化工原理第三章概述、重力沉降课件

第一节概述1、混合物的分类2、非均相物系的特点3、非均相物系的组成4、非均相物系的分离方法第二节重力沉降1、沉降速度2、沉降设备3、悬浮液的沉聚第三章沉降与过滤2023/4/3一、混合物的分类

工业上一般按相态将混合物可分为均相物系（即均相混合物）与非均相物系（即非均相混合物）。【均相物系】分散得十分均匀，达到分子分散水平的物系。如：乙醇—水溶液，空气等。【非均相物系】含有二个或二个以上的相的混合物。第一节概述2023/4/3【非均相物系的主要种类】【固体混合物】

二种或二种以上不同固体物质的混合物，如各种矿石；【液固混合物】

如液相反应产生固体沉淀形成的悬浮液，泥浆等；【气固混合物】

如燃煤锅炉烟道气；【液液混合物】

如乳浊液（油水混合物）；【气液混合物】

如水雾。2023/4/3三、非均相物系的组成【分散相】处于分散状态的那一相

；【分散物质】处于分散状态的那种物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡。【连续相】包围着分散相物质且处于连续状态的那一相；【连续相介质】处于连续状态的那种物质，如分气固混合物的气体，悬浮液中的液体。2023/4/3悬浮在水中的固体颗粒【问题】指出分散相、连续相、分散物质和连续介质分别是什么？2023/4/3四、非均相物系的分离方法

一般可用机械方法加以分离，故又称机械分离。常用的机械分离方法有：（1）沉降分离法；（2）过滤分离法；（3）液体洗涤（湿法）分离法；（4）静电除尘法；（5）惯性力除尘法。【说明】需根据分离对象确定分离方法。2023/4/3催化剂再生器催裂化反应器分馏塔澄清罐催化裂化工艺流程图旋风分离器旋液分离器2023/4/3焙烧炉降尘室旋风分离器电除尘器泡沫塔硫铁矿空气去转化器二氧化硫除尘净化工艺流程简图2023/4/3水处理工艺流程图2023/4/3六、颗粒与流体相对运动时所受到的阻力1、三种相对运动形式流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种情况：【绕流】颗粒静止，流体运动；【沉降】流体静止，颗粒运动；【颗粒与流体都运动】颗粒运动，流体运动。2023/4/3颗粒静止，流体对其做绕流流体运动方向2023/4/3固体颗粒运动方向2023/4/32、阻力的两种类型——表皮阻力和形体阻力【表皮阻力】当颗粒速度很小时，流体对球的运动阻力主要是粘性摩擦，所产生的阻力（曳力）；2023/4/3【形体阻力】当颗粒速度较大时，便有旋涡出现，即发生边界层分离，所产生的阻力（曳力）。颗粒受到流体的总阻力Fd

＝表皮阻力＋形体阻力P1P22023/4/3【特点】阻力Fd与流体密度ρ

、粘度μ

、相对运动速度u有关，而且受颗粒的形状与运动方向的影响，问题较为复杂。至今，只有几何形状简单的少数情况才可以得到理论计算式。3、阻力的计算【例如】粘性流体对球体的低速绕流（也称爬流）时,可用斯托克斯（Stokes）公式计算，即：2023/4/34、阻力（曳力）系数ζ

【规律】目前尚无法通过理论分析获得阻力系数计算关系式，但大量的实验证明：阻力（曳力）系数ζ是雷诺数及球形度的函数，即：【获取方法】当球形度一定时，阻力（曳力）系数ζ

获取方法有如下两种：（1）查取ζ－Re关系曲线图；（2）使用经验公式。2023/4/3ζ－Re关系曲线图【步骤】（1）根据颗粒的球形度找到对应的曲线；（2）根据Re找到曲线上的一点；（3）由该点查得ζ；2023/4/3何谓球形度【定义】与物体相同体积的球体的表面积和物体的表面积之比。

S——与物体相同体积的球体的表面积；SP——物体的表面积。2023/4/3【阻力系数ζ计算的经验公式】【应用前提】球形颗粒。根据不同的雷诺数范围（区域）内的阻力系数ζ的变化情况，可用如下经验公式计算阻力系数ζ：（1）层流区：10－4＜Re＜2，Stokes定律区

2023/4/3ζ－Re关系曲线图层流区过渡区湍流区2023/4/3二、沉降速度

1、球形颗粒的自由沉降速度【定义】单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒在互不接触、互不干扰的条件下沉降。（1）什么是自由沉降2023/4/3（2）自由沉降速度基本计算式

重力场中，球形颗粒作自由（向下）沉降时，颗粒的受力情况：设颗粒的密度为ρP

，直径为dP

，流体的密度为ρ，则：2023/4/3当颗粒在流体中做匀速运动（a＝0）时，颗粒所受合力为零，即：由此可解出沉降速度：——沉降速度基本计算式2023/4/3有关说明（1）颗粒从静止开始作沉降运动时，分为加速和匀速两个阶段；（2）对于小颗粒，加速阶段时间很短，通常忽略，可以认为沉降过程是匀速的。（3）颗粒便作匀速运动时的速度称为沉降速度。2023/4/3（3）各种情况下的自由沉降速度计算式①层流区：(Re＜2）——斯托克斯（Stokes）定律【说明】沉降操作中所涉及的颗粒一般都很小，通常Re在2以内，故该式很常用。2023/4/3②过渡区（Allen区）2＜Re＜500代入沉降速度基本计算式后可得到：——阿伦（Allen)公式2023/4/3③湍流区（Newton区）500＜Re＜2×105代入沉降速度基本计算式后可得到：——牛顿（Newton）公式2023/4/3（4）自由沉降速度的影响因素颗粒的密度ρP颗粒的直径dP流体的密度ρ流体的粘度μ2023/4/3（5）自由沉降速度计算的具体方法①如果事前能够上确认沉降处在哪个区，则直接就用该区的公式进行计算；②如果不能确定流动处在哪个区，可采用两种方法：【试差法】A.

假定流动所在的区域；B.用相应的公式计算沉降速度ut

；C.计算雷诺数Re是否与假定条件一致（验算），否则重新假定。2023/4/3【准数判别法】如果不能确定流动处在哪个区，亦可采用以下方法先确定区域。通过实验整理数据可得到：其中：——阿基米德准数2023/4/3（1）根据已知条件计算Ar；（2）然后计算Re；（3）根据Re确定区域；（4）选用相应的计算公式计算出沉降速度。【准数判别法的具体计算步骤】2023/4/3【解】（1）在20℃水中的沉降。由于不知沉降处在哪个区，故用试差法计算；先假设颗粒在层流区内沉降，用斯托克斯公式计算：【例】试计算直径为95μm，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。2023/4/3

附录查得，水在20℃时

ρ＝998.2kg/m3，μ=1.005×10-3Pa.s核算流型：

故原假设层流区正确，求得的沉降速度有效。2023/4/3（2）在20℃的空气中的沉降用阿基米德准数判断沉降区域：查得20℃空气：ρ=1.205kg/m3，μ=1.81×10-5Pa.s①计算阿基米德准数：2023/4/3③据阿伦公式：④由此可知，沉降速度为：②计算雷诺准数：由于2＜Re＜500，故知沉降处在过渡区。2023/4/33、非自由沉降速度的确定（1）颗粒的体积浓度（分数）上述各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度（分数）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。【注意】干扰沉降速度比自由沉降速度小。2023/4/3（2）器壁效应①容器的壁面会增加颗粒沉降时的曳力，使实际颗粒的沉降速度较自由沉降时的计算值要小；②当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时（例如在100倍以上），器壁效应可忽略，否则需加以考虑。并按下式进行修正：2023/4/3（3）颗粒形状的影响

如果颗粒是非球形的，可采用两种方法处理。【方法一】①根据球形度及雷诺数查取阻力系数ζ

；②用沉降速度基本计算式计算沉降速度。2023/4/3非球形颗粒阻力系数ζ的查取2023/4/3仍采用球形颗粒的公式计算沉降速度，但所有计算中的颗粒直径dp要用当量直径dpe代替。如：非球形颗粒的当量直径为：——颗粒的体积【方法二】【非球形颗粒的当量直径】2023/4/3二、重力沉降分离设备1、分级器——

将密度不同的颗粒分离的设备【分离原理】利用不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们之间的分离。【分离对象】不同种类（密度不同）的固体颗粒，工业上的选矿便是利用此原理。2023/4/3选矿工艺流程图2023/4/3【说明】1、2、3号分级器直径逐渐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。【分级器的结构】2023/4/3（1）将沉降速度（密度）不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中；（2）水的速度调整到在两者的沉降速度之间；（3）沉降速度（密度）较小的那部分颗粒便被漂走分出，沉降速度（密度）较大的则被截留下来。

【分级原理】2023/4/3【例如】石英和方铅矿的混合球形颗粒在水力分级器中进行分离。两者的密度分别为2650kg/m3和7500kg/m3。纯方铅矿方铅矿及大颗粒石英小石英颗粒2023/4/31232023/4/3面粉分级器工艺流程图【说明】利用面粉颗粒大小与蛋白质含量之间的关系，将面粉按蛋白质含量高（低颗粒大小）分成几种不同部分。2023/4/32023/4/32、降尘室——分离气固混合物的设备（1）降尘室的构造含尘气体入口降尘室净化气体出口尘粒出口2023/4/3降尘室实物图2023/4/3降尘室2023/4/3（2）降尘室的工作原理LH水平运动速度沉降速度如果气体的停留时间（L/u）≥颗粒的沉降时间（H/ut），尘粒便可分离出来。结论2023/4/3（3）降尘室的性能及工艺参数降尘室的工艺参数及性能指标主要有以下几项：①临界粒径（分离效果）；②临界沉降速度；③最大处理量（生产能力）。2023/4/3——层流区临界粒径计算式①能被除去的最小颗粒直径——临界粒径（dpc）【定义】对于一定的设备（L、W、H）、一定的处理量（qVs）下，能100％被除去的最小颗粒直径称为临界粒径。一般情况下可推得：能被完全（100%）除去的最小颗粒尺寸不仅与颗粒和气体的性质有关，还与处理量和降尘室底面积有关。结论2023/4/3【层流区临界粒径计算式的推导】由L/u（停留时间）＝H/ut

（沉降时间）——斯托克斯（Stokes）定律——层流区临界粒径计算式2023/4/3②临界沉降速度【定义】能100％被除去的最小颗粒所对应的沉降速度称为临界沉降速度，用utc

表示。由L/u（停留时间）＝H/utc

（沉降时间）则有其中qVs——以气体体积流量表示的处理量，m3/s；

A0——降尘室的底面积，m2；

W——降尘室的宽度，m。2023/4/3【临界沉降速度的计算】——层流区临界沉降速度计算式【方法】临界沉降速度可根据临界粒径计算获取。一般情况下，因为考虑的是最小颗粒直径，沉降速度很小，所以可以认为沉降运动处于层流区。据斯托克斯公式：2023/4/3③最大处理量——降尘室的生产能力由式可知：——最大处理量计算式【定义】对于一定的沉降设备和分离要求，所能处理的最大含尘气体量，m3/s。2023/4/3几点说明①含尘气体的最大处理量是与某一粒径对应的，是指这一粒径及大于该粒径的颗粒都能100%被除去时的最大气体量（粒径越大，处理量越大）；②最大的气体处理量不仅与粒径相对应，还与降尘室底面积（A0）有关，底面积越大处理量越大，但处理量与高度无关。为此，降尘室都做成扁平形；③为提高气体处理量，室内以水平隔板将降尘室分割成若干层，称为多层降尘室。2023/4/3常用的隔板间距为40～100mm2023/4/3含尘气体净化气体隔板调节阀门2023/4/3（4）降尘室的计算

【降尘室的计算类型】设计型计算与操作型计算。①设计型计算（由生产任务确定设备尺寸）

已知气体处理量qVs和除尘要求dpc

，求降尘室的大小。（长度和宽度）2023/4/3【例】某降尘室长3米，在常压下处理2500m3/h含尘气体，设颗粒为球形，密度为2400kg/m3，气体密度为1kg/m3，粘度为2×10-5Pa.s，现要求该降尘室能够除去的最小颗粒直径为4×10-5

m，计算降尘室宽度为多少？

例题解答2023/4/3【解】据：设降尘室内颗粒沉降时处于层流区（斯托克斯定律区），即：已知：dPc＝4×10－5mρP＝2400kg/m3

ρ＝1kg/m3

μ＝2×10－5Pa.s∴

2023/4/3∵

故假设成立，计算结果有效。已知qVs＝2500kg/hL＝3m因此降尘室的宽度为：2023/4/3②操作型计算Ⅰ、用已知尺寸（WL）的降尘室处理一定量qVs含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸（临界粒径dpc）；2023/4/3Ⅱ、用已知尺寸（WL）的降尘室处理含尘气体时，计算要求完全除去直径dpc的尘粒时所能处理的气体流量（最大处理量qVs）。式中：2023/4/3【例】有一降尘室长为4m，宽为2m，高为2.5m，内部用隔板分成25层。进入降尘室的炉气密度为0.5kg/m3，粘度为0.035cP，尘粒密度为4500kg/m3。现用此降尘室分离100μm以上的颗粒，试求可处理的炉气流量。

例题解答2023/4/3【解】设沉降处在斯托克斯区。依题意知ρP=4500kg/m3

ρ=0.5kg/m3

dPC=100×10－6mμ=0.035×10－3Pa.s据

∴

而

故假设成立，计算有效。2023/4/3据qVs=A0utc＝WLutc已知L=4mW=2m故每层可处理的炉气流量为：qVs=2×4×0.7＝5.6(m3/s)降尘室共有25层，则处理的总炉气流量为：（qVs）总＝5.6×25＝140（m3/s）2023/4/3（5）有关降尘室的几点说明①气体在降尘室内流通截面上的均布非常重要，分布不均必然有部分气体在室内停留时间过短，其中所含颗粒来不及沉降而被带出室外。为使气体均布，降尘室进、出口通常都做成锥形；2023/4/3降尘室实物图锥形进、出口2023/4/3②为防止操作过程中已被除下的尘粒又被气流重新卷起，降尘室的操作气速往往很低（一般不超过3m/s）；③为保证分离效率（临界粒径小），室底面积也必须较大。因此，降尘室是一种庞大而低效的设备；④通常只能捕获粒径大于50μm的粗颗粒。要将更细小的颗粒分离出来，就必须采用更高效的除尘设备（如旋风除尘器、电除尘器等）。

2023/4/3焙烧炉降尘室旋风分离器电除尘器泡沫塔硫铁矿空气去转化器二氧化硫除尘净化工艺流程简图2023/4/33、增稠器（沉降槽、澄清器）【定义】通过沉降的方法分离悬浮液（液固混合物）的设备。（1）沉降槽的作用①提高悬浮液浓度（增稠器）；②得到澄清液体（澄清器）。（2）沉降槽的分类

分为间歇沉降槽和连续沉降槽。

工业过程中一般采用连续沉降槽。2023/4/3①底部略成锥状的大直径圆槽；②直径小者为数米，大者可达数百米；③高度为2.5~4m；④槽底有一个徐徐转动的搅拌耙，由顶部的电机通过减速机带动。通常小槽耙的转速为1r/min，大槽的约为0.1r/min左右。（3）连续沉降槽的构造2023/4/3连续沉降槽结构示意图2023/4/3园槽锥形底部2023/4/3料井转耙澄清器的内部结构2023/4/3澄清器的倒喇叭