第三章机械分离(1、2节)

1、O返回2021-9-26O返回2021-9-26一、非均匀相物系一、非均匀相物系化工生产中处理的物料可分成两大类：化工生产中处理的物料可分成两大类：均相物料均相物料：物料内性质均匀一致而无相界面物料内性质均匀一致而无相界面, ,单相物系。单相物系。非均相物料非均相物料：物料内存在相界面物料内存在相界面, ,且界面两侧性质不同的多相物系。且界面两侧性质不同的多相物系。非均相物系中的名称：非均相物系中的名称：分散相分散相( (分散物质分散物质) )：以小液滴、小颗粒等形式分散开以小液滴、小颗粒等形式分散开, ,在物料中是在物料中是不连续不连续的。的。分散介质分散介质( (连续相连续相) )：将分散

2、相包围，而且处于连续状态的液体或气体，即将分散相包围，而且处于连续状态的液体或气体，即连连 续流体续流体。分散介质分散介质 分散相分散相 非均相物系非均相物系气体气体液体液体固体固体含尘气体含尘气体雾气雾气固体固体液体液体气体气体泡沫液泡沫液悬浮液悬浮液乳浊液乳浊液液体液体O返回2021-9-26 分离分离非均相物质非均相物质中中分散相分散相与与分散介质分散介质是化工生产中的一个重要单元是化工生产中的一个重要单元操作，实现分离操作必须使操作，实现分离操作必须使分散相分散相与与分散介质分散介质之间发生之间发生相对运动相对运动，因此非，因此非均相物系操作过程，遵循均相物系操作过程，遵循流体力学流体

3、力学的基本规律的基本规律。分离分离机械机械分离分离 沉降沉降 过滤过滤 不同的物理性质不同的物理性质 连续相与分散相连续相与分散相发生相对运动的方式发生相对运动的方式 分散相和连续相分散相和连续相 (1)沉降分离沉降分离(重力与离心沉降重力与离心沉降)；(2)过滤；过滤；分离的目的分离的目的1 1、净制分散介质、净制分散介质2 2、收取分散相、收取分散相3 3、劳保与环保等、劳保与环保等常用的分离方法：常用的分离方法：1 1、沉降分离法、沉降分离法2 2、过滤法、过滤法3 3、离心分离法、离心分离法4 4、旋风与旋液分离分离、旋风与旋液分离分离5 5、电除尘法、电除尘法6 6、湿法除尘、湿法除

4、尘二、本章的主要分离方法二、本章的主要分离方法O返回2021-9-26沉降操作沉降操作: : 在外力场在外力场作用下，利用分散相和分散介质之间的作用下，利用分散相和分散介质之间的密度差异密度差异，使之发生，使之发生相对运动相对运动而实现分离的操作过程。而实现分离的操作过程。 沉降属于流体与固体间的相对运动问题，沉降属于流体与固体间的相对运动问题，分三分三种种情情况：况： 流体静止，颗粒相对流体的沉降或浮升；流体静止，颗粒相对流体的沉降或浮升； 固体颗粒静止，流体对固体绕流；固体颗粒静止，流体对固体绕流； 固体与流体均运动，并保持一定的相对速度。固体与流体均运动，并保持一定的相对速度。作用力作用

5、力 重力重力 沉降沉降离心沉降离心沉降 惯性离心力惯性离心力 惯性力作用惯性力作用 重力重力 重力作用重力作用 O返回2021-9-26受地球吸引力的作用而发生的沉降过程受地球吸引力的作用而发生的沉降过程重力沉降重力沉降。1、球型颗粒在流体中的球型颗粒在流体中的自由沉降自由沉降流体静止流体静止：连续相静止：连续相静止(气体或液体静止气体或液体静止)；颗粒降落颗粒降落：分散相为固体分散相为固体, ,与流体有相对运动与流体有相对运动;(;(或固体运动，也可能流体或固体运动，也可能流体 运动因此需要用运动因此需要用伯努利方程伯努利方程解决解决) )。固体颗粒受力分析：固体颗粒受力分析：颗粒沉降过程受

6、三个力的作用颗粒沉降过程受三个力的作用Ff阻力阻力Fb浮力浮力Fg重力重力(1)球形颗粒的球形颗粒的重力重力：gdgVmgFsssg36(2)浮力浮力：gdgVFsb36(3)阻力阻力：242222uduAFfO返回2021-9-26 颗粒刚开始沉降的颗粒刚开始沉降的瞬间阶段瞬间阶段(此阶段极短此阶段极短)： 颗粒作颗粒作加速沉降加速沉降运动，用牛顿第二定律描述运动，用牛顿第二定律描述: : (Fg-Fb)-Ff=ma3)(4gdust为什么颗粒沉降的加速阶段很短？为什么颗粒沉降的加速阶段很短？沉降速度沉降速度自由沉降速度表达式自由沉降速度表达式颗粒沉降阶段：颗粒沉降阶段：颗粒作颗粒作等速沉降

7、等速沉降，颗粒相对于流体颗粒相对于流体的运动速度的运动速度ut称为称为沉降沉降 速度速度，并以此速度达到最终结束，又叫，并以此速度达到最终结束，又叫“终端速度终端速度” ，此时，此时a=0; 也可称为自由沉降速度，即：也可称为自由沉降速度，即：(Fg-Fb)-Ff=0， FgFb+Ff 则则 小颗粒具有小颗粒具有相当大的比表面，相当大的比表面，阻力在阻力在很短时间内很短时间内便与颗粒所受到的便与颗粒所受到的净净重力重力( (重力浮力重力浮力) )接近平衡，接近平衡，在整个过程加速阶段可以忽略，整个沉降在整个过程加速阶段可以忽略，整个沉降认认为是等速阶段。为是等速阶段。O返回2021-9-26t

8、f RettduRe)2Re( ;Re24tt或182gdust(2)流动为过渡流：流动为过渡流： 1Ret1036 . 0Re5 .18t6 . 0Re)(27. 0tstgdu(3)流动为湍流流动为湍流：103Ret2105, =0.44;gdust)(74. 12、阻力系数阻力系数 通过因次分析法得知，通过因次分析法得知，值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数ReRet t的函的函数。数。 对于球形颗粒的曲线，按对于球形颗粒的曲线，按ReRet t值大致分为三个区：值大致分为三个区： 牛顿公式牛顿公式 (1)流动为层流：流动为层流： 10-4Ret1O返回202

9、1-9-26ut 的计算必须先判断流型的计算必须先判断流型Ret；但但Ret式中的式中的ut 又待求。又待求。试差法：试差法：先假定沉降在某个区域先假定沉降在某个区域( (例层流例层流) )，用对应的公式求，用对应的公式求u ut t ；将将u ut t代入代入Ret中验算假定是否合理中验算假定是否合理( (再校核再校核) )；若不符重设若不符重设u ut t ，直至合理为止。直至合理为止。摩擦数群法摩擦数群法阿基米德准数法：阿基米德准数法：ArArgdArs6 . 018Re;)(23全部范围。适用于5102Re;Re;Retttttdudu3、重力沉降速度、重力沉降速度ut的计算的计算：O

10、返回2021-9-26 颗粒作匀速沉降运动时的速度，与流体性质及颗粒的密度、颗粒粒颗粒作匀速沉降运动时的速度，与流体性质及颗粒的密度、颗粒粒径、流动形态等有关，它是一个径、流动形态等有关，它是一个综合特性，综合特性，不是不是操作特性操作特性； 说明说明重力沉降速度重力沉降速度u ut t值值不可以随操作而改变不可以随操作而改变。而流体的流速。而流体的流速u u与与u ut t不不同，同，u u可以通过可以通过V Vs s改变。以层流为例：改变。以层流为例：182gdust自由沉降自由沉降：非均相物系中固体颗粒在沉降过程中不因流体中非均相物系中固体颗粒在沉降过程中不因流体中其它颗粒的其它颗粒的

11、存在存在而受到干扰的沉降。而受到干扰的沉降。 单个颗粒在液相中的沉降或气相中颗粒的沉降可以认为试自由沉降单个颗粒在液相中的沉降或气相中颗粒的沉降可以认为试自由沉降。4、影响重力沉降速度的因素、影响重力沉降速度的因素干扰沉降干扰沉降： 由于固体颗粒的浓度大，颗粒在沉降过程中，颗粒之间由于固体颗粒的浓度大，颗粒在沉降过程中，颗粒之间相互相互 干扰，器壁对干扰，器壁对沉降过程的影响，称为沉降过程的影响，称为干扰沉降或受阻沉降干扰沉降或受阻沉降。 干扰沉降速度干扰沉降速度 流体的密度流体的密度,则发生沉降；则发生沉降； 颗粒的净重力颗粒的净重力 50 d50 m m的颗粒。的颗粒。 已知已知V Vs

12、s、降尘室尺寸；求：可全部沉降的最小颗粒直径、降尘室尺寸；求：可全部沉降的最小颗粒直径d dminmin。tsssugbLVgd)(18)(18minO返回2021-9-26 悬浮液通过沉降槽后，可分为清液和稠厚的沉渣。沉降槽悬浮液通过沉降槽后，可分为清液和稠厚的沉渣。沉降槽有澄清液体和增浓悬浮液的双重功能。有澄清液体和增浓悬浮液的双重功能。 用于分离悬浮液的用于分离悬浮液的设备。设备。 2、重力沉降设备、重力沉降设备2沉降槽沉降槽： 又称为又称为增稠器或澄清器增稠器或澄清器，处理悬浮液用的沉降设备。，处理悬浮液用的沉降设备。沉降槽沉降槽是用来提是用来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的重力沉降

13、设备。高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的重力沉降设备。只起增稠作用，得不只起增稠作用，得不到固体的彻底分离。到固体的彻底分离。常见的污水处理就是一例。常见的污水处理就是一例。 O返回2021-9-26(1)自由沉降自由沉降与与自由落体自由落体不同不同 自由沉降自由沉降是是指在沉降过程中，颗粒不受流体中其它指在沉降过程中，颗粒不受流体中其它粒子干扰，但由于颗粒较小，所以不能忽略流体对它产粒子干扰，但由于颗粒较小，所以不能忽略流体对它产生的浮力和阻力；生的浮力和阻力； 自由落体自由落体是是体积与密度都较大，但流体对物体产生体积与密度都较大，但流体对物体产生的浮力及阻力与重力相比小的多，所以自由落体不

14、及流的浮力及阻力与重力相比小的多，所以自由落体不及流 体对物体产生的阻力和浮力。体对物体产生的阻力和浮力。(2)(2)自由沉降自由沉降与干扰沉降与干扰沉降不同不同O返回2021-9-26依靠依靠惯性离心力惯性离心力的作用而实现的沉降过程，称为的作用而实现的沉降过程，称为离心沉降离心沉降。适用于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。适用于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。1、离心沉降速度离心沉降速度： 当含尘气体进入圆筒中作圆周运动时，便形成了在当含尘气体进入圆筒中作圆周运动时，便形成了在离心力场的作用下的运动，即离心运动离心力场的作用下的运动，即离心运动, ,对应其离心沉降

15、对应其离心沉降速度。速度。一个颗粒在离心力场中的受力分析一个颗粒在离心力场中的受力分析：1)惯性离心力惯性离心力Ft:与重力场中的与重力场中的重力相似重力相似, ,切向速度为切向速度为u uT T。( (uT2 2/R/R) )离心力场的加速度。离心力场的加速度。2)向心力向心力FI:与重力场中与重力场中浮力相似浮力相似，方向沿半径指向旋转中心。，方向沿半径指向旋转中心。3)阻力阻力Ff:方向为与颗粒径向运动方方向为与颗粒径向运动方向相反，与向相反，与向心力方向相同向心力方向相同。RudFTI236/;2422smuudFrrf相对速度：颗粒与流体在径向的RudFTst236O返回2021-9

16、-26 颗粒在径向上相对于流体的速度颗粒在径向上相对于流体的速度u ur r, ,叫颗粒在位置叫颗粒在位置r r的的离心沉降速度离心沉降速度u ur r：RuduTsr234若颗粒与流体的相对运动为若颗粒与流体的相对运动为层流：层流：Re24离心沉降速率离心沉降速率:RuduTsr2218离心分离系数离心分离系数Kc：同一颗粒在同一介质中的同一颗粒在同一介质中的离心沉降速度离心沉降速度ur与与重力沉降速度重力沉降速度uT之比。之比。gRuuuKTtrc2例如；当旋转半径例如；当旋转半径R R=0.4m=0.4m，切向速度切向速度u uT T=20m/s=20m/s时，时，求分离因数。求分离因数

17、。1022gRuKTc三个力达平衡三个力达平衡：02466222222rTTsudRudRudu uT T切向速度切向速度O返回2021-9-26离心沉降离心沉降与与重力沉降生产操作方面重力沉降生产操作方面的的比较比较: 离心沉降速度离心沉降速度u ur r中的中的R R为旋转半径，也是设备半径为旋转半径，也是设备半径可以改变其大可以改变其大小小; ;颗粒与流体的相对运动为层流：颗粒与流体的相对运动为层流：=24/Re=24/Re阻力系数与重力沉降的层阻力系数与重力沉降的层流相同。流相同。沉降类型沉降类型外力场强度比较外力场强度比较生产能力生产能力Vs 比较比较离心沉降速度离心沉降速度重力沉降

18、速度重力沉降速度RuduTsr2218)(gdust18)(2%100121cccVS ，u0 颗粒颗粒停留时间短，则使停留时间短，则使 为了增大沉降为了增大沉降效率效率：使设备满负荷使设备满负荷的方法：的方法：ur 若：若：VS ，则：则：L设备加长或放隔板设备加长或放隔板O返回2021-9-26分离分离 气固混合物气固混合物旋风分离器旋风分离器 液固混合物液固混合物旋液分离器旋液分离器O返回2021-9-26(1)结构特点：结构特点：上部为圆柱形，下部为圆锥形上部为圆柱形，下部为圆锥形(2)作用原理：作用原理： 含尘气体含尘气体切线进入，产生离切线进入，产生离心力，颗粒受到壁面的约束而旋心

19、力，颗粒受到壁面的约束而旋转，向下作转，向下作下行旋转下行旋转：外旋流，外旋流，称为称为除尘区除尘区；在此过程颗粒被甩；在此过程颗粒被甩出气流；分散相与分散介质分离。出气流；分散相与分散介质分离。 经除尘后气体经除尘后气体上行旋转上行旋转：内旋内旋流流；尘粒沿壁面落入锥底；尘粒沿壁面落入锥底；而气而气体体到锥底部后，压强改变而上升。到锥底部后，压强改变而上升。内、外旋流的旋转方向相同。内、外旋流的旋转方向相同。O返回2021-9-26产生压强差：产生压强差：分离器内静压强的分布不分离器内静压强的分布不 同同靠近壁面处：靠近壁面处：压强压强最高，最高，仅仅稍稍低于仅仅稍稍低于 进口处压强；进口处

20、压强；中心处中心处: :压强逐渐降低，在压强逐渐降低，在中心轴中心轴处可处可降降至出口压强以下至出口压强以下, ,压强改变压强改变( (流道变窄流道变窄) ), ,除除尘后气体转为向上的运动，从上部排出。尘后气体转为向上的运动，从上部排出。2、旋风分离器性能的主要操作参数：、旋风分离器性能的主要操作参数：气体处理量，气体处理量，V;V;分离效率；分离效率；气体通过旋风分离器的气体通过旋风分离器的压强降。压强降。(1)(1)气体处理量气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速量是旋风分离器最

21、主要的操作参数。一般入口气速u ui i在在151525m/s25m/s。旋风分离器的处理量旋风分离器的处理量: :hBuViO返回2021-9-26(2)(2)临界粒径：临界粒径： 理论上在旋风分离器中能够被分离出的理论上在旋风分离器中能够被分离出的最小颗粒直径最小颗粒直径。判断分离效判断分离效率的重要依据。率的重要依据。 旋风分离器的理论估算是在以下三旋风分离器的理论估算是在以下三个假设下进行的个假设下进行的。假设：假设：1) 1)进入旋风分离器的气流严格按螺旋路线运动，进入旋风分离器的气流严格按螺旋路线运动，颗粒颗粒 与气体速度相同、恒定与所在位置无关，与气体速度相同、恒定与所在位置无关

22、，切线速度切线速度 等于等于进口速度；进口速度；2) 2)颗粒沉降所穿过的气体最大厚度层为进口宽度颗粒沉降所穿过的气体最大厚度层为进口宽度B B的的 气流层，达到壁面后，被沉降出来，沉降距离：气流层，达到壁面后，被沉降出来，沉降距离： B=D/4B=D/43) 3)颗粒与气体的相对运动为颗粒与气体的相对运动为层流层流，作，作自由沉降自由沉降。O返回2021-9-26 s g, s-g s,旋转半旋转半径取平均半径径取平均半径r rm m则气体流中颗粒的则气体流中颗粒的离离心沉降速度为心沉降速度为: :misrRudu1822颗粒穿过颗粒穿过B B到达到达壁面的壁面的沉降时间沉降时间: :221

23、8ismrtudBRuB气流的有效旋转圈数为气流的有效旋转圈数为Ne,Ne,则颗粒在筒内的则颗粒在筒内的停留时间停留时间: :emiemNRuNR2 ;2(3)临界粒径临界粒径dmin的计算的计算:颗粒所需颗粒所需沉降时间沉降时间恰好恰好= =颗粒的颗粒的停留时间停留时间理论上该理论上该粒径粒径的颗粒能完全被分离出来，即为的颗粒能完全被分离出来，即为临界粒径临界粒径 d dminmin：iemismuNRudBR21822min5;9mineiseNuNBdO返回2021-9-26(4)临界粒径的影响因素：临界粒径的影响因素： B B为旋风分离器的进口宽度与为旋风分离器的进口宽度与D/D/4

24、4倍数关系倍数关系, ,而而D D与设备半径与设备半径R R成正比成正比; ; D D d dminmin 分离效率分离效率 ; ; 因此设备尺寸越小因此设备尺寸越小: :d dminmin , , 分离效率高。分离效率高。d dminminBB1/21/2321/:mgcc、3、分离效率、分离效率 分离效率分离效率 总效率总效率o 进入旋风分离器的全部粉尘中实际被分离进入旋风分离器的全部粉尘中实际被分离下来的粉尘的质量分率下来的粉尘的质量分率 %1001210CCC粒级效率粒级效率pi 进入旋风分离器的粒径为进入旋风分离器的粒径为d di i的颗粒被分的颗粒被分离下来的质量分率离下来的质量分率 %100121iiipiCCC 总效率总效率是最常用的效率，但缺点是不能表明旋风分离器对各种粒径的不同分离效果。是最常用的效率，但缺点是不能表明旋风分离器对各种粒径的不同分离效果。 含尘气体中颗粒大小是不均匀的，气体通过分离器后，各种尺寸粒径被分离出来的含尘气体中颗粒大小是不均匀的，气体通过分离器后，各种尺寸粒径被分离出来的百分率不相同。百分率不相同。O返回20