颗粒的沉降(3版).pps

5 颗粒的沉降,Settling of Particles,5.1 概述,5.1.1 均相物系和非均相混合物系 （1）均相物系(homogeneous system) ： 物系内部各处物料性质均匀，不存在相界面的混合物系。 （2）非均相物系(non-homogeneous system)： 物系内部有明显的相界面存在，界面两侧物料的性质不同的混合物系。 非均相物系组成： 连续相：流体（气体或液体） 分散相：固体颗粒,5.1.2 沉降分离,由于密度差异，在外力作用下，使两相发生相对运动，从而达到分离的目的 重力沉降(gravity settling) 离心沉降(centrifuge settling),5.1.3 应用,（1）回收分散物质 （2）净制分散介质 （3）环保,5.2 重力沉降(gravity settling),5.2.1 球形颗粒的自由沉降(free settling) 自由沉降：单个颗粒或发生在稀疏颗粒流体中的沉降 干扰沉降(hindered settling)：颗粒沉降会受到其他颗粒的影响,5.2.2 自由沉降速度,（1）受力分析 光滑球形颗粒： 质量m，截面积Ap，直径dp、密度p 静止流体：粘度，密度 重力场中：,u 颗粒相对于流体的运动速度，m/s 曳力系数(drag coefficient)，无量纲,（2）沉降运动的两个阶段,根据牛顿第二定律： FgFbFDma 即：,过程开始瞬间，u0， FD0，aamax； 随着颗粒的下落，u ，FD，a； 沉降过程中，加速阶段常常可忽略不计。,加速阶段：,等速阶段： 三力达到平衡，即FDFgFb ， a0 uut ut 沉降速度(settling velocity),重力沉降速度基本方程式,（3）讨论,dp，ut 两相密度差， ut，有利分离 气固两相，p,ut为两相相对运动速度： 两相可同向运动、反向运动 可固体静止、流体运动,5.2.3 曳力系数,球形颗粒Rep关系图（p.145，图5-2） （1）斯托克斯(Stokes)定律区（滞流区/层流区）: Rep2, 斯托克斯公式,（2）阿仑（Allen）区（过渡区）：2Rep500,（3）牛顿(Newton)定律区（湍流区）：500Rep2105, 阿仑公式,牛顿公式,5.2.4 球形颗粒沉降速度的计算,分析： 若ut未知 Rep未知未知 无法选择计算公式无法计算ut 计算步骤： 假设某种流型 计算出ut 校核Rep 例5-1（p.147),5.2.5 影响沉降速度的因素,（1）干扰沉降(hindered settling) 颗粒间相互作用，使ut，曳力FD 颗粒体积浓度， ut （2）壁效应 (wall effect) 容器壁、底对颗粒的作用，使FD， ut （3）颗粒形状 偏球形越远， FD， ut （4）分子运动 当dp 0.5m时，布朗运动的影响起主要作用 （5）气泡和液滴的运动 液滴与气泡在流动中会变形和产生内部循环流动,5.2.6 重力沉降分离设备,（2）特点： 分离气、固两相 结构简单，流动阻力小 但体积庞大，分离效率低 适用于除去dp50m的粗颗粒，一般作预除尘用,5.2.6.1 降尘室(dust settling chamber) （1）结构,颗粒停留时间：,颗粒沉降时间：,理论上100%分离条件：,rt,（3）分离条件,对一定物系，降尘室处理能力（生产能力）qV与沉降面积A底有关，与高度H无关 多层（n层）降尘室： 沉降面积nBL，处理能力 临界沉降速度：,若在层流区，则,临界粒径dmin：能100%分离的最小颗粒粒径,多层降尘室，沉降面积，dmin，分离效果,（4）降尘室计算问题,计算类型 设计型：已知生产任务、分离要求等，求沉降面积 操作型：降尘室已定，核算处理能力 计算临界粒径dmin dmin，设备的分离能力 计算方法：试差法 例：若在Stokes区沉降，则：,校核流型, 多层降尘室 n块隔板，则降尘室沉降面积=（n+1）BL qV（n+1）BLut 颗粒除去百分率 若dp dmin，则除去率：,例：若在Stokes区沉降，则：,5.2.6.2 增稠器(thickener),分离悬浮液 又称 澄清器(clarifier) 沉降槽(gravity settler/decanter) 结构：,5.2.6.3 分级器,可对悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗分级 结构与原理：,思考题：,一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律沉降，若空气温度由20升至50，则其沉降速度将_ 。 在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间_ ，气流速度_，生产能力_。 在滞流(层流)区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的_次方成正比；在湍流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的_次方成正比。,增加一倍,降为一半,不变,二,1/2,自由沉降的意思是（ ） （A）颗粒在沉降过程中受到的流体阻力可忽略不计 （B）颗粒开始的降落速度为零，没有附加一个初始速度 （C）颗粒在降落的方向上只受重力作用，没有离心力等的作用 （D）颗粒间不发生碰撞或接触的情况下的沉降过程 粒子沉降过程分_阶段和_ 阶段。颗粒沉降速度是指_ 时相对于_ 的速度。 重力沉降速度随着颗粒直径的增加而_ 。,加速,等速,等速,流体,降尘室没有以下优点（ ） A)分离效率高 B)阻力小 C)结构简单 D)易于操作 粒子沉降受到的流体阻力（ ） （）恒与沉降速度的平方成正比 （）与颗粒的表面积成正比 （）与颗粒的直径成正比 （）在滞流区与沉降速度的一次方成正比 一降尘室长5m，宽2.5m，高1.1m，中间装有10块隔板，隔板间距为0.1m现颗粒最小直径 10其沉降速度为0.01m/s，欲将最小直径的颗粒全部沉降下来, 含尘气体的最大流速不能超过_ m/s。,0.5,上次课复习：,5.1 概述 5.1.1 均相物系和非均相混合物系 5.1.2 沉降分离 5.1.3 应用 5.2 重力沉降 5.2.1 球形颗粒的自由沉降 5.2.2 自由沉降速度 （1）受力分析 （2）沉降运动的两个阶段,5.2.3 曳力系数 层流区：Rep2,Stokes公式：,过渡区：2Rep500,湍流区：500Rep2105,5.2.4 球形颗粒沉降速度的计算,5.2.5 影响沉降速度的因素,（1）干扰沉降,（2）壁效应,（3）颗粒形状,（4）分子运动,（5）气泡和液滴的运动,5.2.6 重力沉降分离设备 （1）降尘室 分离条件 处理能力：,临界粒径,（2）增稠器,（3）分级器,受力分析： 离心力场中,三力平衡时，离心沉降速度：,5.3 离心沉降 (centrifuge settling),5.3.1 离心沉降速度,方向： 重力沉降：竖直向下 离心沉降：离心方向 大小：颗粒质量一定时 重力沉降速度恒定 离心沉降速度随旋转半径及旋转速度而发生变化,重力沉降与离心沉降区别,重力沉降：,离心沉降：,离心加速度,5.3.2 离心分离因素(separation factor),反映了离心沉降设备的效能为重力沉降设备的倍数,离心分离因素：同一颗粒所受离心力与重力 （离心加速度与重力加速度之比）,若转速为N（r/min），则,5.3.3 离心沉降设备,5.3.3.1 旋风分离器(cylone),（1）构造和操作原理,构造： 进气管、上筒体、下锥体和中央排气管等 主要结构参数：筒体直径D，其它尺寸以D为标准（p.154，图5-14，15） 特点： 结构简单，造价低廉，无运动部件，操作范围广 一般用来除去气流中粒径5m以上的尘粒,操作原理： 含尘气体：由矩形进气管切向进入，自上而下作圆周运动。 颗粒：离心沉降，沿壁面落下，自锥体排出进入灰斗。 净化气：顶部排气管排出,（2）旋风分离器的分离效率,总效率0 全部粉尘中被分离下来的质量百分率，即：,C进、C出旋风分离器进口、出口气体中的含尘浓度，g/m3,分效率(粒级效率) i,各种粒度分别被分离下来的质量百分率：,Ci进、Ci出粒径为di的颗粒在旋风分离器进口、出口气体中的含尘浓度，g/m3。,粒级效率图：,dpc (d50)分割粒径，粒级效率恰为50%的颗粒直径,同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通用同一条粒级效率曲线,总效率与分效率间的关系,总效率取决于分效率和粒度分布： o=xii xi 粒径为di的颗粒的质量分率 （3）旋风分离器的压降, 阻力系数，同类型的旋风分离器相等 u 进口气速，m/s,（4）说明,当入口气速u，即切向速度uT，沉降速度ut，有利分离 当入口气速一定时，r，则 ut，故旋风分离器尺寸越小，则分离效率 粗短型：处理量大，压降较小，分离效率低 细长型：处理量小，压降大，分离效率高 D，处理量，可将多个小旋风分离器并联使用,5.3.3.2 旋液分离器(hydraulic cyclone),分离悬浮液，粒径：1040m 结构和工作原理：与旋风分离器类似 分离同样颗粒，比旋风分离器尺寸小,ut,5.3.3.3 离心机(centrifuge),离心力是由设备（转鼓）本身旋转而产生的，可产生很大的离心力 可用来分离用一般方法难于分离的悬浮液或乳浊液 悬浮液：颗粒沉积于转鼓内壁，液体集中于中央 乳浊液：两种液体按轻重分层，重者在外，轻者在内,（1）转鼓式离心机 (bowl centrifuge),（2）碟式分离机(disk centrifuge),（3）管式离心机(tubular-bowl centrifuge),当旋转半径为，每秒钟转速为，则分离因数为。当旋转物圆周速度为T , 则分离因数为。 旋风分离器当切向进口气速相同时，随着旋风分离器的直径越大，其离心分离因数越 _ ；当旋转角速度一定时，离心分离机随着转鼓直径的增大其离心分离因数越_ 。 一般而言，旋风分离器长、径比大及出入口截面小时，其分离效率_。 A)高 B)低,4r n2,UT2 /gr,小,大,思考题：,化工设备中用到离心沉降原理的设备有_ 、_ 和_等。 旋风分离器性能之一的临界粒径，是指在旋风分离