第三章-非均相物系的分离
合集下载
第三章 非均相物系的汇总
4d(S
)
u
2 T
3 R
ut是常量，ur随uT和R变化，是变量。
2.离心沉降所处理的非均相物系中固粒直径通常很小，沉降一般
在滞流区进行，故其沉降速度可表示为：
ur
d2 (S ) 18
u
2 T
R
3.分离因数：同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降
速度的比值，以Kc表示：
KC
ur ut
u
2 T
粒径d/μm
d<dc的颗粒有些可能已在进口处靠近壁面，在停留时间内能 够到达器壁；或者互相聚集而成大颗粒因而具有较大的沉降速 度。
②颗粒向器壁运动时，穿过厚度为进气口宽度B的流体层；
③颗粒与流体相对运动为滞流，且ρs>>ρ。
ur
d2 (S ) uT2 18 R
d2S 18
u
2 i
Rm
临界粒径计算公式的推导
颗粒到达器壁所需沉降时间：t
B ur
18R mB
d
2Su
2 i
气流在旋风分离器内停留时间： l 2R m Ne
ui
ηo～di粒级效率曲线：
100
粒径效率ηpi/％
此曲线可通过实测旋风分离器进、
出口气流中的含尘浓度及粒度分布得
到。设其临界直径dc为10μm。理论 上 ： 凡 d>10μm 的 颗 粒 ， 均 应
ηpi=100%;而 d<10μm的颗粒，均
为ηpi=0,即为折线所示。
0 10
实际上：d<dc的颗粒也有可观的 分 离 效 果 ； d>dc 的 颗 粒 也 有 部 分 未 被分离下来。其原因：
第三章 非均相物系的分离——离心沉降
第三章 非均相
2.器壁效应
当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略， 否则需加以考虑
3.颗粒形状的影响
同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形 颗粒的沉降快一些。
沉降速度的计算
试差法
由于在计算出ut之前Ret的大小未知，因此要通过试 差确定应该选取的计算公式。即：先假设沉降属于 某一流型，则可直接选用与该流型相应的沉降速度 公式计算，然后按求出的ut检验Ret值是否在原假设 的流型范围内。
滞流区
d 2 ( s ) g ut 18
ut 0.27 d ( s ) g Re t0.6
过渡区
湍流区
ut 1.74
d ( s ) g
1.颗粒的体积浓度
影响沉降速度的因素
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，当颗粒浓度较高时便发生干扰沉降
（四）离心沉降设备－旋液分离器
旋液分离器也称水力旋流器，其
结构和工作原理均与旋风分离器 类似，用于悬浮液的分离。
（五）离心沉降设备－沉降离心机
沉降离心机是利用机械带动液体旋转， 分离非均相混合物的常用设备。 主要特点：主体设备（转鼓）与混合物 共同共同旋转，通过转速调节，可以大 幅度 改变离心分离因数。 分类： 据操作方式：间歇式、连续式。 据设备主轴的方位：立式、卧式 据卸料方式：人工卸料式、螺旋卸料式、 刮刀卸料式。
球形颗粒的自由沉降
将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介 质中，若颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒 将在流体中降落 根据牛顿第二运动定律，颗粒所受三个力的合 力应等于颗粒的质量与加速度的乘积，即 Fg-Fb-Fd= ma
du d ( s ) g d ( ) d s 或 6 4 2 6 d
化工原理：(含答案)第三章 非均相物系的分离
第三章 非均相物系的分离一、填空题：1．⑴一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律沉降，若空气温度由20°C 升至50°C ，则其沉降速度将 。
⑵降尘室的生产能力只与降尘室的 和 有关，而与 无关。
解⑴下降 ⑵长度 宽度 高度2．①在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间 ，气流速度 ，生产能力 。
②在滞流（层流）区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比；在湍流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比。
解①增加一倍 ， 减少一倍 ， 不变 ②2 ， 1/2沉降操作是指在某种 中利用分散相和连续相之间的 差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。
沉降过程有 沉降和 沉降两种方式。
答案：力场；密度；重力；离心3．已知q 为单位过滤面积所得滤液体积V/S ，e e e S V q V /，为为过滤介质的当量滤液体积（滤液体积为e V 时所形成的滤饼层的阻力等于过滤介质的阻力），在恒定过滤时，测得2003740/+=∆∆q q τ，过滤常数K ＝ ，e q = 。
解0.000535 ， 0.05354．⑴间歇过滤机的生产能力可写为Q ＝V/∑τ，此外V 为 ，∑τ表示一个操作循环所需的 ，∑τ等于一个操作循环中 ， 和 三项之和。
一个操作循环中得到的滤液体积 ，总时间 ，过滤时间τ ，洗涤时间τw ， 辅助时间τD⑵．一个过滤操作周期中，“过滤时间越长，生产能力越大”的看法是 ，“过滤时间越短，生产能力越大”的看法是 。
过滤时间有一个 值，此时过滤机生产能力为 。
不正确的 ，不正确的 ， 最适宜 ， 最大⑶．过滤机操作循环中，如辅助时间τ越长则最宜的过滤时间将 。
⑶ 越长(4). 实现过滤操作的外力可以是 、 或 。
答案：重力；压强差；惯性离心力5．⑴在过滤的大部分时间中， 起到了主要过滤介质的作用。
⑵最常见的间歇式过滤机有 和 连续式过滤机有 。
⑶在一套板框过滤机中，板有 种构造，框有 种构造。
【学习】第三章非均相物系的分离
d
ut
① 层流区或斯托克斯区（104 Ret 1)
24 R et
② 过渡区或艾伦区（1Ret 103)
18.5 R e t 0.6
③ 湍流区或牛顿区（ 103Ret 2105) 0.44
整理课件
（1）层流区： ut
gd2(s ) 18
（非常重要） 称斯托克斯公式
（2）过渡区：
ut
0.2
u t d s 2 (1 s 8 )g ( 3 1 0 6 1 ) 0 2 1 ( 8 2 .8 6 1 6 1 .5 1 0 0 ) 6 0 9 .8 5 0 1 .0m 6 /s8
校核 R e td su t 3 0 1 0 1 6 . 8 6 0 .0 1 整6 0 理8 5 课5 件1 .1 6 5 0 .1 3 1
例 3-1 已 知 固 体 颗 粒 的 密 度 为 2600kg/m3 ， 大 气 压 强 为 1.013×105Pa，试求直径为30μm的球形颗粒在30℃大气中的自 由沉降速度。解 由附录查取，30℃，1atm下空气的物性参数
密度 ρ=1.165kg/m3；粘度 μ=1.86×10-5Pa·s
假设沉降处于层流区
2）压力降
气体通过旋风分离器而引起的磨擦损失
称为气体通过旋风分离器的压力降。
整理课件
Pf
ui2
2
3）分离效率
旋风分离器的分离效率有两种表示方法，
一是总效率，以ηo表示；二是粒级效率， 以ηi表示。P157 总效率是指进入旋风分离器的全部颗粒中
被分离下来的颗粒的质量分率
粒级效率是指进入旋风分离器的直径为di 的颗粒被分离下来的颗粒的质量分率
当Fc、Fb、Fd三力达到平衡，有
d3
第三章 非均相物系分离
B B
含尘气体
用途：适用于含颗粒浓度为 0.01 ～ 500g/m3、粒度不小于5μm的气体净 化与颗粒回收操作，尤其是各种气固流态化装置的尾气处理。
排尘
结构和工作原理：含尘气体以较高的线速度切向进入器内， 在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底 后以相同的旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上部排气 管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器壁 方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。
2 gd p ( p )
18ut 0.153Pa s
9.81 (1.25103 ) 2 (7900 880) 18 0.039
校核雷诺数 R ep 上述计算有效
d put
1.25103 0.039 880 0.28 2 0.153
三、重力沉降设备－降尘室 降尘室：分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备。
2 P
比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积
S 6 a V dP
2、非球形颗粒
（1）当量直径 A：体积当量直径 B：面积当量直径：
d ev
3
6V
S
d es
C：比表面当量直径： d 6 6 ea a S /V （2）形状因数 常用球形度 Ψ 表示，即与颗粒等体积的一个球的表面积 与颗粒的表面积之比 2 2 d ev d ev 2 2 d es d es
CD为阻力系数，与颗粒的雷诺数Rep有关。对球形颗粒 24 d p u A：Rep＜2，层流区 Rep 此时 CD Rep 2 gd p ( p ) 由此推出 u －斯托克斯公式 t 18
适用范围10－4＜Rep＜2
第三章 非均相物系的分离
在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当 Stoches定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为
Vs时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：
2 gdmin ( s ) Vs ut 18 A0
降尘室底面积
d min
Vs 18 g( s ) A0
(2) 沉降槽（增稠器）
利用重力沉降分离悬浮液的设备。 分类：间歇式和连续式
沉降过程： 第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降； 第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。
沉降速度：通常由实验来确定。
悬浮液的沉聚过程
悬浮液的沉聚过程一般出现：清液区、等浓度区、变浓 度区和沉聚区。若颗粒不均匀，则不出现等浓度区。
颗粒存在，改变了流体的表观密度和表观粘度。
表观粘度： m
校正因子：
表观密度：
1 101.82 (1 )
m (1 ) s
计算干扰沉降速度：
求m、m ut ut
② 流体分子运动的影响
颗粒直径小于 2~3 μ m 以下时，抑制重力沉降。 ③ 液滴或气泡变形
u t2 离心力 m ar m r
离心加速度 颗粒的切线速度 A r1 r C ur u B
旋转半径
若颗粒为球形：
ut2 作用力 (s ) 6 r
颗粒密度
d 3
ut r2
流体密度
颗粒在旋转流体中的运动
阻 力
d 2 ur2
4 2
当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur
4d ( s )ut2 d 2 ( s ) ut2 ur 相对运动为层流 3r 18 r
降尘室用于分离气体中的固体颗粒 重力沉降 沉降槽用于分离液体中的固体颗粒 离心沉降 旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒 旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒
Vs时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：
2 gdmin ( s ) Vs ut 18 A0
降尘室底面积
d min
Vs 18 g( s ) A0
(2) 沉降槽（增稠器）
利用重力沉降分离悬浮液的设备。 分类：间歇式和连续式
沉降过程： 第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降； 第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。
沉降速度：通常由实验来确定。
悬浮液的沉聚过程
悬浮液的沉聚过程一般出现：清液区、等浓度区、变浓 度区和沉聚区。若颗粒不均匀，则不出现等浓度区。
颗粒存在，改变了流体的表观密度和表观粘度。
表观粘度： m
校正因子：
表观密度：
1 101.82 (1 )
m (1 ) s
计算干扰沉降速度：
求m、m ut ut
② 流体分子运动的影响
颗粒直径小于 2~3 μ m 以下时，抑制重力沉降。 ③ 液滴或气泡变形
u t2 离心力 m ar m r
离心加速度 颗粒的切线速度 A r1 r C ur u B
旋转半径
若颗粒为球形：
ut2 作用力 (s ) 6 r
颗粒密度
d 3
ut r2
流体密度
颗粒在旋转流体中的运动
阻 力
d 2 ur2
4 2
当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur
4d ( s )ut2 d 2 ( s ) ut2 ur 相对运动为层流 3r 18 r
降尘室用于分离气体中的固体颗粒 重力沉降 沉降槽用于分离液体中的固体颗粒 离心沉降 旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒 旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒
第三章非均相物系的分离
K ' 0 . 0556 湍流区： Re du t 1 . 74 u t
3 2
t
( s )g
1 . 74 K ' 10
3
K ' 3027 . 6 过渡区： K' 0 . 0556 ~ 3027.6
计算步骤：
1 .计算 K' u t
3 2
( s )g d： 滞流区： d 18 u t ( s )g
湍流区：
3.摩擦数群法
• (1)已知d求ut
ut 4 d ( s )g 3 du t
2 t
4 d ( s )g 3 u t
2 2 2
Re
t
Re
2
2 t
2
d ut
2 3
2
Re
4 d ( s )g d u t 2 2 3 u t
3.1.2 颗粒床层的特性
3.1.2.1.床层空隙率ε • 床层堆积的疏密程度用空隙率表示，指单位体 积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。即： • ε=(床层体积-颗粒体积)/床层体积 • ε的大小与颗粒的大小、形状、粒度分布、填 充方式等有关，其值由实验测定。 • [说明] • 非球形颗粒的球形度愈小，床层的空隙率愈大； • 大小愈不均匀的颗粒，空隙率愈小； • 颗粒愈光滑，空隙率愈小； • 愈靠近壁面，空隙率愈大。
0.6 t
K 2.62 ~ 69.1
过渡区：
u t 0 . 27
K 69 . 1
湍流区：
u t 1 . 74
(2)已知ut求d
令 K' u t
第三章 非均相混合物的分离
1 Re t 1000
18.5 0 .6 Re t
ut 0.27
gd s Re
0.6 t
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离
③湍流区(牛顿区)
1000 Re t 200000
形体阻力占主导地位，表面摩擦阻力可以忽略
阻力u2 阻力系数与Ret无关
b (1 ) s
第三章 非均相物系的分离
3.2 颗粒及颗粒床层的特性 3.2.3 流体通过床层流动的压降（3.4 过滤）
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离 沉降分离是借助某种力的作用，利用分散 物质与分散介质的密度差异使之发生相对运动 而分离的过程。 沉降: 重力沉降 作用力是重力 离心沉降 作用力是惯性离心力
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离 3.3.1.2 重力沉降分离设备
◇气体沉降设备 利用重力沉降除去气流中颗粒的设备。 ◇液体沉降设备 用于浓缩、澄清
单层沉降槽 间歇式沉降槽又分为 沉降槽： 多层沉降槽 连续式
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离
一、降尘室 1.用途：分离气流中的尘粒
分离条件：
L H t u ut
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离
说明： ①某一粒径的粒子，只要满足
t
，
则该粒径的粒子可以100％被分离 ②某一粒径的粒子，如果不满足 t ， 则该粒径的粒子不能被100％分离 ③对于一降尘室,存在一能100％被除去的最小粒子, 用 d sc 表示；其沉降速度最小，用 utc 表示， 称为临界沉降速度。
第三章 非均相物系的分离
3.3 沉降分离
化工原理 第三章 非均相物系的分离和固体流态化.
' 4.17 0.29
Reb
pf L
1 2 a2u
4.17
3
1 au2
0.29 3
6 a
sde
pf L
1 2 u 150 3 sde 2
1 u2
1.75
3 sde
Reb
3
pf L
1 2 u 150 3 sde 2
Reb
100
pf L
1 u2 1.75 3 sde
第三章 非均相物系分离和固体流态化
目的→基于流体 力学（颗粒与流 体间的相对运 动），掌握非均 相物系的机械分 离方法、过程计 算及其典型设备 的结构、特性和 选型。
非均相物系 概念
颗粒和颗粒床层特性
非均相物系的
沉降
分离和固体流 机械分离
态化
过滤
固体流态化
概念－非均相物系
1. 非均相物系 ① 非均相物系
均相混合物 （均相物系）
溶液与混合气体
混合物
分散物质 固体颗粒、液滴或气泡
非均相混合物 （分散相）
（非均相物系） 分散介质 气态非均相物系（含尘气体）
（连续相） 液态非均相物系（悬浮液）
概念－非均相物系
② 非均相物系的分离方法 沉降→颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬 浮物系分离，作用力是重力或离心力。
1/100 0.0042 0.0058 in或147 μm
概念－颗粒
② 颗粒群的平均粒径 颗粒群的平均粒径→常用平均比表面积直径，即Sauter直径。
k
da2
6
da3
ni di2
i 1
k i 1
ni
6
di3
xi K nisdi3
化工原理第三章非均相物系的分离ppt课件
6 ds
精选ppt
5
2）非球形颗粒
(1) 描述颗粒形状
球形颗粒 非球形颗粒
① 颗粒的形状系数（球形度φ）
球 形 度 与 颗 粒 等 体 颗 积 粒 的 的 球 表 形 面 颗 积 粒 的 表 面 积
公式表示 ： As A
1
表明：颗粒形状接近于球形的程度；φ↑，则颗粒
越接近于球形。球形颗粒：
1
精选ppt
ai — ………………………比表面积；
dai —混合颗粒中各种尺寸颗粒的等比
表面积当量直径。
精选ppt
13
3.2 沉 降
目的：流体与固体颗粒分离
原理：利用颗粒与流体之间的密度差，
将固体颗粒从流体中分离出来。
常用方法：
(1) 重力沉降(分离较大的颗粒），例：选矿
(2) 离心沉降 (分离尺寸小的颗粒），例：气体
• 对于非球形颗粒物，这种关非常复杂。
精选ppt
15
对于球形颗粒，流体阻力的计算方程：
牛顿阻力公式：
FD
d42
u02
2
FD
CDAP
u2
2
颗粒的投影面积
:阻力系数，通过因次分析法得知，ξ值是颗粒
与流体相对运动时的雷诺数的函数。
f(Roe)
Re0
duo
颗粒的雷诺数
精选ppt
16
层流区
过渡区
3. 非均相物系分离的目的
1）、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒 （如海盐生产） ；从催化反应器出来的气体， 常带有催化剂颗粒，必须把这些有价值的颗粒 回收利用。
2）、劳动保护和环境卫生，对三废：废气、废 液、废渣的处理（环保），非均相物系分离的 目的是除害收益。
化工原理：3-1非均相物系分离
基于流体力学的理论，一般可采用机械分 离的方法进行分离
1、沉降：颗粒相对于流体运动。 重力沉降 离心沉降 电场力
返回
2、过滤：流体相对于固体颗粒床层运动。
重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤
返回
其他方法
离子交换分离 如: 水中的Ca2+, Mg2+
膜分离 如 ：海 水的脱盐、造纸废 水的处理
Feed
Product
Separating agent
Separation equipment accounts for 50 to 90% of the capital investment in large-scale petrochemical processes centered around chemical reactions
悬浮液、乳浊液、泡沫液
气态非均相物系：固、液分散在气相中。 含尘气体、含雾气体
返回
按颗粒大小分 粗悬浮系统：d>100μm •悬浮系统：0.1μm>d>100μm •胶体系统：d<0.1μm
返回
3.1.3 非均相物系的分离目的
回收有用的分散相 净化连续相 环境保护的需要
返回
3.1.4 非均相物系的分离方法
composed of about 70% coal
power with particular particle
size distribution, 30% water
and little additive(less than
1%).
返回
3.1.2 非均相物系的分类
根据连续相的状态分： 液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。
返回
②无量纲参数判别法(K判据法）
1、沉降：颗粒相对于流体运动。 重力沉降 离心沉降 电场力
返回
2、过滤：流体相对于固体颗粒床层运动。
重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤
返回
其他方法
离子交换分离 如: 水中的Ca2+, Mg2+
膜分离 如 ：海 水的脱盐、造纸废 水的处理
Feed
Product
Separating agent
Separation equipment accounts for 50 to 90% of the capital investment in large-scale petrochemical processes centered around chemical reactions
悬浮液、乳浊液、泡沫液
气态非均相物系：固、液分散在气相中。 含尘气体、含雾气体
返回
按颗粒大小分 粗悬浮系统：d>100μm •悬浮系统：0.1μm>d>100μm •胶体系统：d<0.1μm
返回
3.1.3 非均相物系的分离目的
回收有用的分散相 净化连续相 环境保护的需要
返回
3.1.4 非均相物系的分离方法
composed of about 70% coal
power with particular particle
size distribution, 30% water
and little additive(less than
1%).
返回
3.1.2 非均相物系的分类
根据连续相的状态分： 液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。
返回
②无量纲参数判别法(K判据法）
03 非均相物系的分离
0.44 （球形）
3.2 重力沉降
一、重力沉降速度 1. 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。
干扰沉降：若颗粒数量较多，相互间距离较近，
沉降时相互干扰，称为干扰沉降。
颗粒受力分析：以球形颗粒为研究对象 重力： Fg
6
3 d pp g
Fb Fd
流体对颗粒的浮力： Fb
6
3 d p g
颗粒运动后流体对颗粒的阻力：
Fd Ap
u2
2
4
d p2
u2
2
Fg
由动量定理： F Fg Fb Fd m
du d
6
d pg
3 p
6
d g
3 p
4
d
2 p
u2
du d p 2 6 d
dp↑→ut↑↑
啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，易于分离和澄清 均质乳化， dp↓→ut↓ ↓ ，使饮料不易分层 加絮凝剂，如水中加明矾
（2）连续相的粘度
应用：
加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ↓→ut↑，易于分离 增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ↑→ut ↓，不易分层
加热：
刚开始：有细小颗粒通过孔道，滤液混浊 开始后：迅速发生“架桥现象”，颗粒被拦 截，滤液逐渐澄清，直至完全澄清 滤饼过滤时真正起过滤作用的是滤饼本身， 而非过滤介质 适用于固体含量较高的悬浮液（ 1%以上）
（2）深层过滤
特点：颗粒沉积于介质内部
过滤对象：悬浮液中的固体颗粒小且少
过滤介质：堆积较厚的粒状床层，砂子等 过滤原理：颗粒尺寸 介质通道尺寸，颗粒通过细长而弯 曲的孔道，靠惯性碰撞、扩散沉积、重力沉积、静电效应及 分子间作用力附着在介质孔道上 应用：适于处理生产能力大而悬浮液中颗粒小而且含量 少的场合，如水处理和酒的过滤
非均相物系的分离
整理可得到球形颗粒在相应各区的沉降速度公式，即
第一节 沉 降 分 离
式（3-11）、式（3-12）及式（3-13）分别称为斯托克斯公式、 艾仑公式和牛顿公式。球形颗粒在流体中的沉降速度可根据不同流型， 分别选用上述三式进行计算。由于沉降操作中涉及的颗粒直径都较小， 操作通常处于层流区，因此，斯托克斯公式应用较多。计算沉降速度 ut首先要选择相应的计算公式，判断流动类型，因此需先知道Re。然 而，由于ut不知，Re不能预先算出，所以计算ut需采用试差法，即先 假设沉降属于层流区，用斯托克斯计算ut，然后将ut代入式（3-7） 中计算Re，若Re>1，便根据其大小改用相应的公式另行计算ut，所 算出的ut也要核验，直至确认所用的公式适合为止。同理，已知沉降 速度，也可计算沉降颗粒的直径。
容器的壁面和底面会对沉降的颗粒 产生曳力，使颗粒的实际沉降速度低于 自由沉降速度。当容器尺寸远远大于颗 粒尺寸时（如大100倍以上），器壁效 应可以忽略，否则，则应考虑器壁效应 对沉降速度的影响。
第一节 沉 降 分 离
3. 粒形状的影响
同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积的非球形
颗粒的沉降要快一些。非球形颗粒的形状及其投影面积A均对
第一节 沉 降 分 离
第一节 沉 降 分 离
（三）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尘粒的设备。最
常见的降尘室如图3-3所示。
图3-3 降尘室
第一节 沉 降 分 离
含尘气体进入降尘室后，颗粒随气流有一水平向前的运 动速度u，同时，在重力作用下，以沉降速度ut向下沉降。
只要颗粒能够在气体通过降尘室的时候降至室底，便可从气
所以
第一节 沉 降 分 离
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0.44
ut 1.74
ds s g
——牛顿公式
8/7/2020
8/7/2020
s
S Sp
1.000
Re
3、影响沉降速度的因素
1）干扰沉降 在前面介绍的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，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉 降，自由沉降的公式不再适用。干扰沉降的速度比自由沉 降的小。 2）壁面效应
等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。
当a=0时，u=ut，代入（a）式
6
d
3
s
g
6
d
3
g
4
d
2
ut 2
2
0
ut
4ds g(s ) 3
——沉降速度表达式
8/7/2020
2、阻力系数ξ
通过因次分析法得知，ξ值是颗粒与流体相对运动时的
雷诺数Ret的函数，
Ret
dsut
对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：
ur
4ds (s ) r2 3
为角速度， 2 n n是转数
重力沉降速度与离心沉降速度的比较
表达式：
ut
4ds (s )g 3
ur
4ds (s ) r2 3
重力沉降速度公式中的重力加速度g改为离心加速度 r2 数值：重力沉降速度基本上为定值
离心沉降速度随旋转半径而变化 方向：重力沉降的方向向下，离心沉降的方向径向向外
8/7/2020
采用离心沉降的颗粒较小，一般处于层流区，阻力系数 24
Re
代入离心沉降公式得层流区的离心沉降公式：
当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其 沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁面效应。
8/7/2020
3）颗粒形状的影响
球形度
s
S Sp
对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形
度φs值愈低。
对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代
替。
6
d
3 e
Vs
de
3
非均相混合物 物系内部有隔开两相的界面存在且 界面两侧的物料性质截然不同的混
合物。 固体颗粒和气体构成的含尘气体 例如 固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体
8/7/2020
非均相物系
分散相 分散物质
处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、 液滴或气泡
a) 滞流区或斯托克斯(stokes) 区（10 –4＜Ret≤1）
24
Re t
ut
gds2 s
18
——斯托克斯公式
8/7/2020
b) 过渡区或艾伦区（Allen）（1＜Ret ≤ 103）
18.5
Re
0.6 t
ut 0.27
gds s Re t0.6
——艾伦公式
c) 湍流区或牛顿区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）
8/73 离心沉降
离心沉降：依靠离心力的作用实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。
一、离心沉降速度
当流体带着颗粒旋转时，惯性离心力场中颗粒在径向上受 到三个力（离心力、向心力、阻力）的作用，如果上述三力达 到平衡，即可求得颗粒的离心沉降速度ur，其计算公式为：
连续相 包围着分散物质且处于连续状 分散相介质 态的流体
如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体
连续相与分散相 分离
不同的物理性质
机械 分离
分散相和连续相 发生相对运动的方式
8/7/2020
沉降 过滤
3.2重力沉降
沉降： 在外力的作用下，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。
第三章 非均相混合物的分离
学习目的： 通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离 操作的原理、过程计算，了解典型设备的结构与特性。 重点掌握： （1）沉降速度的计算 （2）恒压过滤的基本方程式及计算
3.1 概述
均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不
混合物
存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体
重力
Fg
6
ds3s g
浮力
Fb
6
ds3 g
由于ρs> ρ，故Fg>Fb，颗粒在（Fg-Fb ）作用下，开始向下作加
速运动，这时颗粒将受到流体向上作用的局部阻力Fd，仿照
流体流动阻力的计算式写为 ：
Fd
A
Fd
u 2
2
4
对球形颗粒A
d 2 u2
2
4
d
2
若以颗粒沉降的方向为正方向，颗粒在瞬间受到的合力
ut
95106 2 3000 998.2 9.81
18 1.005 103
9.797 103 m / s
核算流型
Ret
dsut
95 106
9.797 103 1.005 103
998.2
0.9244＜1
原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。
8/7/2020
二、重力沉降设备
含尘气体
净化气体
外力
重力 离心力
重力 沉降 离心沉降
8/7/2020
一、球形颗粒的自由沉降
自由沉降： 是无干扰沉降，要求物系中分散相为球形，且颗粒的
光洁度、直径、密度相同，颗粒的浓度较稀，沉降设备的尺 寸相对较大，器壁对颗粒的沉降无干扰作用。
1、球形颗粒的自由沉降速度 设颗粒的密度为ρs，直径为ds，流体的密度为ρ， ρs> ρ,颗粒将在重力作用下作沉降运动。 分析颗粒的受力情况。
为 F，根据牛顿第二定律有
F Fg Fb Fd ma
8/7/2020
6
ds3s g
6
ds3 g
4
ds2
u2
2
6
ds3sa
(a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时， Fg、Fb、 Fd
达到平衡，即 F 0，a=0 ，颗粒开始作匀速沉降运动。
Ret≤1
公式适 用为止
判断 艾伦公式
……
求ut
Ret＞1
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。
8/7/2020
解：用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
ut
ds2
s
18
g
附录2查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
6
Vs
颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ愈大 但φs值对ξ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种 影响变大。
8/7/2020
4、沉降速度的计算
（1）试差法 （2）摩擦数群法（不介绍）
试差方法：
ut 假设沉降属于层流区
gds2 s
18
utRet dsut
Ret
ut为所求
ut 1.74
ds s g
——牛顿公式
8/7/2020
8/7/2020
s
S Sp
1.000
Re
3、影响沉降速度的因素
1）干扰沉降 在前面介绍的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，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉 降，自由沉降的公式不再适用。干扰沉降的速度比自由沉 降的小。 2）壁面效应
等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。
当a=0时，u=ut，代入（a）式
6
d
3
s
g
6
d
3
g
4
d
2
ut 2
2
0
ut
4ds g(s ) 3
——沉降速度表达式
8/7/2020
2、阻力系数ξ
通过因次分析法得知，ξ值是颗粒与流体相对运动时的
雷诺数Ret的函数，
Ret
dsut
对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：
ur
4ds (s ) r2 3
为角速度， 2 n n是转数
重力沉降速度与离心沉降速度的比较
表达式：
ut
4ds (s )g 3
ur
4ds (s ) r2 3
重力沉降速度公式中的重力加速度g改为离心加速度 r2 数值：重力沉降速度基本上为定值
离心沉降速度随旋转半径而变化 方向：重力沉降的方向向下，离心沉降的方向径向向外
8/7/2020
采用离心沉降的颗粒较小，一般处于层流区，阻力系数 24
Re
代入离心沉降公式得层流区的离心沉降公式：
当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其 沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁面效应。
8/7/2020
3）颗粒形状的影响
球形度
s
S Sp
对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形
度φs值愈低。
对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代
替。
6
d
3 e
Vs
de
3
非均相混合物 物系内部有隔开两相的界面存在且 界面两侧的物料性质截然不同的混
合物。 固体颗粒和气体构成的含尘气体 例如 固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体
8/7/2020
非均相物系
分散相 分散物质
处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、 液滴或气泡
a) 滞流区或斯托克斯(stokes) 区（10 –4＜Ret≤1）
24
Re t
ut
gds2 s
18
——斯托克斯公式
8/7/2020
b) 过渡区或艾伦区（Allen）（1＜Ret ≤ 103）
18.5
Re
0.6 t
ut 0.27
gds s Re t0.6
——艾伦公式
c) 湍流区或牛顿区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）
8/73 离心沉降
离心沉降：依靠离心力的作用实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。
一、离心沉降速度
当流体带着颗粒旋转时，惯性离心力场中颗粒在径向上受 到三个力（离心力、向心力、阻力）的作用，如果上述三力达 到平衡，即可求得颗粒的离心沉降速度ur，其计算公式为：
连续相 包围着分散物质且处于连续状 分散相介质 态的流体
如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体
连续相与分散相 分离
不同的物理性质
机械 分离
分散相和连续相 发生相对运动的方式
8/7/2020
沉降 过滤
3.2重力沉降
沉降： 在外力的作用下，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。
第三章 非均相混合物的分离
学习目的： 通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离 操作的原理、过程计算，了解典型设备的结构与特性。 重点掌握： （1）沉降速度的计算 （2）恒压过滤的基本方程式及计算
3.1 概述
均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不
混合物
存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体
重力
Fg
6
ds3s g
浮力
Fb
6
ds3 g
由于ρs> ρ，故Fg>Fb，颗粒在（Fg-Fb ）作用下，开始向下作加
速运动，这时颗粒将受到流体向上作用的局部阻力Fd，仿照
流体流动阻力的计算式写为 ：
Fd
A
Fd
u 2
2
4
对球形颗粒A
d 2 u2
2
4
d
2
若以颗粒沉降的方向为正方向，颗粒在瞬间受到的合力
ut
95106 2 3000 998.2 9.81
18 1.005 103
9.797 103 m / s
核算流型
Ret
dsut
95 106
9.797 103 1.005 103
998.2
0.9244＜1
原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。
8/7/2020
二、重力沉降设备
含尘气体
净化气体
外力
重力 离心力
重力 沉降 离心沉降
8/7/2020
一、球形颗粒的自由沉降
自由沉降： 是无干扰沉降，要求物系中分散相为球形，且颗粒的
光洁度、直径、密度相同，颗粒的浓度较稀，沉降设备的尺 寸相对较大，器壁对颗粒的沉降无干扰作用。
1、球形颗粒的自由沉降速度 设颗粒的密度为ρs，直径为ds，流体的密度为ρ， ρs> ρ,颗粒将在重力作用下作沉降运动。 分析颗粒的受力情况。
为 F，根据牛顿第二定律有
F Fg Fb Fd ma
8/7/2020
6
ds3s g
6
ds3 g
4
ds2
u2
2
6
ds3sa
(a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时， Fg、Fb、 Fd
达到平衡，即 F 0，a=0 ，颗粒开始作匀速沉降运动。
Ret≤1
公式适 用为止
判断 艾伦公式
……
求ut
Ret＞1
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。
8/7/2020
解：用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
ut
ds2
s
18
g
附录2查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
6
Vs
颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ愈大 但φs值对ξ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种 影响变大。
8/7/2020
4、沉降速度的计算
（1）试差法 （2）摩擦数群法（不介绍）
试差方法：
ut 假设沉降属于层流区
gds2 s
18
utRet dsut
Ret
ut为所求