化工原理第三章第一节

1、2021-7-27第第第第第第三三三三三三章章章章章章 机械分离与固体机械分离与固体机械分离与固体机械分离与固体机械分离与固体机械分离与固体流态化流态化流态化流态化流态化流态化一、沉降速度一、沉降速度1、球形颗粒的自由沉降、球形颗粒的自由沉降2、阻力系数、阻力系数3、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素4、沉降速度的计算、沉降速度的计算5、分级沉降、分级沉降二、降尘室二、降尘室1、降尘室的结构、降尘室的结构2、降尘室的生产能力、降尘室的生产能力第第第第第第一一一一一一节节节节节节 重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降2021-7-27混合物 均相混合物 非均相混合物 物系内部各处

2、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2021-7-27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 2021-7-272021-7-272021-

3、7-272021-7-272021-7-272021-7-272021-7-272021-7-272021-7-27第二节第二节第二节 沉降分离沉降分离沉降分离一、沉降原理一、沉降原理rmamg或或 sm g42220du 0 DbcFFF合外力合外力0421220 dumgs 1 1、自由沉降、自由沉降极短，通常可以忽略极短，通常可以忽略该段的颗粒运动速度称为该段的颗粒运动速度称为沉降速度，沉降速度，用用u0表示。表示。加速段：加速段：等速段：等速段：浮力浮力Fb 曳力曳力FD质量力质量力Fc颗粒在流体中沉降时受力-单个颗粒在无限大流单个颗粒在无限大流体中的降落过程体中的降落过程重力沉降速度

4、：重力沉降速度：以球形颗粒为例以球形颗粒为例 2021-7-271 1 1、自由沉降、自由沉降、自由沉降Re0=du0/ 1或2 层流区024162023 udgdss 340gdus 0Re24 1820gdus -斯托克斯定律斯托克斯定律 2021-7-272、阻力系数、阻力系数 通过因次分析法得知，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) 滞流区或托斯克斯滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（定律区（10 4Ret1） tRe24182stdu斯托克斯公式2021-7-27颗粒沉降的阻力系数与雷诺数的关系2021-7-276

5、. 0Re5 .18t6 . 0Re269. 0tgdust艾伦公式 c) 滞流区或牛顿定律区（滞流区或牛顿定律区（Nuton）（）（103Ret 2105） 44. 0gdust74. 1牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区（过渡区或艾伦定律区（Allen）（）（1Ret75 m以上颗粒以上颗粒-用于除去用于除去510 m 颗粒颗粒2021-7-27二、降尘室二、降尘室二、降尘室二、降尘室二、降尘室二、降尘室1、降尘室的结构、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力、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

6、以速度ut作沉降运动2021-7-271 1 1重力沉降设备重力沉降设备重力沉降设备 气体气体 气体气体 进口进口 出口出口 集灰斗集灰斗 L B 含尘气体含尘气体 u H u0 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 t 停停留留时时间间 0 沉沉降降时时间间0 t若若uL0u高高度度降尘室降尘室则表明，该颗粒能在降尘室中则表明，该颗粒能在降尘室中除去。除去。思考思考1：为什么气体进入降尘为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？室后，流通截面积要扩大？思考思考2 2：为什么降尘室要做成扁平的？为什么降尘室要做成扁平的？结构：结构：除尘原理：除尘原理：2021-7-27降尘室降尘室降尘室0

7、uHuL 即即思考思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被中被100%除去，必须满足什么条件？除去，必须满足什么条件？00uHt 思考思考4：能够被能够被100%除去的最小颗粒，除去的最小颗粒，必须满足什么条件？必须满足什么条件？0 t 1820gdus 0min1818AVgLgHudsss L u B 气体气体 u0 H 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动 思考思考5：粒径比粒径比dmin小的颗粒，小的颗粒，被除去的百分数如何计算？被除去的百分数如何计算？2021-7-27降尘室降尘室降尘室思考思考2 2：为什么降尘室要做成扁平的？为什么降尘室要做成扁平的

8、？L u B气体气体 ut H 颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动000uABLuBHuVs 0uHuL 多层降尘室多层降尘室 可见，降尘室最可见，降尘室最大处理量与底面积、大处理量与底面积、沉降速度有关沉降速度有关, ,而而与降尘室高度无关。与降尘室高度无关。 故降尘室多做成故降尘室多做成扁平的。扁平的。 注意注意! 降尘室内气体流速不应过高，以免将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，已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取多数灰尘的分离，可取u3m/s，较易扬较易扬起灰尘的，可取起灰尘的，可取u1.5m/s。最大处理量最大处理量-能够除

9、去最小颗粒时的气体流量能够除去最小颗粒时的气体流量Vs2021-7-273、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素 1）颗粒的体积浓度）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）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 . 212021-7-273）颗粒形状的影响）颗粒形状的影响 psSS球形度对于球形颗粒，s=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度s值愈低。对于

10、非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代替 。peVd3636PeVd颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数愈大但s值对的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。2021-7-274、沉降速度的计算、沉降速度的计算 1）试差法）试差法 假设沉降属于层流区 方法：182stduut dutReRet Ret1 ut为所求Ret1 艾伦公式求ut判断公式适用为止 2) 摩擦数群法摩擦数群法 2021-7-27例：例：试计算直径为95m，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

11、内沉降 ，182gdust 附录查得，20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s2021-7-2732610005. 11881. 92 .99830001095tusm/10797. 93核算流型 ttduRe33610005. 12 .99810797. 910959244. 01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：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型 2021-7-2732gdKs32561081. 181. 9205. 13000205. 1109552. 42.

12、61K69.1，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. 0stdgusm/619. 05、分级沉降、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。 2021-7-27 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m100202021-7-27 解：1、2、3号分级器直径逐渐

13、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。2021-7-27 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），

14、因此3号水流速应该等于20石英的沉降速度。2021-7-272021-7-272021-7-27 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。2021-7-27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0.080.7mm方铅矿密度 s1=7500kg/m3石英密度 s2=2650kg/m320水的密度和粘度 =998.2kg/m3 =1.00510-3 Pas假定粒子在上升水

15、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。2021-7-27解：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。36peVd336lm43310685. 8)107 . 0(6psSS226lde806. 0)107 . 0(610685. 82342021-7-27用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度22223)(4Regdset14000)10005. 1 ( 381. 92

16、.998)2 .9982650()10685. 8(42334s=0.806，查图3-3的，Ret=60，则：ettduRe4310685. 82 .99810005. 160sm/0696. 02021-7-272）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)(4Retstug2544. 0)0696. 0(2 .998381. 9)2 .9987500(10005. 14323s=0.806，查图3-3的，Ret=22，则：2021-7-27tteudRe0696. 02 .99810005. 1223m4

17、10182.3与此当量直径相对应的正方体的棱长为：36edl 34610182. 3m410565. 2所得方铅矿的棱长范围为0.25650.7mm。2021-7-272021-7-273、降尘室的计算、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。2021-7-27 例：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=0.5kg/m3，粘度=3.4

18、10-5Pa.s，固体密度S=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求：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40m的颗粒的回收百分率；4. 欲使粒径为10m的颗粒完全分离下来，需在降尘室内设置几层水平隔板？2021-7-27解：解：1）降尘室的总高度HsmtVVS/564. 2273427273127327330buVHS5 . 02564. 2m564. 22）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸 blVustsm/214. 062564. 2用试差法由ut求dmin。假设沉降在斯托克斯区 2021-7-27gudst18min807. 95 . 04000214. 0104 . 3185m51078. 5核算沉降流型 1182. 01014. 35 . 0214. 01078. 5Re55ttdu原假设正确 3、粒径为40m的颗粒的回收百分率粒径为40m的颗粒定在滞流区 ，其沉降速度 smgdust/103. 0104 . 318807. 95 . 0400010401852622021-7-27气体通过降沉室的时间为： suHt12214. 0564. 2直径为40m的颗粒在12s内的沉降高度为： muHt234. 112103. 0 假