2.1第四章沉降与过滤ppt课件

1、 第四章第四章 沉降与过滤沉降与过滤重点：过滤和沉降的基本理论、基重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤难点：过滤基本方程的应用、过滤设备设备主要内容主要内容l0.概述概述l1.重力沉降重力沉降l2.过滤过滤l3.离心分离离心分离p均相物系均相物系(honogeneous system): 均相混均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：自然界的混合物分为两大类：p非均相物系非均相物系(non-honogeneous system): 非均相混

2、合物。物系内部有隔开不同相的非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。于气态非均相物系。第第0节节 概述概述p分散相：分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。状态的物质。p连续相：连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。状态的流体。非均相物系由分散相和连续相组成非均相物系

3、由分散相和连续相组成 要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。要实现分离，必须使分散相和连续相之间发生相对运动。因而，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。因而，非均相物系的分离操作遵循流体力学的基本规律。p非均相物系的分离原理：非均相物系的分离原理： p非均相物系分离的理论基础：非均相物系分离的理论基础：根据两相物理性质根据两相物理性质( (如密度等如密度等) )的不同而进行的分离。的不同而进行的分离。 由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方

4、式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。 通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分离，如蒸馏，萃取等。离，如蒸馏，萃取等。p非均相物系的分离方法：非均相物系的分离方法：p均相物系的分离：均相物系的分离：p 定义：定义：p沉降力场：重力、离心力。沉降力场：重力、离心力。 在某种力场的作用下，利用分散物质与分散在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。单元操作。p 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。沉降操作分类：重力

5、沉降、离心沉降。第一节第一节 重力沉降重力沉降4-1 颗粒在流体中的流动颗粒在流体中的流动4.1A 颗粒与流体相对运动时所受的力颗粒与流体相对运动时所受的力 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种作用力通常称为曳力drag force)或阻力。或阻力。理想流体理想流体实际流体实际流体根据斯托克斯定律，连续流体以较低速度流过球形颗根据斯托克斯定律，连续流体以较低速度流过球形颗粒所产生的曳力符合下列公式：

6、粒所产生的曳力符合下列公式：2)(424322ududduFd令令 称修正雷诺数称修正雷诺数 为球形颗粒投影面积为球形颗粒投影面积 称为阻力因数，则得：称为阻力因数，则得：dupRe42dApRe24 流体密度； 流体粘度； dp颗粒的当量直径； A 颗粒在运动方向上的投影面积； u 颗粒与流体相对运动速度。 阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定。22uAFd)()(udRpe颗粒所受的阻力颗粒所受的阻力Fd可用下式计算可用下式计算 pRe/246 . 0Re/5 .18p44.0层流区斯托克斯层流区斯托克斯StokesStokes区，区，10-4Re110-4Re1） 注意：其中斯托克斯

7、区的计算式是准确的，其它两个区域注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的计算式是近似的。的计算式是近似的。过渡区艾仑过渡区艾仑AllenAllen区，区，1Re5001Re500）湍流区牛顿湍流区牛顿NewtonNewton区，区，500Re1.5500Re1.5105105）图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为：的计算式表示为：4.1B沉降速度沉降速度1. 球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降重力沉降重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而发生的颗粒沉降：由地球引力作用而发生的

8、颗粒沉降过程，称为重力沉降。过程，称为重力沉降。 自由沉降自由沉降free settling）：）： 当一个颗粒与容器器壁和与其他当一个颗粒与容器器壁和与其他颗粒有足够的距离，使该颗粒沉降不受它们的影响。或者颗粒颗粒有足够的距离，使该颗粒沉降不受它们的影响。或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的条件下群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的条件下沉降。沉降。 dtdumFFFdbg243)(udgdtdupppp根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb2422ud

9、FpdgdFppg36gdFpb36 p p为颗粒密度为颗粒密度 随着颗粒向下沉降，随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，逐渐增大，du/dt 逐渐减少。逐渐减少。 当当u增到一定数值增到一定数值ui时，时，du/dt =0。颗粒开始作匀速沉降运动。颗粒开始作匀速沉降运动。3)(4pptgdu上式表明：上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度沉降速度terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶：也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。段颗粒相对于流体的运动速度。 当当du/d =0时，令时，令u= ut，则可得沉降速度计算，则可得沉降速度计

10、算式式加速阶段；加速阶段；匀速阶段。匀速阶段。 将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度分别为：区相应的沉降速度分别为： 层流区Re1）18)(2ppgdtupptdgu3122225)(4ppdgtu)(3过渡区过渡区1Re5001Re500）湍流区湍流区500Re105500Re105）utut与与dpdp有关。有关。dpdp愈大，愈大，utut则愈大。则愈大。层流区与过渡区中，层流区与过渡区中，utut还与流体粘度有关。还与流体粘度有关。液体粘度约为气体粘度的液体粘度约为气体粘度的5050倍，故颗粒在液体中的

11、沉降速倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。度比在气体中的小很多。 假设流体流动类型；假设流体流动类型； 计算沉降速度；计算沉降速度； 计算计算ReRe，验证与假设是否相符；，验证与假设是否相符； 如果不相符，则转。如果相符，如果不相符，则转。如果相符，OK !OK !（1试差法。试差法。2.沉降速度的求算：沉降速度的求算： （2复验法。复验法。 假设沉降速度假设沉降速度u u，计算，计算RepRep值；值； 按图按图4-24-2查得查得，由，由 算的算的uu； 由由uu，计算，计算RepRep，按图，按图4-24-2查得查得，由，由 算的算的uu； 直至直至u u相符，相符，OK

12、!OK !（3摩擦数群法直接法）摩擦数群法直接法）该法是把该法是把ut加以转换，使其两个坐标轴之一变成不包含加以转换，使其两个坐标轴之一变成不包含ut的的无因次数群，进而便可求得无因次数群，进而便可求得ut。 又又 消去消去ut，即：，即： 再令再令 得得 23)(4tppugd22)(Retpdu2323)(4Regdpp32)(gdKp3234ReKp因因是是Rep的已知函数，则的已知函数，则Rep2必然也是必然也是Rep的已知函数。计的已知函数。计算算ut时，可先由已知数据算出时，可先由已知数据算出Rep2的值，再由的值，再由Rep2曲线查曲线查得得Re值，最后由值，最后由Re值反算值反

13、算u，即：，即： ut=Rep/d 如果要计算在一定介质中具有某一沉降速度如果要计算在一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直的颗粒的直径，也可用类似的方法解决。令径，也可用类似的方法解决。令与与Rep-1相乘，得：相乘，得： Rep-1-Rep曲线绘于图中。由曲线绘于图中。由Rep-1值从图中查得值从图中查得Rep的的值，再根据沉降速度值，再根据沉降速度ut。值计算。值计算d，即：，即： d=Rep/ut 2213)(4Retppug摩擦数群法对于已知摩擦数群法对于已知ut求求d或对于非球形颗粒的沉降计算均非常方或对于非球形颗粒的沉降计算均非常方便。此外，也可用无因次数群便。此外，也可用无因

14、次数群K值判别流型。将式值判别流型。将式4-7代入雷诺准代入雷诺准数的定义式得：数的定义式得： 当当Rep=1时，时，K=2.62，此值即为斯托克斯定律区的上限。，此值即为斯托克斯定律区的上限。 同理，当同理，当Rep=500时，可得牛顿定律区的下限时，可得牛顿定律区的下限K值为值为43.6 这样，计算已知直径的球形颗粒的沉降速度时，可根据此值选这样，计算已知直径的球形颗粒的沉降速度时，可根据此值选用相应的公式计算用相应的公式计算ut，从而避免采用试差法。，从而避免采用试差法。 323323)(Re181818)(RegdKKgdpppp例：计算直径为例：计算直径为9595m m，密度为，密度

15、为3000kg/m33000kg/m3的固体颗的固体颗粒分别在粒分别在20 20 的水中的自由沉降速度。的水中的自由沉降速度。smugdtpp/10797. 9310005. 11881. 9)2 .9983000()1095(18)(362计算计算Re，核算流型：，核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095udp假设正确，计算有效。假设正确，计算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度为水的密度为998.2kg/m3998.2kg/m3，粘度为，粘度为1.0051.00510-3 Pa10-3 Pas s先设为层流区。

16、先设为层流区。 18)(2ppgdtu1) 1) 颗粒直径颗粒直径dp:dp:应用：应用：啤酒生产，采用絮状酵母，啤酒生产，采用絮状酵母，dput，使啤酒易于分离和澄，使啤酒易于分离和澄清。清。均质乳化，均质乳化， dput，使饮料不易分层。，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。加絮凝剂，如水中加明矾。2) 2) 连续相的粘度连续相的粘度：应用：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ut，易，易于分离。于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不，不易分层。易分层。加热：加热：3) 两相密度差两相密度差( p-)：3 影响沉降速度的因

17、素影响沉降速度的因素(以层流区为例以层流区为例) 4) 颗粒形状颗粒形状在实际沉降中：在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。来描述。pSSs s 球形度；球形度；S 颗粒的表面积，颗粒的表面积，m2；Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积，与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。 不同球形度下阻力系数与不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，的关系见课本图示，Re中的中的dp用当量直用当量直径径de代替。代替。球形度球形度s s越小，阻力系数越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。越大，但在层流区不明显。utut非球非球utut球球 。对于细微颗粒对于细微颗

18、粒(d0.5(d0.5m)m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算式计算utut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。沉降公式可用于沉降和上浮等情况。注意：注意：6)干扰沉降干扰沉降hindered settling）：）： 当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。5) 壁效应壁效应 (wall effect) ： 当颗粒在靠近器壁的位

19、置沉降时，由于器壁的影当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。效应。4.2A 间歇式沉降器间歇式沉降器 食品中主要用于沉降速度缓慢的葡萄酒和果汁的食品中主要用于沉降速度缓慢的葡萄酒和果汁的澄清。澄清。4.2 悬浮液的重力沉降悬浮液的重力沉降4.2B 半连续式沉降器半连续式沉降器 1.临界速度：已经沉积的颗粒不致被流体流动的临界速度：已经沉积的颗粒不致被流体流动的曳力所带走的流体流动最大速度。曳力所带走的流体流动最大速度。3)(4spgdcu操作中操作中,应使操作流速应使操作流速 u 5 m，dp

20、c50=12 m 。主要技术参数主要技术参数例：温度为例：温度为20，压力为，压力为0.101Mpa，流量为，流量为2.5m3/s的含尘空的含尘空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m3，试，试计算临界粒径。选择合适的旋风分离器，使之能计算临界粒径。选择合适的旋风分离器，使之能100%的分的分离出离出6.5m以上的粉尘。并计算压损。以上的粉尘。并计算压损。解：解： 20，0.101Mpa时空气的：时空气的： =1.21kg/m3，=1.8110-5Pas1 1、确定进口气速：、确定进口气速：ui=20m/s (15-20m/s)ui=20m/s

21、 (15-20m/s)2 2、计算、计算D D和和b b：流量：流量 V=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 V=Aui=Bhu B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5) 2.5=(D/5)(3D/5)(3D/5)20 20 D=1.041m D=1.041m 取取 D=1100 mm D=1100 mm旋风分离器的选用旋风分离器的选用此时此时550,160,220,1200,1100121DhBHDHsmuhBVi/2 .17)5/ 1 . 13()5/ 1 . 1 (5 . 23、 求求dpcmuNBdippc3 . 73)(32 .172500514. 322. 01081. 15kPaupi49.121.13 .82/22 .17223.8302121HHDDBh4、求、求p5、 求求D