最新化工原理第三章 机械分离讲解学习

沉降 过滤
一、重力沉降
沉降 ：在某种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。
重力 作用力
惯性离心力
1、沉降速度
重力 沉降 离心沉降
1）球形颗粒的自由沉降 设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，
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重力
Fg
6
d3s g
浮力
Fb
6
d3g
而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照
流体流动阻力的计算式写为 ：
Fd
A
u2
2
Fd
d2
4
u2
2
对球形A颗 粒 d2
4
FgFbFd ma
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6d 3 sg 6d3 g 4d22 u 2 6d3 sa(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 →u0 时，a=0 。 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=u0，代入（a）式
24 R e0
u0
d2
s
18
——斯托克斯公式
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b) 过渡区或阿仑定律区（Allen）（2＜Ret≤500）
1 8 .5
R
e
0 .6 0
u00.269
gds Re00.6
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Ret ≤ 2×105）
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5、分级沉降
含有两种直径不同或密度不同的混合物，也可用沉降方 法加以分离。
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如图所示： 为一双锥分级器，利 用它可将密度不同或 尺寸不同的粒子混合 物分开。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。
0.44
u0 1.74
ds g
——牛顿公式
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3、影响沉降速度的因素
1）颗粒的体积浓度 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。
2）器壁效应
化工原理第三章 机械分离
均相混合物 物系内部各处物料性质均一而且不
混合物
存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体
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
6d3sg 6d3g 4d2u 2020
u0
4dg(s ) 3
---------沉降速度表达式
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2、阻力系数
通过因次分析法得知， 值是颗粒与流体相对运动时
的雷诺数Re0的函数。 对于球形颗粒的曲线，按Re0值大致分为三个区： a) 层流区或托斯克斯(stokes)定律区（Re0≤2）
判断
艾伦公式
……
求u0
Re0＞1
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例：试计算直径为95μm，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：1）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 ，
u0
d2
s
18
Fra Baidu bibliotek
g
附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s
设计型 已知气体处理量和除尘要求，求
降尘室的计算
降尘室的大小
操作型 用已知尺寸的降尘室处理一定量 含尘气体时，计算可以完全除掉 的最小颗粒的尺寸，或者计算要 求完全除去直径dp的尘粒时所能处 理的气体流量。
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例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽 和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427℃ ， 相 应 的 密 度 ρ=0.5kg/m3， 粘 度 μ=3.4×10-5Pa.s， 固 体 密 度 ρS=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求 ： 1．降尘室的总高度H，m； 2．理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； 3. 粒径为40μm的颗粒的回收百分率； 4. 欲使粒径为10μm的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内 设置几层水平隔板？
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二、降尘室
1、降尘室的结构
2、降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流 量，用Vs表示，m3/s。 降尘室内的颗粒运动
以速度u
以速度u0
随气体流动 作沉降运动
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颗粒在降尘室的停留时间 L u
颗粒沉降到室底所需的时间 0 H u0
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。
u0'
1
u0
2
.1
d D
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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Re0中的直径要用当量直径de代
替。
6
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95106 23000998.29.81
u0
181.005103
9.79 17 0 3m /s
核算流型
Re0
du0
9 51 061 .9 0.70 91 51 7 03 0399.280.924＜41
原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。
2） 20℃的空气中的沉降速度
20℃空气：ρ=⒈205 kg/m3，μ=⒈81×10-5 Pa.s
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非均相物系
分散相 分散质
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
连续相 分散介质
包围着分散相物质且处于连续 状态的流体 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
分离
连续相与分散相 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
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de3
Vp
de
3
6
VP
颗粒的球形度愈小，对应于同一Re0值的阻力系数 愈大 但φs值对 的影响在层流区并不显著，随着Re0的增大，这
种影响变大。
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4、沉降速度的计算
试差法
方法： 假设沉降属于层流区
u0
d2
s
18
Re0 du0
u0
Re0
u0为所求
Re0≤2
公式适 用为止
为了满足除尘要求 0
L H ——降尘室使颗粒沉降的条件
u u Vs
HB
u0
L LHB
Vs
Vs
LHB H Vs u0
HB
Vs BLu0 ——降尘室的生产能力
降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积BL和颗粒的沉
降速度u0有关，而与降尘室的高度H无关。
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3、降尘室的计算