《化工原料核心》PPT课件.ppt

4 颗粒的沉降,福州大学化学化工学院,4 颗粒的沉降,4 颗粒沉降（Sedimentation）,根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降 根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降 4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation） （1）球形颗粒的自由沉降速度 以重力的方向为正方向,什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？,4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation）,直径为d、颗粒密度为s的球形颗粒在密度为流体中的重力和浮力分别为：,颗粒做匀速运动，沉降速度恒定不变，该速度称为自由沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为：,4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation）,（2）阻力（曳力）系数（Drag coefficient） 与流体的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒沉降雷诺数有关，即,注意：其中d为颗粒直径，u0为颗粒的沉降速度，、分别为流体的密度与粘度。,4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation）,通过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图,将他们回归成关联式为：,过渡区（Allen区， 2 Re0 500）,湍流区（牛顿区， 500 Re0 200000 ）, Re0 200000后，骤然下降，在Re0 =(310)105范围内可近似取= 0.1。,4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation）,补充： 我国的陈文清发现，在气流干燥、喷雾干燥器内， 1 Re0 500都在阿仑区，但将实验值代入阿仑公式，发现其平均误差高达15.5%，他将实验值拟合成,4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation）,（3）沉降速度（Settling velocity）的计算 图解法： 由于沉降速度未知，雷诺数无法计算，因此图解法需要试差计算。 公式法： 将以上阻力系数关系式代入自由沉降速度的计算式中可得到计算沉降速度的公式。由于沉降速度未知，雷诺数无法计算，因此公式法也需要试差计算。 计算过程：,4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation）,因次分析法： 通过实验整理数据得到：,Ar与沉降颗粒和流体的性质、分离要求有关，根据已知条件计算Ar ，然后由上式计算Re0 ，由Re0直接计算沉降速度u0 ，不需要试差和校核。,4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation）,（4）其它因素对沉降速度的影响 以上的沉降过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降： 颗粒为球形； 颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰； 容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略； 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。 在实际情况中还需考虑以下因素的影响： 干扰沉降； 端效应； 分子运动； 非球形； 液滴或气泡的运动 。,4.2 降尘室,颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？ 颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。,4.2 降尘室,注意：当某直径的颗粒满足t0时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足t0时，它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离。 讨论： （1）降尘室的生产能力：,停留时间最短为t=0 =H/u0，即最大生产能力为Vs=BLu0 ；故生产能力与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无关，因此，降尘室多制成扁平型或多层。 （2）降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高度是否越小越好呢？,4.2 降尘室,H时，根据,若u不变，则L，生产能力Vs=BLu0；为保证生产能力不变，必须B；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置； 若L不变，u，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被重新扬起，分离效率，故应保证气体流动维持层流状态，一般u 10m（75m效果较好）。,4.2 降尘室,（4）t0在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据，在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当Stoches定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为Vs时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：,4.3 悬浮液的沉聚过程,悬浮液的沉聚过程一般出现：清液区、等浓度区、变浓度区和沉聚区。若颗粒不均匀，则不出现等浓度区。 悬浮液的沉聚过程各个区的浓度增大，颗粒间沉降的相互干扰作用也增大。由于浓度增大，颗粒相互间絮凝成絮状下沉，沉降速度增大，属于干扰沉降，无法从理论上计算沉降速度、沉降时间，只能由实验来测定。,4.4 沉降槽（Settling tank）,4.4 沉降槽（Settling tank）,用于分离悬浮液，连续操作。其生产能力与降尘室一样与底面积有关，与沉降槽高度无关。 悬浮液中加入电解质、絮凝剂等添加剂有利于絮凝现象的发生，提高沉降速度；另外，提高悬浮液温度也可提高沉降速度。 不论是降尘室还是沉降槽，都是利用重力作用的原理达到分离的目的，对一定的分离体系，分离要求一定，则沉降速度确定，其分离能力有限，分离直径大于10 m的颗粒较为适合，但对小于10 m颗粒的分离重力沉降无法实现，则改用离心沉降。,4.5 离心沉降（Centrifugal sedimentation ）,当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur,4.5 离心沉降（Centrifugal sedimentation ）,r = 0.5m，ut = 10m/s时，,注意：离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。,4.6 旋风分离器（Cyclone separators）,（1）结构与工作原理,4.6 旋风分离器（Cyclone separators）,（2）分离性能 旋风分离器能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。 临界直径dc（Critical diameter） 假设： a、颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度ut恒定，与所在位置无关，且等于进口处的速度ui； b、颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进口宽度B； c、颗粒与气流的相对运动为层流。 颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须不大于停留时间,临界直径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗粒直径为最小直径。,4.6 旋风分离器（Cyclone separators）,离心沉降时间为：,4.6 旋风分离器（Cyclone separators）,讨论： B，D，dc，效率；在生产能力相同条件下，有一台大旋风分离器和若干台小旋风分离器（进口气速一样），应采用哪种方案？ ui，dc，效率，但阻力；旋风分离器的进口气速应适当选择，不宜太高也不宜太低。 dc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大（N越大），则临界直径越小，分离性能越好。,4.6 旋风分离器（Cyclone separators）, 分离效率 粒级效率、总效率 含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数0 ，称为总效率 :,含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数pi ，称为粒级效率:,其中c为质量含量，g/m3；i表示直径为di的颗粒。,4.6 旋风分离器（Cyclone separators）,讨论： 若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。 d dc时，pi =100%， d dc的颗粒能否被分离？能，不能被完全分离即pi 100% 。, pi与0的关系,4.6 旋风分离器（Cyclone separators）, 压力降（阻力损失） 通常压降用入口气体动能的倍数来表示：,对标准型旋风分离器,处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大、减小排气管直径、缩小旋风分离器直径等等均能提高分离性能，但同时也增加的阻力损失，在旋风分离器的选型上应充分考虑阻力的影响。,4.7 旋液分离器,旋液分离器的工作原理及计算与旋风分离器类似。 与旋风分离器相比，旋液分离器的直径较小？较大？ 气固密度差大而液固密度差较小，为获得较高的离心力，旋液分离器的直径通常较