化工原理14.非均相物系的分离-沉降

非均相物系的分离-沉降

一、颗粒及混合颗粒的特性二、沉降重力沉降离心沉降沉降分离设备主要内容一颗粒的特性大小d

颗粒的特性比表面积形状1、对于球形颗粒，常用直径d作为特征长度，其体积、表面积和比表面积为：球形颗粒非球形颗粒式中：a——单位体积颗粒所具有的表面积，m2/m3。对一定直径的颗粒，比表面积一定；颗粒的直径愈小，比表面积愈大，因此可以根据比表面积的大小，来表示颗粒的大小，特别是微小颗粒。2.非球形颗粒-形状的描述

①颗粒的球形度φ

表明：颗粒形状接近于球形的程度；

φ↑，则颗粒越接近于球形。球形颗粒：球形颗粒非球形颗粒非球形颗粒：常用颗粒的当量直径和球形度表示其特性。(2)描述颗粒大小

(1)体积当量直径de：与实际颗粒体积Vp相等的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的当量直径。即：(2)比表面积当量直径de,a：比表面积等于实际颗粒比表面积的球形颗粒的直径，定义为非球形颗粒的比表面积当量直径。即：对非球形颗粒必须有两个参数才能确定其几何特性，通常选用de和

s来表征。1.3颗粒群的特性(1).粒度分布按颗粒尺寸对颗粒群进行排列划分的结果称为粒度分布。根据颗粒大小的范围不同，采用不同的方法测量颗粒群的粒度分布，对工业上常见的尺寸大于40μm的颗粒群，一般采用标准筛进行测量，称为筛分。a.筛分：标准筛由一系列筛孔大小不同的筛组成，筛的筛网由金属丝网制成，筛孔呈正方形。一套标准筛的各个筛的网孔大小按标准规定制成，通用的是泰勒(Tyler)标准筛系列。筛网上每英寸长度上的孔数作为筛号，也称为目，且每个筛的筛网金属丝的直径也有规定，因此一定目数的筛孔尺寸一定。如100号筛，1英寸长有筛孔100个，它的筛网的金属丝直径规定为0.0042in，故筛孔的净宽度为：(1/100-0.0042)=0.0058in=0.147mm，因而筛号愈大，筛孔愈小，相邻筛号的筛孔尺寸之比为20.5(即筛孔面积按2的倍数递增)。混合颗粒的特性参数

(1)颗粒的筛分尺寸

标准筛：有不同的系列，常用泰勒标准筛。

筛号(目数)：每英寸长度筛网上的筛孔数目；

筛过量：通过筛孔的颗粒量；

筛余量：截留于筛面上的颗粒量。颗粒的筛分尺寸(2)颗粒群的平均特性参数

①平均比表面积：

di-1didi+1di+2②颗粒群的等比表面积当量直径根据其筛分尺寸dpi和对应筛余物的质量分率可得到颗粒群的粒度分布，分别以表格，图示或分布函数曲线表示之。二、沉降流体与固体颗粒相对运动规律，沉降分离过程的基础相对运动条件：流体与固体颗粒有密度差外力场：重力、离心力在重力作用下的沉降称为重力沉降；在离心力作用下的沉降称为离心沉降。①颗粒静止，流体绕过颗粒流动；

②流体静止，颗粒流动；③颗粒和流体都运动，维持一定相对速度。3.3.1流体绕过颗粒的流动

(1)曳力阻力：颗粒对流体的作用力；曳力：流体对颗粒的作用力。流体和颗粒相对运动的情况：二.沉降--流体和颗粒的相对运动不同颗粒的形状

水平方向，颗粒所受曳力：

流体流过固体时，固体表面的受力情况：

作用在颗粒上的曳力a.粘性引起的表面曳力b.表面压差引起的形体曳力总曳力FD=表面曳力＋形体曳力可由因次分析法求解曳力：(2)曳力系数通过因次分析，解得：Ap：颗粒在运动方向上的投影面积；ζ：曳力系数,可由实验测定曳力系数ξ与ReP的关系：（1）圆球（2）圆盘（3）圆柱实验获得ξ与Re0的关系：10-410-310-210-11.01010210310410510610-11.010102103105Re0ξ（1）（2）（3）层流区：Rep<2；b.过渡区：2<Rep<500；

c.湍流区：Rep>500StokesLaw3.3.2颗粒与流体的相对运动

(1)颗粒在力场中的受力分析

合力：①质量力

②浮力③曳力颗粒受力分析FeFDFb(2)颗粒的运动情况运动方向：沿合力方向颗粒运动的两个阶段：加速阶段、恒速阶段简化：加速阶段很短，忽略不计。认为全过程中，颗粒匀速运动。①加速阶段：

②恒速阶段：

终端速度:

颗粒在流体中匀速运动的速度。颗粒受力分析FeFDFb（1）重力沉降速度u0

重力-浮力-阻力=颗粒质量×加速度

重、浮一定，u

，阻力

，加速度加速度=0时，u=u0——沉降速度其它条件相同时，小颗粒后沉降。◆

影响沉降速度的因素其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。其它条件相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。

①颗粒直径

②流体密度

③颗粒密度

◆沉降速度计算当处于层流区时：Rep<2；有：StokesVelocity由以上分析可知，u0的计算有以下两个方程：注意：1.求雷诺数时的密度、粘度为流体性质，而不是颗粒性质；而直径、流速则为颗粒参数。2.求雷诺数时的速度为颗粒匀速运动速度，因此在求解颗粒运动速度时需要进行试算或者采用无因次数群法。无因次数群法：根据给定的dp，可以求得相应的不同的Re，可以求得不同的通过上述数据可以作出关于Re和的关系图。，进而依据关系图求得相应的Re，最后可依据雷诺数定义求得速度值。当已知沉降速度求解颗粒直径时，可以采用类似的方法。(3)不均匀颗粒的沉降速度粒径不同时，大颗粒沉降速度快，小颗粒沉降速度慢。除去所有颗粒，应以最小颗粒直径计算ut

。

颗粒分级时，以不同粒度，分别进行计算ut

。(4)影响沉降速度的其它因素干扰沉降------颗粒沉降时彼此影响了解一下就可以第二节重力沉降第二节重力沉降3.4.3离心沉降速度的计算(1)离心沉降速度

计算方法：同重力场，重力→离心力；

离心沉降速度ur：随颗粒旋转半径r变化。如果离心沉降在层流区，则：有：分离因数当r=0.4m，ω

＝50/s时，有Kc=102是重力沉降的102倍可见离心分离的效果远比重力沉降好，而且离心沉降还可以人为地强化。说明:分离因数是评价离心分离设备的重要指标

KC越大，分离效能越高。重力沉降设备(1)降尘室

①结构及工作原理

入口截面：矩形

随气体的水平流速u；颗粒沉降速度ut。降尘室底面积：含尘气体积流量：含尘气流通截面积：颗粒运动速度分解：集尘斗气体入口气体出口含尘气体净化气体颗粒降尘室操作示意图颗粒的停留时间颗粒的沉降时间②颗粒分离(沉降)条件③生产能力(可处理的尘气体积流量q

V)说明：生产能力由底面积、沉降速度决定，与降尘室高度无关，多用扁平形状或多层降尘室(层高40-100mm)含尘气体净化气体临界条件(能100%去除的颗粒)只要保证沉降时间小于停留时间，颗粒均可除去，取：对于细小颗粒，设在层流区沉降，有：则可100%去除的颗粒直径为：当dp,min一定时，可求得u0，沉降室的最大处理量为：可知，处理量仅与底面积有关，而与高度无关。离心沉降设备工业上应用的两种型式：旋流器和离心沉降机。旋流器：设备静止，流体旋转运动；离心沉降机：设备本身和液体一起旋转。(1)旋风分离器基本结构与操作原理在离心力作用下，利用密度差将气固分离。

进气口形状：矩形

尺寸：进口管B；

圆柱筒直径D(主要尺寸)；

排气口直径D1。进气排气出灰口旋风分离器示意图B2.旋风分离器1)构造与操作矩形入口，切线进入10～25m/sKc=5～2500去除粒径：5～75μm2)性能a.临界粒径dcb.分离效率c.压强降a.临界粒径:能被完全分离下来的最小粒径。三点假设：1.切向速度＝入口气速，严格螺旋等速运动2.颗粒须穿过厚度为B的气层3.颗粒在层流区作离心沉降由于有：r为平均半径则颗粒沉降时间为：设：气体旋转圈数为N，则停留时间为：当时，对应粒径为临界粒径：b.分离效率粒级效率：按各种粒度表示被分离的质量分数总效率：全部颗粒中被分离的质量分数依据临界粒径的公式，有：当颗粒与壁面相距为B’时，有：BB’总分离效率：xi

为粒度为di的颗粒占总颗粒的质量分数。c.压强降旋风分离器的入口气体速度控制在10-25m/s范围内为佳，压降为500～2000Pa。对于标准旋风分离器阻力系数取8。本节小结二.颗粒在流体中沉降受力分析：表面曳力、形体曳力三.颗粒的曳力系数四.球形颗粒的终端沉降速度五.沉降分离设备一.颗粒与混合颗粒的表征参数已知非球形颗粒的体积为Ｖ，则该颗粒的等体积球径（当量直径中最常用的一种）为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。非球形颗粒的当量直径的一种是等体积球径，它的表达式为______。

Adp＝6V/A

此处V为非球形颗粒的体积，A为非球形颗粒的表面积

Bdp＝(6V/

)1/3Cdp＝(4V/

)1/2D

dp＝(kV/

)1/3(k