第三章非均相混合物分离及固体流态化-2324重力沉降学时

1第三章、非均相混合物分离及固体流态化通过本章学习，掌握沉降、过滤等过程的原理、计算方法、典型设备的结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理选择设备。学习目的与要求2概述物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物

非均相混合物分散相或分散物质：处于分散状态的物质（如分散在流体中的固体颗粒、液滴、气泡等）连续相或分散介质：包围着分散相而处于连续状态的物质（如气态非均相混合物中的气体、液态非均相混合物中的液体）。3概述机械分离方法，即利用非均相混合物中两相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等）的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。机械分离方法过滤：流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。沉降：颗粒相对于流体运动而实现悬浮物系的分离过程。4概述非均相混和物分离的应用：（1）收集分散物质。如：收集从气流干燥器出来气体中夹带的固体颗粒。（2）净化分散介质。如：净化原料气。（3）环境保护。5第三章、非均相混合物分离及固体流态化3.1

沉降分离原理及设备3.1.1

颗粒相对于流体的运动6一、颗粒的特性1.球形颗粒：球形颗粒的尺寸由直径d确定。比表面积体积表面积72.非球形颗粒：需要形状和大小两个参数来描述其特性（1）球形度（3－5）颗粒的表面积与该颗粒体积相等的球体的表面积非球形颗粒球形颗粒一、颗粒的特性8（2）颗粒的当量直径体积当量直径比表面积当量直径两者关系一、颗粒的特性9非球形颗粒的特性，即比表面积体积表面积一、颗粒的特性10二、 球形颗粒的自由沉降图3-1沉降颗粒的受力情况11颗粒受到三个力重力浮力阻力二、 球形颗粒的自由沉降阻力系数或曳力系数12根据牛顿第二运动定律二、 球形颗粒的自由沉降分析颗粒运动情况：加速度最大阻力加速度加速度=0加速度=0加速段匀速段13沉降速度匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度，由于该速度是加速段终了时颗粒相对于流体的运动速度，故又称为“终端速度”，也可称为自由沉降速度。（3-15）二、 球形颗粒的自由沉降14三、 阻力系数（曳力系数）通过量纲分析可知，是颗粒与流体相对运动时雷诺数Ret和球形度s的函数随Ret及s

变化的实验测定结果见图3-2。15图3-2关系曲线

16对球形颗粒

关系曲线大致可分为三个区域爬流（又称蠕动流Creepingflow）（3-17）滞流区或斯托克斯(Stokes)定律区（3-20）三、 阻力系数（曳力系数）17过渡区或艾仑（Allen）定律区（3-18）（3-21）三、 阻力系数（曳力系数）18（3-19）（3-22）湍流区或牛顿（Newton）定律区三、 阻力系数（曳力系数）19滞流区湍流区过渡区表面摩擦阻力形体阻力三、 阻力系数（曳力系数）20四、 影响沉降速度的因素自由沉降干扰沉降沉降过程中，任一颗粒的沉降不因其它颗粒的存在而受到干扰如果分散相的体积分率较高，颗粒间有明显的相互作用，容器壁面对颗粒沉降的影响不可忽略，这时的沉降称为干扰沉降或受阻沉降。21在实际沉降操作中，影响沉降速度的因素有：1、流体黏度在层流沉降区内，流体黏性引起的表面摩擦力占主导地位，过渡期二者都不可忽略；湍流区黏性对沉降速度已无影响。2、颗粒的体积分数当体积浓度<0.2%,各ut

的理论计算值偏差<1%；体积浓度较高时发生干扰沉降。四、 影响沉降速度的因素223、器壁效应当颗粒离器壁较近时，颗粒沉降迫使连续相也有一定的流动，而不动的器壁又阻滞着这种流动，结果显示ut

变慢。4、颗粒形状的影响

颗粒形状越偏离球形，沉降时阻力也越大。另外，∵d太小会产生布朗运动,∴当d<0.5μm时不宜使用自由沉降速度计算式。Ret>10-4可忽略布朗运动影响。(3-23)四、 影响沉降速度的因素23第三章、非均相混合物分离及固体流态化3.1

沉降分离原理及设备3.1.1

颗粒相对于流体的运动3.1.2重力沉降24一、 重力沉降速度的计算1、试差法假设沉降属于某一流型计算沉降速度核算Ret

252、摩擦数群法曲线图，最后由Ret反求ut，即查先计算一、 重力沉降速度的计算2627若要计算介质中具有某一沉降速度ut

的颗粒的直径，可先令查曲线图，可求直径d，即一、 重力沉降速度的计算28293、量纲为一数群判据：

K≤2.62为斯托克斯定律区，2.62<K<69.1为艾仑定律区，K>69.1为牛顿定律区。一、 重力沉降速度的计算30二、重力沉降设备1、降尘室降尘室是依靠重力沉降从气流中分离出固体颗粒的设备31图3-4降尘室示意图二、重力沉降设备气流水平通过降尘室速度沉降速度动画1332或位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为气体通过降尘室的时间为

欲使颗粒被分离出来，则降尘室高沉降速度降尘室长气流水平通过降尘室速度二、重力沉降设备33根据降尘室的生产能力，气体在降尘室内的水平通过速度为整理得降尘室生产能力（3-30）上式表明，理论上降尘室的生产能力只与其沉降面积及颗粒的沉降速度有关，而与降尘室高度H无关。二、重力沉降设备H/ut≤L/u34多层降尘室理论上降尘室的生产能力只与其沉降面积及颗粒的沉降速度有关，而与降尘室高度H无关。故降尘室应设计成扁平形，或在室内均匀设置多层水平隔板，构成多层降尘室。如P135图3-5.对设置了n层水平隔板的降尘室，其生产能力为：（3-30a）二、重力沉降设备35降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常只适用于分离粒度大于50m的粗粒，一般作为预除尘使用。多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省占地面积，但清灰比较麻烦。二、重力沉降设备36用降尘室回收常压炉气中球形固粒，室底bL=10m2，b=H=2m。操作条件下，气体：=0.75kg/m3，=2.610-5Pa.s，固体s=3000kg/m3，含尘气体处理量Vs=4m3/s。求：⑴理论上能完全捕集下来的dmin；⑵d=40m的回收率？⑶若使d=15m的颗粒完全回收下来，对原降尘室应采取何种措施？类似p136例3-2解：⑴理论上能完全捕集下来的dmin由Vs=bLut可得：查图得：Ret=0.8，则：用摩擦数群法求dmin：⑵d=40m的回收率∵d=40m<⑴中的dmin∴对应的ut一定在滞流区，用斯托克斯式计算。气体通过降尘室的时间为(按dmin=69.3m考虑)：(=t)d=69.3m时，Ret=0.8d=40m的颗粒在5s内沉降的高度：设颗粒在降尘室入口的全高范围内是均匀分布的，于是处于H’以下的d=40m颗粒能被回收。回收率为：HH’⑶欲将d=15m颗粒全回收，对原降尘室加隔板。在上述多层降尘室中，理论上能使d=15m颗粒全回收。d=15m的颗粒412．沉降槽沉降槽是利用重力沉降来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的设备。3．分级器利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离，或将两种不同密度的颗粒进行分类，