第3章 沉降与过滤-化工原理

0.5 m达90%
53
三、旋风分离器
旋风分离器：
是利用离心力作用净制气体的设备。
特点： 其结构简单，制造方便 分离效率高 可用于高温含尘气体的分离
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55
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构造与工作原理
构造：外圆筒、内圆筒、锥形筒 ui
b
含尘气体切线进入； 沿内壁作旋转流动：颗粒的离心力较大，被
甩向外层，气流在内层。气固得以分离；
41
2. 沉降槽（增稠器）
要点： 直径较大 高度较低
42
絮凝剂
溶胶：含有颗粒大小会直径小于1μ m的液体。
为了促进细小颗粒絮凝成较大颗粒以增大沉降速 度，可往溶胶中加入少量电解质。
絮凝剂：凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质。 常用絮凝剂:明矾、三氧化铝、绿矾（硫酸亚铁）、
三氯化铁等。一般用量为40—200ppm（质量）。
（2）过渡区 2< Re < 500
Allen 区
（近似）
10
Re
（3）湍流区 500< Re < 2105 Newton区
0.44 （球形） （近似）
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24 / Re t
10 / Re t0.5
0.44

13
球形度s
s—— 球形度
S S SP
dp
1/ 3
湍流区 (500 <Re <2×105)
（Nuwton区）
ut
3.03gd p p

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试差计算法：
• 假设沉降处于某一区域；
• 计算ut；
• 计算Re，校验区域；
• 若符合，则正确，否则重新假设区域。
20
例3－1 一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在 20℃的水中沉降，试求其沉降速度。
6
故属于层流区，与假设相符。
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三、悬浮液的沉聚
沉聚：悬浮液放在大型容器里，其中的固体颗粒在
重力下沉降，得到澄清液与稠浆的操作。
澄清：当原液中固体颗粒的浓度较低，而为了得到
澄清液时的操作，所用设备称为澄清器。
增稠器：从较稠的原液中尽可能把液体分离出来
而得到稠浆的设备。
40
1. 悬浮液的沉聚过程
故沉降室应做成扁平形，或在室内均匀设置多层隔板。
气速u不能太大，以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的
尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s。
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含尘气体
净化气体 粉尘
隔板
多层隔板降尘室示意图
若加入n个隔板，则： qV ( n 1)WLut
生产能力—n倍提高！
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当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。
力（drag force)或阻力。
曳力妨碍流体的流动，或固体颗粒的相对运动。
9
爬流(Creeping flow)： 来流速度很小，流动很缓慢， 颗粒迎流面与背流面的流线 对称。 Fd与颗粒运动的方向相反
Fd
只要颗粒与流体之间有相 对运动，就会产生阻力。 对于一定的颗粒和流体， 只要相对运动速度相同， 流体对颗粒的阻力就一样。

当a 0, u ut
重力沉降速度（终端速度） 颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。
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（二） 沉降速度的计算
层流区（Re <2)
2 d p p g
（Stokes定律区）
过渡区 (2<Re<500)
（Allen区）
ut
18
2
4 g p ut 225
按两相运动方式的不同，机械分离大致分为
沉降（ 重力沉降，离心沉降）和过滤两种操作。
例：
7
均相物系的分离
液态均相混合物的分离—蒸馏 气态均相混合物的分离—吸收
8
二、 颗粒与流体相对运动时所受的阻力
当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者
固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，
两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳
4
非均相物系分离的理论基础
要实现分离，必须使分散相和连续相之间 发生相对运动。因此，非均相物系的分离操作遵 循流体力学的基本规律。流体与固体颗粒之间有 相对运动时，将发生动量传递。
5
非均相物系的分离原理
根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。
因此常采用机械方法进行分离。
6
非均相物系的分离方法
u2 r 2 r
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离心分离因素：离心力与重力比
mr 2 r 2 u 2 rN 2 Kc mg g gr 900
增大Kc值的途径：
增大r ，强度要求
增大

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u2 20 2 旋风分离器：K c 136 gr 9.81 0.3
二、 离心沉降速度
切向速度 u
径向速度 ur
在圆锥部分，气流与颗粒作下降螺旋运动； 在圆锥的底部附近，气流转为上升旋转运动，
最后由上部出口管排出；
颗粒沿内壁落入灰斗。
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旋风分离器的尺寸
ui
h
S
L
H
1 d D 2 L D， H 2 D 3 1 h D， b D 5 2
b
d
D
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临界粒径
临界粒径：能够100％除去的最小粒径。 根据旋风分离器的尺寸，以及离心沉降速度式
第三章
沉降与过滤
1
第一节
概述
2
一、非均相物系的分离
分散物质（分散相）：处于分散状态的物质 分散介质（连续相）：处于连续状态的物质 自然界混合物：黄沙空气，烟，雾，洪水
3
分离的目的
1. 回收分散物质(母液中的固体成品或半成品) 2. 净化分散介质(净制原料气或原料液、分离废气和 废液中所含的有害物质等)
dr ur d
合
合成u合
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u2 3 u2 F dp p 离心力： C m r 6 r
u2 浮力： F d 3 b p 6 r
阻力： Fd A
ur2
2
径向向外
指向中心


4
dp
2
ur2
2
指向中心
受力平衡时，径向速度ur为该点的离心沉降速度。
4d p ( p ) 2 dr ur r d 3
水平速度u不变。此时：
尘粒沉降高度为原来的 1/N 倍； utc降为原来的 1/N 倍； 临界粒径为原来的 1 / N 倍；一般可分离20m
以上的颗粒（通常为50m）。
qVs 18 18 ut ( p )g ( p ) g WL
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d pc
沉降室的设计计算类型
分离条件： t
q
W
即
L H u ut
或
L u ut 入口速度不能大于某值 H
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2. 生产能力
qVs——降尘室所处理含尘气体的体积流量
L qVs WHu WH ut WLut H
结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒 沉降速度ut有关，而与高度H无关。
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3. 临界颗粒直径
临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100%除去的
最小颗粒直径。
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含尘气体qVs在除尘室中的流速为
qVs u HW
L H u ut
沉降速度应满足的条件：
qVs ut WL
32
qVs qVs ut utc WL WL
——能100%除去的最小粒径—临界粒径
——utc为临界（粒径）颗粒的沉降速度
u
图
流体绕过颗粒的流动
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源自文库
流体中颗粒运动的阻力(曳力)
Fd Ap
u2
2


4
d p2
u2
2
——阻力系数（曳力系数）
f (Re)
Re
d p ut

、——流体特性
dp、ut——颗粒特性
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（1）层流区 10－4< Re < 2
Stokes 区 （准确）
24 Re
43
44
第三节
离心沉降
45
离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现 沉降的过程。
离心沉降效率较重力沉降效率高。
46
一、 离心分离因数
离心力： u Fc m mr 2 mr(N / 30) 2 r
where， 转速N : 角速度 : 切向速度 : 向心加速度: 转 / min
2
2N / 60 u r
层流中 24
离心沉降设计对象为小颗粒， 流体阻力处于层流区
ur ut
d p ( p )
2
18 d p ( p )
2
r 2 g
离心沉降 重力沉降
52
18
含尘气体的分离系统
净化气体
离心风机 袋滤器
重力沉降室
旋风分离器
含尘气体
灰尘
灰尘
灰尘
>20 m
5—200 m
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二、 重力沉降设备
（一）降尘室
利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。
预分离，分离粒径较大的尘粒。
净化气体 含尘气体
26
27
u ut
假设： 颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同；
垂直分速度 =重力沉降速度ut
28
1. 沉降分离条件
L 停留时间： u H 沉降时间： t ut
qVs Stokes定律 u tc ut WL
d pc
2 d p ( p ) g
18
qVs 18 18 ut ( p )g ( p ) g WL
33
沉降室设计
一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积
WL和 utc有关，而与H 无关。
ut
2 d p p g
18
23
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
ut
95 10 3000 998.2 9.81
6 2
18 1.005 10 3
9.797 10 m / s
3
核算流型
Re t dut
S —— 颗粒的表面积，m2 Sp—— 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2
14
第二节
重力沉降
15
一、重力沉降速度
（一）球形颗粒的自由沉降
自由沉降：颗粒浓度低，分散好，沉降过程中
互不碰撞、互不影响。
浮力Fb 阻力Fd
p , 颗粒下沉
p

16
重力Fg
重力：Fg mg

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重力沉降ut
4d p ( p ) 3
4d p ( p ) 3
g
对照
离心沉降ur
r 2
（1）方向不同； （2）在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离 心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。
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，代入： Re 4d p ( p ) 2 ur r 3


95 10 6 9.797 10 3 998.2 1.005 10
3
0.9244＜1
原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。
24
（三）影响沉降速度的其它因素
1.干扰沉降 （颗粒之间）
u 干扰 u自由
2. 颗粒形状 越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。 3. 壁效应 使沉降速度下降
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假设流型属于层流区，粉尘的临界直径为
d pc qVs 18 ( p ) g WL
18 2.5 10 5 0.278 80 .3 10 6 m 2000 9.81
验算流型
Re d pcutc

80.3 10 0.278 0.779 0.678 5 2.53 10
6
3
d p3 p g
浮力：Fb

6
d p g
u 2
2
阻力： d Ap F

4
dp
2
u 2
2
17
Fg Fb Fd ma

u 2 ma d 3 s g d 2 p p 6 4 2
ut 4 gd p p 3
解： 由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，
21
校核流型 Re=dPutρ/μ=10-3×0.157×103/10-3=157 属于过渡区，与假设相符。
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例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固
体颗粒在20℃的水中的自由沉降速度。
解：在20℃水中的沉降。
用试差法计算
先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
处理量qVS，粉尘的排放标准dpc，面积ＷＬ
1)
d pc
qVs 18 ( p ) g WL qVs 18 WL (面积） ( p ) g WL qVs 18 qVs (处理量） ( p ) g WL
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２) d pc
３) d pc
例3-2：用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空 气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.799kg/m3， 粘度为2.53×10-5Pa· s，流量为1.25×104 m3/h。粉 尘的密度为2000 kg/m3。试求粉尘的临界直径。
解 ：与临界直径对应的临界沉降速度为
qVs 1.25 10 4 / 3600 utc 0.278 m / s WL 2.5 5