非均相混合物的分离

3.3 沉降分离
②对设备而言，生产能力 Vs 只与沉降面积 bL 和
最小颗粒的沉降速度 utc有关，与H无关。 所以设计降尘室时，应作成扁平形。 ③气体在降尘室的流速u 不宜过高，
一般应保证处于层流区
dsc
18 ut c (s )g
18 V s
( )gbL s
3.3 沉降分离
5.多层降尘室：
3.常见的降尘室结构
3.3 沉降分离
4.降尘室的生产能力
L H
uu tc
u Vs (Hb)
HbL V
s
H u
tc
V bLu
s
tc
说明： ①当 Vs 一定时,
utc( d sc) 只与沉降bL面积有关，与H无关
b u t utc dsc
L u不变
《化工原理》课件——第四章 沉降与过滤
• 床层比表面积也可根据堆积密度估算
ab (1 )a
b (1 ) s
ab
6b d s
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 ）
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
《化工原理》课件——第四章 沉降与过滤
3.1 概述
分散相：非均相物系中处于分散状态的物质，如 悬浮液中的固体颗粒。 连续相：包围分散质的处于连续状态的流体。如 悬浮液中的液体。
3.1 概述
3.1.2 非均相混合物的分离方法
➢依据：分散相与连续相之间的物理性质的差异。如 密度、颗粒外径等
➢方法：连续相与分散相之间发生相对运动而分离.
3.1.4 分离目的
①回收有价值的物质 ②净化分散介质 ③保护环境和安全生产
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1 颗粒的特性
3.2.1.1 单一颗粒的特性 （1）球形颗粒
体积V d 3
6
表面S积 d 2
比表面a 积6 （2）非球形颗粒d
非球形颗粒可用当量直径及形状系数来表示其特 性。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
小结
▪雷诺数公式
d u
Re s t
▪层流区—Stokes定律区 104 Re 1
24
d2( )g
u
s
Re
t
18
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
沉降槽： 间歇式沉降槽又分为多单层层沉沉降降槽槽
开始发生边界层分离
颗粒后部形成旋涡——尾流 尾流区压强低形体阻力增大
18.5
Re
0.6 t
ut 0.27
gd
s
Re
0.6 t
3.3 沉降分离
③湍流区(牛顿区) 1000 Ret 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
0.44
ut 1.74
gd s
降尘室应隔成多少层？
解:(1) V bLu
s
tc
4
u V
tc
s
(bL)
0.4 m s
25
3.3 沉降分离
设为层流沉降：
utc
d
2 c
(
s
)g
18
dc
18utc (s )g
18 0.026103 0.4 (3000 0.75) 9.81
7.97105 m
校核
du
Re c tc 0.92 1
V N s
4
28.3 29层
bLu 10 0.01415
tc
h H 2 0.069m N 29
3.3 沉降分离
例：已测得密度为ρ=1630kg/m3的塑料珠在20℃ 的 CCl4 液 体 中 的 沉 降 速 度 为 1.70×10-3m/s ， 20 ℃时CCl4的密度ρ=1590kg/m3，粘度μ=1.03×1 0-3 Pa·s，求此塑料珠的直径。
离心沉降 作用力是惯性离心力
3.3 沉降分离
3.3.1 重力沉降 受地球吸引力的作用而发生的沉降。
3.3.1.1 沉降速度 假设：
①颗粒为球形； ②颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰 ③容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略 ④颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响
3.3 沉降分离
1.球形颗粒的自由沉降：
受力分析
3.3 沉降分离
④ Ret>2105 阻力系数骤然下降 层流边界层湍流边界层 分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降
Ret (3 ~ 10) 105 近似取=0.1
3.3 沉降分离
➢自由沉降速度的公式不适用于非常微细颗粒（如d <0.5μm ) 的沉降计算，这是由于流体分子热运动 使得颗粒发生布朗运动。当Ret>10-4时，可不考虑布 朗运动的影响。
重力：Fg
π 6
d 3s g
s
颗流
浮力：Fb
π 6
d 3 ρg
粒 体
密
密
阻力：Fd
(π d2)
4
ρu2 2
度
度
《化工原理》课件——第四章 沉降与过滤
3.3 沉降分离
Fg Fb Fd ma
①刚开始沉降： u 0
Fg Fb 不变
a最大
Fd 0
②开始沉降
u
Fd
Fg Fb Fd a
3.3 沉降分离
解：可设得小珠沉降在斯托克斯定律区，按式
ut
d2(s )g 18
校验Re， ＜1
计算有效
3.3 沉降分离
例：质量流量为2.50kg/s、温度为20℃的常压 含尘空气在进入反应器之前必须除尘并预热至1 50℃，所含尘粒密度为1800kg/m3。现有一台总 面积为130m3的多层降尘器，试求在下列两种情 况时此降尘器可全部除去的最小颗粒直径：
da
di G
di
或da
1 xi
di
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.2 颗粒床层的特性
3.2.2.1 床层空隙率 固定床：众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层。
床层体积 颗粒体积 床层体积
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
• 3.2.2.2 床层的比表面积 • 单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积。若忽略颗粒之间接触面积的影响
计算有效
3.3 沉降分离
(2)隔成10层：
若dc不变
utc不变
Vs ' blutc N
若流量不变
1
仍为层流沉降 dsc ' N dsc
d
' sc
7.97 105
1 2.52105 m 10
Vs’=10Vs
或 dsc '
18 utc ' (s )g
18 Vs 2.52105 m (s )g blN
3.3 沉降分离
(3)由以上计算知，粒径为40μm的颗粒必定在 滞流区
ut
d2(s )g 18
(40106 )2 (3000 0.75) 9.81 18 0.026103
0.1006m/
s
气体在降尘室的停留时间 H 2 5s
utc 0.4
3.3 沉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分离
40um的颗粒在5s内的沉降高度
体积当量直径de de
3
6Vp
表面积当量直径des de s
Sp
比表面积当量直径dea 形状系数
dea
6 ap
形状系数表征颗粒的形状与球形的差异程度
s
S Sp
球形颗粒，
值
s
=1，颗粒形状与球形差别愈大，s
愈低。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
非球形颗粒通常以体积当量直径和形 状系数来表征颗粒的体积、表面积和比表面积。
试差法：
非试差法：
摩擦数群法 无因次判据法
3.3 沉降分离
试差法：
假设 流型
选择 公式
计算
ut
验算
计算
Ret
3.3 沉降分离
例：求直径40μm球形颗粒在30℃大气中的自由沉降 速度。已知ρ颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。
解： 查30℃、0.1MPa空气： 1.165kg m3
dc
校核
18utc
机械
分离
沉 降 方 法
分 离 离 重 心 力 沉 沉 降 降
重 力 过 滤
过 滤 真 加 空 压
过滤 过滤
离 心 过 滤
3.1 概述
3.1.3 机械分离方法的推动力
重力沉降推动力:以重力为主, 速度慢 离心沉降推动力:以惯性离心力为主,还有重力, 速度快 过滤推动力:以压力差为主, 还包括重力, 惯性离心力
1 N dsc
多层降尘室： V bLu N
s
tc
h H N
3.3 沉降分离
例:降尘室高2m,宽2m,长5m。气体流量为4m3/s,
ρ为0.75kg/m3,μ为0.026cp。(1)求除尘的dc；(2)将 降尘室隔成10层,若dc不变,则流量？若流量不变,则
dc？已知ρ尘粒为3000kg/m3。(3)粒径为40μm的颗粒 的回收百分率？(4)如欲回收直径为15 μm的尘粒，
➢沉降速度关系式适用于颗粒与流体在重力方向上的 相对运动的计算。例如: 颗粒密度大于流体密度的 沉降操作；颗粒密度小于流体密度的颗粒浮升运动 ；在静止流体中颗粒的沉降，流体相对于静止颗粒 的运动；颗粒与流体逆向运动的情况；颗粒与流体 同向运动但具有不同的相对速度的计算。
3.3 沉降分离
3.ut的计算：
Sp S
=与颗粒体积相等的圆球的表面积 颗粒的表面积
1
3.3 沉降分离
3.3 沉降分离
①层流区(Stokes区) Ret 1
不发生边界层分离 表面摩擦阻力占主导地位
24
Ret
ut
d 2 s g
18
—Stokes公式
3.3 沉降分离
②过渡区(Allen区) 1 Ret 1000
连续式
3.3 沉降分离
一、降尘室 1.用途：分离气流中的尘粒
3.3 沉降分离
2.工作原理
3.3 沉降分离
气体入室减速 颗粒的沉降运动随气体运动 沉降运动时间<气体停留时间分离 说明 : d，容易除去
气量V，容易除去
3.3 沉降分离
沉降时间：t
H ut
停留时间： L
u
分离条件：
t
L H uu
（1 ）先除尘后预热；（2） 先预热后除尘。
3.3 沉降分离
解：（1）查表可知，μ=18.1×10-6 Pa·s ρ=1.20kg/m
3
体积流量 Vs 2.50 2.08m3 / s 1.20
Vs
bLNutc
utc
Vs NbL
2.08 130
0.016m /
s
3.3 沉降分离
假定颗粒沉降处于斯托克斯定律区，则
H' 0.10065 0.503m
回收率 H' 0.503 0.252 H2
或 ut 0.1006 0.252
utc
0.4
3.3 沉降分离
(4)如欲回收直径为15um的尘粒，
utc
d2(s )g 18
(15106 )2 (3000 0.75) 9.81 18 0.026103
0.01415m/ s
内容纲要
• 3.1 概述 • 3.2 颗粒及颗粒床层的特性 • 3.3 沉降分离 • 3.4 过滤
3.1 概述
• 3.1.1 混合物分类
溶液：精馏、萃取 均相混合物
混合气体：吸收、吸附
混合物
含雾气体
气态非均相
非均相
含尘气体
混合物
悬浮液
物系内部存在相界面且界 面两侧的物理性质完全不 同。
液态非均相 乳浊液 气泡液
t
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。
3.3 沉降分离
3.3 沉降分离
u增加至一定值时 Fg Fb Fd a＝0 匀速沉降
u ut 自由沉降速度
1 6
d
3
s
g
1 d 3g
6
1 4
d
2
ut2
2
ut
4gd(s ) m / s 3
自由沉降速度公式
3.3 沉降分离
2.阻力系数 的计算
因次分析 f(, Re) d u
Re s t
‫٭‬球形度
Vp
6
de3,
Sp
d e 2 s
ap
6
sde
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
3.2.1.2 颗粒群的特性
1、粒度分布 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量即粒径分布。 标准筛: 泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。
我 国用泰勒制。
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
2、 颗粒的平均粒径
平均比表面积直径
1 1 Gi xi
设为层流，则：
1.86 105 Pa s
ut
d2(s )g 18
(40106 )2 9.81 (2600 1.165) 18 1.86 105
0.12m s
校核： Re dut 0.3 1 (正确)
3.3 沉降分离
4.影响沉降速度的因素
▪流体的粘度、密度 ▪颗粒的体积浓度 ▪器壁效应 ▪颗粒形状的影响 ▪颗粒的最小尺寸
单层
Vs
u Vs Hb
ut
N层 Vs ' Vs N
Vs u' N u
bH N
ut' ut
3.3 沉降分离
单层
L
u
t
H ut
V u s
t c bL
N层
' L
u'
t '
H N
ut '
t
N
V
u '
s
N
u tc
tc bL N
d sc
dsc '
18 utc' (s )g
18 utc (s )g N