2011第三章机械分离

1.增稠器
沉聚（sedimentation）：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（clarifier）。
增稠器（thickener）：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。
间歇沉降试验－观察悬浮液的沉聚过程
沉降器－间歇式，半连续式和连续式
（二）降尘室
降尘室的示意图 降尘室：利用重力降分离含尘气体中尘粒的设备。是一种最原 始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。
降尘室
烟道除尘动画
沉降除尘室动画
湍球塔除尘动画
降尘室的计算
l
含尘气体
ut
u
净化气体 b
0.9244 1
假设正确，计算有效。

影响沉降速度的因素(以层流区为例)
1) 颗粒直径dp: 应用：
ut
d p2 ( p ) g 18
啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分离和澄清。
均质乳化， dp↓→ut↓↓，使饮料不易分层。 加絮凝剂，如水中加明矾。
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，这种影响称为壁效应。
6)干扰沉降（hindered settling）：
当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，
颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干 扰沉降速度比自由沉降的小。
第二节 沉降
一、重力沉降 （一）自由沉降与干扰沉降
CD 18.5 / Re 0.8 P
湍流区（牛顿Newton区，103<ReP<105）
CD 0.44
注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域 的计算式是近似的。
（二）颗粒的自由沉降与沉降速度
重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而发
生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。
当u增到一定数值ui时，du/dt=0。颗粒开始作匀速沉降运动。 颗粒的沉降过程分为两个阶段： 加速阶段； 匀速阶段。 沉降速度（terminal velocity） ：也称为终端速度，匀速阶段颗 粒相对于流体的运动速度。
当du/dt =0时，令u= ut，则可得沉降速度计算式
ut 4d p ( p ) g 3C D
第三章 机械分离
重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程 难点：过滤基本方程的应用、过滤设备
第一节
均相物系(honogeneous
概述
自然界的混合物分为两大类：
system): 均相混合物。物系内
部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。
非均相物系(non-honogeneous
system): 非均相混合物。
将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各 区相应的沉降速度分别为： gd p 2 ( p ) 层流区（ReP<1） ut 18 过渡区（1<ReP<500）
湍流区（500<ReP <105）
4g ( p ) ut 225
2 2
dp
s
S Sp
不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的
dp用当量直径de代替。
注意：
球形度s越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。ut非球<ut球
。
对于细微颗粒(d<0.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式 计算ut；
沉降公式可用于沉降和上浮等情况。
5) 壁效应 (wall effect) ：
③ 计算ReP，验证与假设是否相符；
④ 如果不相符，则转①。如果相符，OK !
例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒 分别在20 ℃的空气和水中的自由沉降速度。
解：在20 ℃的水中： 20 ℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为 1.005×10-3 Pas 先设为层流区。
d pc V 18 s ( p ) g bl
例：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5.0×104 m3/h。粉尘 的密度为2000 kg/m3。试求粉尘的临界直径。
u= Vs / Hb
ut≥Vs / lb
或
Vs≤ blut
故与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度为
utc=Vs / bl
临界沉降速度utc是流量和面积的函数。
当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为
d p , min q 18 v ( p ) g LB
由此可知：
一定粒径的颗粒，沉降室的生产能力只与与底面积LB和 utc 有关，而与H无关。 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。
H
假设颗粒运动的水平分速度与气体的流速 u 相同； 停留时间t＝l/u 沉降时间t′＝H/ ut 颗粒分离出来的条件是 l/u≥H/ ut
临界粒径dpc（critical particle diameter）：能100％除 去的最小粒径。
即：满足L/u＝H/ut 条件的粒径
当含尘气体的体积流量为Vs时， 则有


6 6
dp pg
3
u
dp g
3
重力 Fg
Fd C D
d p u 2
2
4
2
p为颗粒密度
根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:
du Fg Fb FD m dt
p du 3C D 2 ( )g u dt p 4d p p
上式表明：
随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/dt 逐渐减少。
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。
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。
非均相物系的分离方法：
由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较 大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式 的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。
广州水厂全貌
图中兰色粗管是来自珠江的原料水，条形池子是絮凝池，左侧池是 沉降池。
水厂沉降池
这是沉降池。图为絮凝之后的水，是从沉降池底部流入，到池子 上部水已很清了。
第一节 流体与粒子的相对运动
定义： 在某种力场的作用下，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单元操作。 沉降力场：重力、离心力。 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。
均相物系的分离：
通常先造成一个两相物系，再用机械分离的方法分 离，如蒸馏，萃取等。
自来水厂的主要流程
自来水厂水的净化分三步， 第一步是絮凝过程，也可以叫反应过程。在流动中使水中的杂质颗粒絮凝长大； 第二步是沉降。沉降池是使大颗粒得以除去。 第三步是砂滤。砂滤池，进一步用900mm厚砂层，将小颗粒杂质滤去。
解 ：与临界直径对应的临界沉降速度为
ut ,min
qv 5.0 10 / 3600 1.11m / s BL 2.5 5
4
假设流型属于过渡区，粉尘的临界直径为
d p , min 225 225 ut , min ut , min 2 2 2 2 4g ( p ) 4g p
1 3
ut 1.74
d p ( p ) g

ut与dp有关。dp愈大，ut则愈大。 层流区与过渡区中，ut还与流体粘度有关。 液体粘度约为气体粘度的50倍，故颗粒在液体中的沉降速
度比在气体中的小很多。
沉降速度的求法：
求沉降速度通常采用试差法。 ① 假设流体流动类型； ② 计算沉降速度；
ut
d p2 ( p ) g 18

(98106 )( 3000998.2)9.81 181.005103
9.797 10 3 m / s
计算Re，核算流型：
Re P
d p ut


95106 9.797103 998.2 1.005103
u
图
流体绕过颗粒的流动
（一）曳力与曳力系数

流体绕球形颗粒的流动
理想流体
A
u0
0
B
85
C
A
u0
B
140
0
C
实际流体
颗粒所受的阻力Fd可用下式计算
Fd CD AP
u 2
2
d p u
C D f ( ReP ) f (
ρ ——流体密度；

)
μ —— 流体粘度；
dp——颗粒的当量直径；
AP—— 颗粒在运动方向上的投影面积；
一、颗粒在流体中的运动
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力（drag force)或阻力。
Fd
Fd与颗粒运动的方向相反 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。
二、 离心沉降（centrifugal settling）
净化气体
含尘气体 粉尘
隔板
继续
多层隔板降尘室示意图 当降尘室用水平隔板分为N层，则每层高度为H/N。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(utc=qv / LB) ； 临界粒径为原来的 1 / N 倍( )； 一般可分离20μm以上的颗粒。多层隔板降尘室排灰不方便。