第一节沉降分离原理及设备

第一节沉降分离原理及设备2023/2/17第一页，共八十页，2022年，8月28日一：学习要求应重点掌握沉降、过滤过程的基本原理、计算方法、典型设备的结构特性，并且能根据生产工艺要求，合理选择设备二：应重点掌握的内容

1：应用流体力学原理分析颗粒相对于流体以及流体相对于颗粒床层的流动规律。2：沉降（重力、离心沉降）过程的基本原理、2023/2/17第二页，共八十页，2022年，8月28日影响因素分析及强化措施，降尘室的设计，旋风分离器的选型。3：过滤操作的原理，影响因素分析及强化措施，恒压过滤及其生产能力的计算、过滤常数的测定。三：学习方法

本章运用流体力学原理解决实际生产中的沉降、过滤和流态化问题。学习时要注意学会如何对复杂的工程问题进行简化，使之变成用理论可以解决的问题。2023/2/17第三页，共八十页，2022年，8月28日第三章

非均相物系分离及固体流态化一：颗粒相对于流体的流动二：重力沉降三：离心沉降

第一节

沉降分离原理及设备2023/2/17第四页，共八十页，2022年，8月28日混合物均相混合物

非均相混合物

不存在相界面的混合物系。例如：互溶溶液及混合气体存在相界面的混合物系。例如：悬浮液及含尘气体2023/2/17第五页，共八十页，2022年，8月28日非均相混合物分散相分散(物)质

连续相分散(相)介质

处于分散状态的物质如：包围着分散相物质且处于连续状态的流体如：2023/2/17第六页，共八十页，2022年，8月28日2023/2/17第七页，共八十页，2022年，8月28日非均相混和物分离的应用：（1）收集分散物质：回收催化剂颗粒。（2）净化分散介质：原油脱水。（3）环境保护：烟气除尘。2023/2/17第八页，共八十页，2022年，8月28日分离机械分离沉降

过滤

连续相与分散相不同的物理性质

发生相对运动的方式2023/2/17第九页，共八十页，2022年，8月28日沉降：在力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。

作用力

重力沉降离心力沉降

是否受干扰自由沉降干扰沉降2023/2/17第十页，共八十页，2022年，8月28日一：颗粒相对于流体的运动1：单颗粒的特性参数（形状、大小、比表面积）球形颗粒非球形颗粒球形颗粒——粒径d体积表面积比表面积球形颗粒的各有关特性均可用单一的参数表示2023/2/17第十一页，共八十页，2022年，8月28日①：颗粒的球形度Φs：颗粒形状与球形的差异程度非球形颗粒球形颗粒Φs=1非球形颗粒Φs＜1；Φs

↑，则颗粒越接近于球形②：颗粒的当量直径：体积当量直径de比表面积当量直径da2023/2/17第十二页，共八十页，2022年，8月28日A：体积当量直径deB：比表面积当量直径da与该颗粒体积相等的球体的直径与该颗粒比表面积相等的球体的直径③：颗粒的体积、表面积、比表面积：非球形颗粒必须有两个参数才能确定其特征2023/2/17第十三页，共八十页，2022年，8月28日1）：固体球形颗粒在静止流体中的受力分析重力↓浮力↑阻力（曳力）↑2：颗粒的自由沉降2023/2/17第十四页，共八十页，2022年，8月28日重力2023/2/17第十五页，共八十页，2022年，8月28日浮力2023/2/17第十六页，共八十页，2022年，8月28日阻力（曳力）2023/2/17第十七页，共八十页，2022年，8月28日合力2023/2/17第十八页，共八十页，2022年，8月28日2）：颗粒的运动情况开始沉降的瞬间，u=0，Fd=0，a→max

；开始沉降后，u↑→Fd

↑（加速，但a逐渐减小）——加速阶段（加速阶段很短，在整个沉降过程中可忽略）a=0时，u→ut

（max)——匀速阶段2023/2/17第十九页，共八十页，2022年，8月28日匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut

称为沉降速度。——自由沉降速度表达式思考：沉降速度的方向和什么因素有关ρ、ρs的相对大小决定了初始加速度的方向，即沉降速度的方向3）：自由沉降速度2023/2/17第二十页，共八十页，2022年，8月28日3：阻力系数（曳力系数）ξ因次分析知其关系见图。2023/2/17第二十一页，共八十页，2022年，8月28日d——颗粒的粒径；ρ、µ——流体的密度、黏度ut——颗粒和流体间的相对运动（三种情况）速度对于球形颗粒，按Ret值大致分为三个区：1)：滞流区或斯托克斯(stokes)定律区（10-4＜Ret<1）

；无形体阻力，只有表面阻力阻力和沉降速度的一次方成正比2023/2/17第二十二页，共八十页，2022年，8月28日——斯托克斯公式2）：过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103）；形体阻力和表面阻力均不可忽略——艾伦公式阻力和沉降速度的1.4次方成正比2023/2/17第二十三页，共八十页，2022年，8月28日——牛顿公式阻力和沉降速度的二次方成正比3）：湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret＜2×105）

；只有形体阻力，无表面阻力3：影响沉降速度的因素1）：颗粒直径

其它条件相同时，小颗粒后沉降。2023/2/17第二十四页，共八十页，2022年，8月28日其它条件相同时，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。2）：流体密度

3）：颗粒密度

4）：颗粒的体积浓度上述各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓度较高时，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用。2023/2/17第二十五页，共八十页，2022年，8月28日5）：器壁效应当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。

6）：颗粒形状的影响

球形度2023/2/17第二十六页，共八十页，2022年，8月28日对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用体积当量直径de代替。颗粒的φs愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ愈大（思考：？）；但φs值对ξ的影响在滞流区并不显著（思考：？），随着Ret的增大，这种影响变大（思考：？）。2023/2/17第二十七页，共八十页，2022年，8月28日二：重力沉降1：沉降速度的计算假设沉降属于层流区

Ret＜1

ut为所求Ret＞1艾伦公式求ut判断流型公式适用为止1）：沉降速度的计算——试差法2023/2/17第二十八页，共八十页，2022年，8月28日2）：沉降速度的计算——摩擦数群法A：已知颗粒直径求沉降速度使等式的一边消去ut沉降体系一定数群ξRet2只和粒径有关2023/2/17第二十九页，共八十页，2022年，8月28日令因ξ是Ret的函数，ξRet2必然也是Ret的函数，ξ～Ret曲线便可转化成ξRet2～Ret

曲线。——沉降体系一定k只和粒径有关沉降体系一定ξRet2和粒径一一对应计算ut时，先由已知数据算出ξRet2的值，再由ξRet2——Ret曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut2023/2/17第三十页，共八十页，2022年，8月28日图3-3ξRet2----RetξRet–1---Ret的关系曲线P1372023/2/17第三十一页，共八十页，2022年，8月28日B：已知沉降速度求颗粒直径使等式的一边消去d沉降体系一定，数群ξRet-1只和沉降速度一一对应ξRet-1～Ret关系绘成曲线，由ξRet-1值查得Ret的值，再根据沉降速度ut的值计算d。2023/2/17第三十二页，共八十页，2022年，8月28日————无因次数群K也可以判别流型滞流区沉降速度3）：沉降速度的计算——无因次判据法令——沉降体系一定k只和粒径有关2023/2/17第三十三页，共八十页，2022年，8月28日当Ret=1时，K=2.62，即滞流区的上限同理，可得湍流区的下限是，K=69.1——斯托克斯公式——艾伦公式

——牛顿公式可根据K值选用相应的公式计算ut，避免用试差法2023/2/17第三十四页，共八十页，2022年，8月28日例3-1：直径为80μm，密度为3000kg/m3的球球形颗粒在25℃的水中自由沉降；①：计算其沉降速度？②：如密度为1600kg/m3的球球形颗粒在25℃的水中以相同速度自由沉降，颗粒的直径应是多少？25℃水ρ=996.9kg/m3，µ=0.8973×10-3Pas分析①三种方法均可计算ut，无因此判据法简便计算无因次数群K值，判别颗粒沉降的流型

2023/2/17第三十五页，共八十页，2022年，8月28日沉降在层流区。用斯托克斯公式计算沉降速度。

分析②知ut，求粒径用无因次数群法2023/2/17第三十六页，共八十页，2022年，8月28日球形颗粒Φs=1查得由2：重力沉降设备1）：降尘室集尘斗气体入口气体出口降尘室入口截面：矩形①：降尘室结构及工作原理2023/2/17第三十七页，共八十页，2022年，8月28日含尘气体净化气体颗粒降尘室操作示意图随气体的水平流速u降尘室底面积（沉降面积）：含尘气体积流量（生产能力）：含尘气流通截面积：颗粒运动速度分解：颗粒沉降速度ut2023/2/17第三十八页，共八十页，2022年，8月28日含尘气体净化气体颗粒的停留时间②：颗粒分离(沉降)条件颗粒的沉降时间③：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)2023/2/17第三十九页，共八十页，2022年，8月28日多层降沉室清洁气流含尘气流挡板隔板如降尘室设置n层水平隔板，则多层降尘室的生产能力变为气体速度的选取：

说明：设计时，以所需分离的最小颗粒为基准2023/2/17第四十页，共八十页，2022年，8月28日例3－2：用降尘室回收20℃空气中所含的球形固体颗粒。空气的流量为1m3/s，降尘室底面积为10m2，宽和高均为2m。已知固体的密度为1800kg/m3，20℃空气ρ=1.205kg/m3，µ=1.81×10-5Pa.s；。求：（1）理论上能完全除去的最小颗粒直径？（2）粒径为40m的颗粒的回收百分率？（3）在原降尘室内设置20层水平隔板后，可分离的最小颗粒直径？；（4）如欲完全回收直径为10m的尘粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板？2023/2/17第四十一页，共八十页，2022年，8月28日分析①求理论上能完全除去的最小颗粒直径？而颗粒的粒径和沉降速度是一一对应的求出能分离下来的最小沉降速度即可。能分离下来的最小沉降速度可求。此题即成为已知沉降速度求粒径的问题，可解略计算结果：2023/2/17第四十二页，共八十页，2022年，8月28日分析②粒径为40m的颗粒的回收百分率？如颗粒在空气中分布均匀，即在停留时间内，其沉降距离，和降尘室高度之比既是其回收的百分率。此题即成为已知粒径求沉降速度的问题，可解，略另分析：各粒径颗粒的停留时间同，其回收率等于能回收的dmin的utmin和该粒径的ut之比。在滞流区可解，略2023/2/17第四十三页，共八十页，2022年，8月28日分析③在原降尘室内设置20层水平隔板后，可分离的最小颗粒直径设置隔板后：设置隔板前：设置隔板前、后，生产能力不变可解，略分析④：略2023/2/17第四十四页，共八十页，2022年，8月28日2）：沉降槽（增浓器）沉降槽利用重力沉降来提高悬浮液浓度或得到澄清液体的设备。加料分散自由沉降（清液）干扰沉降（增浓）沉降槽具有澄清液体和增浓悬浮液的双重功能2023/2/17第四十五页，共八十页，2022年，8月28日3）：分级沉降（分级器）利用不同粒径或不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们分离的设备称为分级器。沉降速度不同（原因?）的颗粒在向上流动的水流中，将水的速度调整到适当，沉降速度小于水流速度的那部分颗粒便被漂走分出重力沉降分级器2023/2/17第四十六页，共八十页，2022年，8月28日双锥分级器混合粒子由上部加入，水经可调锥与外壁的环形间隙向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升流速的颗粒进入底流，而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出。双锥分级器2023/2/17第四十七页，共八十页，2022年，8月28日例题3-3：利用双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离。已知：粒子形状：球形。粒子尺寸：直径为0.08~0.7mm。方铅矿密度ρs1=7500kg/m3石英密度：ρs2=2650kg/m3。20℃水的密度ρ=996.9kg/m3，粘度μ=0.8973×10-3Pa·s假定粒子在上升水流中作自由沉降，试求：1）欲得纯方铅矿粒，水的上升流速至少应取多少m/s？（在塔设计时需计算极限空塔气速，依据即在此！）2）所得纯方铅矿粒的尺寸范围。2023/2/17第四十八页，共八十页，2022年，8月28日分析①水的上升流速：为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出(即相对速度为零)思考：按最大石英粒子还是最小石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速？此题即成为已知粒径求沉降速度的问题，可解略分析②所得纯方铅矿的尺寸范围：即能分离下来的最小粒径问题此题即成为已知沉降速度求粒径的问题，可解略2023/2/17第四十九页，共八十页，2022年，8月28日三：离心沉降：惯性离心力作用下实现的沉降适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。惯性离心力场与重力场的区别重力场离心力场方向力场强度作用力

重力加速度gut2/R

指向地心

沿旋转半径从中心指向外周Fg=mg

2023/2/17第五十页，共八十页，2022年，8月28日2023/2/17第五十一页，共八十页，2022年，8月28日1：惯性离心力作用下的沉降速度1）：离心沉降速度惯性离心力=向心力=阻力=

平衡时：2023/2/17第五十二页，共八十页，2022年，8月28日

平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。2）：离心沉降速度与重力沉降速度的比较表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度数值：重力沉降速度为定值（方向向下？、上？）离心沉降速度的大小随颗粒在离心力场中的位置而变（方向沿半径向外）。2023/2/17第五十三页，共八十页，2022年，8月28日阻力系数：层流时同重力沉降同重力沉降过渡流、湍流时阻力系数或沉降速度类似重力沉降，只需把场强度由g更换ut2/R即可。略3）：离心分离因数——衡量离心分离性能的参数同一颗粒在同一体系中所受离心力与重力之比2023/2/17第五十四页，共八十页，2022年，8月28日2：离心沉降设备①：主要组成:进气管、外圆筒；内圆筒；锥形筒标准旋风分离器是以D为参数，其他尺寸都与D成一定比例。1）：旋风分离器2023/2/17第五十五页，共八十页，2022年，8月28日②：工作原理外圆筒内圆筒锥形筒切向入口关风器(防止空气进入)含尘气体固相净化气体外螺旋内螺旋含尘气体从切向入口进入。气体受器壁约束，由上向下作外螺旋运动。颗粒被抛向器壁，气固得以分离。分离器轴线附近区域，形成一低压气芯。在圆锥的底部附近，气流由下向上做内螺旋运动，经上部出口管排出。固相沿内壁落入灰斗2023/2/17第五十六页，共八十页，2022年，8月28日③：旋风分离器的主要性能

旋风分离器性能参数主要有气体处理量，临界粒径、分离效率和气体通过旋风分离器的压力降Ⅰ：气体处理量：旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在15～25m/s。旋风分离器的处理量

2023/2/17第五十七页，共八十页，2022年，8月28日Ⅱ：临界粒径dc：能够分离出的最小颗粒直径简化条件（假设条件）：a）：颗粒与气体在器内等速运动，均为进口气速b）：最大沉降距离是旋风分离器进气口宽度Bc）：颗粒沉降处于stokes区沉降时间：

2023/2/17第五十八页，共八十页，2022年，8月28日设：气体旋转圈数Nc，（一般取：3～5）则气流运行距离气体停留时间：

颗粒分离条件：即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大（和沉降距离有关区别重力沉降）；气体处理量较大时可采取多个较小尺寸的分离器并联操作。2023/2/17第五十九页，共八十页，2022年，8月28日Ⅲ：分离效率：ⅰ：总效率ⅱ：分级效率（粒级效率）两者关系：2023/2/17第六十页，共八十页，2022年，8月28日按假设情况：实际情况：A：离器壁近B：粒子聚结A：涡流B：重新扬起2023/2/17第六十一页，共八十页，2022年，8月28日分级效率曲线0102030405020406080100粒径

di/μm分级效率ηi/%101.00.1粒径比

di/d50分级效率ηi/%204060100标准旋风分离器的ηi与di/d50曲线2023/2/17第六十二页，共八十页，2022年，8月28日Ⅳ：压力降（阻力）：是旋风分离器的经济指标对型式不同或尺寸比例不同的设备ξ的值也不同，要通过实验测定，对于标准旋风分离器ξc=8.0（和尺寸无关）。旋风分离器的压降一般在300～2000Pa内。2023/2/17第六十三页，共八十页，2022年，8月28日

例3-4：用标准旋风分离器净化含尘气体，已知固体密度为1100kg/m3，气体密度为1.2kg/m3，粘度为1.8×10-5Pa.s，流量为0.40m3/s，允许压降2000Pa，试估算采用以下个方案时设备的临界粒径？①：一台旋风分离器②：四台相同的旋风分离器串联③：四台相同的旋风分离器并联分析①：求临界粒径B=?ui=?2023/2/17第六十四页，共八十页，2022年，8月28日可求标准旋风分离器的尺寸都与D成一定比例。D可求→B可求分析②：四台串联时，每台允许的压降为总压降的1/4，流量等于总流量，故尺寸和进口气速均发生变化2023/2/17第六十五页，共八十页，2022年，8月28日分析③：四台并联时，每台允许的压降等于总压降，流量等于总流量的1/4，故尺寸发生变化，但进口气速不变。计算结果①：一台dc=6.74µm；D=0.3960m②：四台串联dc=11.3µm;D=0.5598m③：四台并联dc=4.77µm;D=0.1980m说明：在处理量和压降相同的条件下，若干小直径分离器并联运行，要比使用一个大直径分离器要好的多2023/2/17第六十六页，共八十页，2022年，8月28日④：旋风分离器的类型Ⅰ：进口方式切线进口：结构简单，较常用旋风分离器切向进口B螺旋面进口：结构复杂，设计制造不方便轴向进口：常用于多管式旋风分离器2023/2/17第六十七页，共八十页，2022年，8月28日Ⅱ：常用形式标准型、CLT/A型、CLP型、扩散式等。标准型：结构简单、容易制造、处理量大；适用于捕集密度大且颗粒尺寸大的粉尘。标准型旋风分离器2023/2/17第六十八页，共八十页，2022年，8月28日CLT/A型倾斜螺旋面进口，减小涡流影响。气流阻力系数较低，ξ=5～5.5XLP/B型带有旁室结构，蜗壳式进气口，可聚结被上旋流带到顶部的细粒。ξ=4.8～5.82023/2/17第六十九页，共八十页，2022年，8月28日扩散型结构上小下大，下设挡灰盘，可有效防止已沉降的细粒被重新卷起。2023/2/17第七十页，共八十页，2022年，8月28日⑤：旋风分离器的选用a)根据具体情况选择合适的型式，选型时应在高效率与低阻力者之间作权衡，一般长、径比大且出入口截面小的设备效率高且阻力大，反之，阻力小效率低b)根据允许的压降确定气体在入口的流速ui

c)根据分离效率或除尘要求，求出临界粒径dC

d)根据ui和dc计算旋风分离器的直径De)根据ui与D计算旋风分离器的处理量，再根据气体流量确定旋风分离器的数目。f)校核分离效率与压力降

2023/2/17第七十一页，共八十页，2022年，8月28日

例：气体中所含尘粒的密度为2000kg/m3，气体的流量为5500标m3/h，温度为500℃，密度为0.43kg/m3，粘度为3.6×10-5Pa.s，拟采用标准形式的旋风分离器进行除尘，要求分离效率不低于90%，且知相应的临界粒径不大于10μm，要求压降不超过700Pa，试决定旋风分离器的尺寸与个数。