第二篇(第六章) 沉降.ppt

四川农业大学本科生课程环工原理 第二篇分离过程原理 教学要求 1 要求掌握机械分离和传质分离的基本原理2 能够进行分离工艺过程的基本计算 四川农业大学本科生课程环工原理 均相物系 物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系 溶液以及各种气体的混合物都是均相物系 非均相物系 物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的混合物系 几个概念 一 均相物系和非均相物系 四川农业大学本科生课程环工原理 二 非均相物系的分类 按状态分 液态非均相物系 固 液 气分散在液相中 悬浮液 液固物系 指液体中含有一部分固体颗粒乳浊液 液液物系 指一种液体分散在与其不互溶的另一种液体中泡沫液 液气物系 指液体中含有气泡的物系 气态非均相物系 固 液分散在气相中 含尘气体 气固物系 指气体中含有固体颗粒含雾气体 气液物系 指气体中含有少量液滴 粗悬浮系统 d 100 m悬浮系统 1 m d 100 m胶体系统 d 0 1 m 按颗粒大小分 三 连续相与分散相 分散相 分散物质 处于分散状态的物质连续相 分散介质 包围着分散物质而处于连续状态的物质 四 机械分离与传质分离 机械分离 由于非均相物系中连续相与分散相之间具有不同的物理性质 如密度 粒子的大小与另一相分子尺寸等 受到外力作用时运动状态就不同 因而可应用机械方法将它们分开 沉降和过滤 传质分离 利用传质过程实现分离 去除 吸收 吸附 萃取 膜分离 四川农业大学本科生课程环工原理 第六章沉降 第一节沉降分离的基本概念第二节重力沉降第三节其他沉降原理介绍 自学 四川农业大学本科生课程环工原理 第一节沉降分离的基本概念 一 沉降分离的一般原理和类型 原理 将含有颗粒物的流体 水或气体 置于某种力场 重力场 离心力场 电场或惯性场等 中 使颗粒物与连续相的流体之间发生相对运动 沉降到器壁 器底或其他沉积表面 从而实现颗粒物与流体的分离 沉砂池 沉淀池 重力降尘室 电除尘器等等 重力沉降惯性沉降离心沉降扩散沉降 布朗运动电沉降 四川农业大学本科生课程环工原理 二 流体阻力与阻力系数 一 单颗粒的几何特性参数 大小 尺寸 形状 比 表面积 比表面积a 单位体积颗粒所具有的表面积 对于形状规则的球形颗粒 对于不规则的颗粒 四川农业大学本科生课程环工原理 1 颗粒的当量直径 等体积当量直径 等表面积当量直径 等比表面积当量直径 四川农业大学本科生课程环工原理 2 颗粒的形状系数 球形度 四川农业大学本科生课程环工原理 二 流体阻力 对于球形颗粒 根据量纲分析 阻力系数 沉降颗粒在垂直于运动方向上平面上的投影 流体与颗粒之间的相对运动速度 四川农业大学本科生课程环工原理 关于阻力系数CD 颗粒的雷诺数 1 对于球形颗粒 2 对于不规则颗粒 四川农业大学本科生课程环工原理 第二节重力沉降 从沉降过程分析入手 沉降速度 沉降设备分析 沉降效率及沉降设备设计 以球型颗粒为例 在水中作沉降运动时将受重力 浮力 流体阻 曳 力三种力的作用 从沉降过程分析入手 重力Fg 浮力Fb 阻力FD 四川农业大学本科生课程环工原理 以球型颗粒为例 在水中作沉降运动时将受重力 浮力 流体阻 曳 力三种力的作用 从沉降过程分析入手 令F 0 颗粒终端沉降速度 m s 1 对于球形颗粒 由此可见 对于一定的流体体系 颗粒的沉降速度只与颗粒粒径有关 可以根据颗粒粒径求沉降速度 也可以根据沉降速度求颗粒粒径 四川农业大学本科生课程环工原理 二 沉降速度的计算 试差法 摩擦数群法 无量纲判据K 三种计算方法 四川农业大学本科生课程环工原理 1 试差法 先假设沉降属于某一区域 按与该区域对应的沉降速度计算式进行颗粒沉速计算 按求出的ut计算Rep 验证Rep是否在假设区域 颗粒沉降速度计算正确 是 否 重新假设 四川农业大学本科生课程环工原理 2 摩擦数群法 1 已知流体特性和颗粒粒径dp求ut 四川农业大学本科生课程环工原理 计算步骤 四川农业大学本科生课程环工原理 2 已知ut求dp 四川农业大学本科生课程环工原理 计算步骤 四川农业大学本科生课程环工原理 3 无量纲判据K 已知dp求ut 层流区的上限Rep 2 令 作为无量纲判据 则 层流 四川农业大学本科生课程环工原理 3 无量纲判据K 已知dp求ut 紊流区的下限Rep 1000 紊流 计算步骤 思想 已知颗粒直径dp 求出K 判定沉降所属的区 直接选用相应公式计算ut 避免试算 无量纲判据K法总结 四川农业大学本科生课程环工原理 二 沉降分离设备之 重力沉降设备 重力沉降是最简单的沉降分离方法 它既可用于分离气固非均相物系 也可用于分离液固非均相物系 既可用于将混合物系中的颗粒与流体分开 也可用来使不同大小或密度不同的颗粒分开 依据重力沉降原理进行操作的装置称为重力沉降设备 四川农业大学本科生课程环工原理 二 沉降分离设备之 重力沉降设备 1 降尘室 利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室 常见的如图所示 操作原理 含尘气体进入降尘室后 因流动截面积的扩大而使颗粒与气体间产生相对运动 颗粒向室底作沉降运动 只要在气流通过降尘室的时间内颗粒能够降至室底 尘粒便可从气流中分离出来 颗粒降至室底所需时间为t沉 当t停 t沉 尘粒便从气流中分离出来 即有 降尘室一般为矩形方体设备 其长 宽和高分别用l b h表示 两端分别为含尘气体进口和净化气出口 气体流量为qV m3 s 设气体通过降尘室的时间为t停 可见 从理论上讲降尘室的生产能力只与其沉降截面积bl及颗粒的沉降速度ut有关 而与其高度h无关 故可将降尘室做成多层 室内均匀设置若干水平隔板 间距为40 100mm 构成多层降尘室 多层降尘室生产能力 n层水平隔板 qV n 1 ut lb 四川农业大学本科生课程环工原理 多层沉降室 四川农业大学本科生课程环工原理 说明 沉降速度ut应按需要分离下来的最小颗粒计算 气流速度u不应太高 以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起 为此 应保证气体流动的雷诺准数处于层流范围之内 降尘室结构简单 流动阻力小 但体积庞大 分离效率低 通常仅适用于分离直径大于50 m的颗粒 用于过程的预除尘 多层降尘室虽能分离细小的颗粒 并节省地面 但出灰麻烦 例 拟采用降尘室回收常压炉气中所含的固体颗粒 降尘室底面积为12m2 宽和高均为2m 炉气处理量为3m3 s 操作条件下气体密度为0 75kg m3 黏度为2 6 10 5Pa s 固体密度为3000kg m3 求 1 理论上能完全捕集下来的最小粒径 2 粒径为40 m颗粒的回收百分率 3 若完全回收直径为8 m的尘粒 对降尘室应作如何改进 解 1 能完全分离出的最小颗粒的沉降速度 故沉降属于层流区 假设成立 求得的最小颗粒直径有效 ut qV bl 3 12 0 25m s 假设沉降在层流区 则由斯托克斯公式求得最小颗粒粒径 核算沉降流型 2 直径为40 m的颗粒必在层流区沉降 其沉降速度ut 因气体通过降尘室的时间为 t停 lb h qV 12 2 3 8s 故理论上直径40 m的颗粒在此时间内沉降高度h utt停 0 1006 8 0 8048m 设降尘室入口炉气均布 在降尘室入口端处于顶部及其附近的d 40 m的尘粒 因其ut 0 25m s 它们随气体到达出口时还没有沉到底而随气体带出 而入口端处距室底0 8048m以下的40 m的尘粒均能除去 所以40 m尘粒的除尘效率 h h 0 8