能够除掉，则处于其它位置的大于等于该直径的颗粒都能被除掉件。取等号时，用上式计算出来的dp是完全被分离下来的最小颗粒的直径。因此式中dp和ut应取需要分离下来的最小颗粒的值dpc和utc。4、临界粒径dpc非均相混合物的分离26vsQubH5、降尘室的计算(1)生产能力单位时间降尘室能处理的混合物的量由代入tcLHuu得vstctc=buusQLA从所得式可以看出，降尘室的工作能力与其高度无关，只与降尘室的底面积（bL）有关，所以降尘室宜设计成扁平状，或在室内均匀设置多层水平隔板(隔板数为n)，构成多层降尘室。此时As=（n+1）bL注意，气态非均相物系在降尘室中的流动以滞流为好，否则由于湍流的脉动效果使得沉降在降尘室底面的细小