化工原理第三章第一节PPT课件
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第三章 机械分离与固体
流态化
第一节 重力沉降
一、沉降速度
1、球形颗粒的自由沉降 2、阻力系数 3、影响沉降速度的因素 4、沉降速度的计算 5、分级沉降
二、降尘室
1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力
2021/2/12
混合物
均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不 存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体
2021/2/12
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
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
连续相 包围着分散相物质且处于连续 连续相介质 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
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
2021/2/12
沉降 过滤
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
第二节 沉降分离
一、沉降原理
1、自由沉降 ---单个颗粒在无限大流 体中的降落过程
加速段：极短，通常可以忽略
曳力FD
u02
2
d 2
4
浮力Fb
m g s
等速段：该段的颗粒运动速度称为 沉降速度，用u0表示。
重力沉降速度：以球形颗粒为例
合外力 Fc Fb FD 0
2021/2/12
mg1
s
u02
2
4
d2
0
质m量g力或Fmc ar
颗粒在流体中沉降时受力
1、自由沉降
d 3
6
s 1
s
g
d 2
4
u02
2
0
u0
4d s g
3
Re0=du0/ 1或2
层流区 24
Re0
u0
d
2s
18
g
----斯托克斯定律
2021/2/12
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。 对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区： a) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 –4＜Ret<1）
24
Ret
ut
d 2s
18
——斯托克斯公式
2021/2/12
颗粒沉降的阻力系数与雷诺数的关系
2021/2/12
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103）
18.5 Ret0.6
ut 0.269
gd s Re t0.6
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）
0.44
ut 1.74
d s g
——牛顿公式
2021/2/12
1、自由沉降
离心沉降速度
颗粒受力：
❖ 离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量
离心力Fc mar
❖ 沉降过程没有匀速段，但在小颗粒 沉降时，加速度很小，可近似作为匀速 沉降处理
浮力Fb mar s
曳力FD
ur2
2
A
类似重力沉降速度推导，得：
ur
4d s ar
3
对照重力场
u0
4d s g
3
A
r1 O
r2
r
B ur
C
u
ut
颗粒在旋转流场中的运动
2021/2/12
1、自由沉降
Rer=dur/ 1或2
层流区 24
Rer
ur
d 2 s ar
18
d 2 s 2r
18
d 2 s ut2
18r
KC
ac g
-----离心分离因数 数值约为几千～几万
对照重力场
u0
d 2 s g
18
A
r1 O
r2
r
B ur
C
u
ut
颗粒在旋转流场中的运动
2021/2/12
❖ 干扰沉降
2、实际沉降
由于干扰作用，实际沉降速度 小于自由沉降速度。
❖ 非球形颗粒的沉降 球形度越小，沉降速度越小； 颗粒的位向对沉降速度也有影响。
❖ 壁面效应 由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。
2021/2/12
二、沉降设备
重力沉降设备
降尘室气固体系 沉降槽液固体系
---用于除去>75m以上颗粒
离心沉降设备旋旋液风分分离离器器
气固体系
---用于除去>5～10m
液固体系
颗粒
2021/2/12
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ut
随气体流动 作沉降运动
2021/2/12
1．重力沉降设备
降尘室
气体
气体
结构：
进口
出口
除尘原理：
思考1：为什么气体进入降尘 室后，流通截面积要扩大？
集灰斗
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
L
停留时间 t
L u
沉降时间 0 高度 u0
含尘气体
B
u
H
若t 0
则表明，该颗粒能在降尘室 u0
中除去。
颗粒在降尘室中的运动
2021/2/12
降尘室
思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室 中被100%除去，必须满足什么条件？
思考4：能够被100%除去的最小颗粒， 必须满足什么条件？
t
0
H u0
t
0
即L u
H u0
u0
d 2 s g
18
dmin
18Hu
gs L
g
18
s
Vs A0
L
思考5：粒径比dmin小的颗粒，
u
被除去的百分数如何计算？
气体
u0
B H
2021/2/12
颗粒在降尘室中的运动
降尘室
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
LH
u u0
最大处理量------能够除去最小颗粒时的气体流量Vs
Vs BHu BLu0 A0u0
可见，降尘室最 大处理量与底面积、 沉降速度有关,而 与降尘室高度无关。
故降尘室多做成 扁平的。
L
注意!!
多层降尘室
气体
降尘室内气体流速不应过高，以免将 已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验， 多数灰尘的分离，可取u<3m/s，较易扬 起灰尘的，可取u<1.5m/s。
2021/2/12
u
B
ut
H
颗粒在降尘室中的运动
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
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。
ut '
1
ut 2.1
d
D
2021/2/12
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
流态化
第一节 重力沉降
一、沉降速度
1、球形颗粒的自由沉降 2、阻力系数 3、影响沉降速度的因素 4、沉降速度的计算 5、分级沉降
二、降尘室
1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力
2021/2/12
混合物
均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不 存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体
2021/2/12
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
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
连续相 包围着分散相物质且处于连续 连续相介质 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
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
2021/2/12
沉降 过滤
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
2021/2/12
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第二节 沉降分离
一、沉降原理
1、自由沉降 ---单个颗粒在无限大流 体中的降落过程
加速段：极短，通常可以忽略
曳力FD
u02
2
d 2
4
浮力Fb
m g s
等速段：该段的颗粒运动速度称为 沉降速度，用u0表示。
重力沉降速度：以球形颗粒为例
合外力 Fc Fb FD 0
2021/2/12
mg1
s
u02
2
4
d2
0
质m量g力或Fmc ar
颗粒在流体中沉降时受力
1、自由沉降
d 3
6
s 1
s
g
d 2
4
u02
2
0
u0
4d s g
3
Re0=du0/ 1或2
层流区 24
Re0
u0
d
2s
18
g
----斯托克斯定律
2021/2/12
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。 对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区： a) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 –4＜Ret<1）
24
Ret
ut
d 2s
18
——斯托克斯公式
2021/2/12
颗粒沉降的阻力系数与雷诺数的关系
2021/2/12
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103）
18.5 Ret0.6
ut 0.269
gd s Re t0.6
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）
0.44
ut 1.74
d s g
——牛顿公式
2021/2/12
1、自由沉降
离心沉降速度
颗粒受力：
❖ 离心加速度ar=2r=ut2/r不是常量
离心力Fc mar
❖ 沉降过程没有匀速段，但在小颗粒 沉降时，加速度很小，可近似作为匀速 沉降处理
浮力Fb mar s
曳力FD
ur2
2
A
类似重力沉降速度推导，得：
ur
4d s ar
3
对照重力场
u0
4d s g
3
A
r1 O
r2
r
B ur
C
u
ut
颗粒在旋转流场中的运动
2021/2/12
1、自由沉降
Rer=dur/ 1或2
层流区 24
Rer
ur
d 2 s ar
18
d 2 s 2r
18
d 2 s ut2
18r
KC
ac g
-----离心分离因数 数值约为几千～几万
对照重力场
u0
d 2 s g
18
A
r1 O
r2
r
B ur
C
u
ut
颗粒在旋转流场中的运动
2021/2/12
❖ 干扰沉降
2、实际沉降
由于干扰作用，实际沉降速度 小于自由沉降速度。
❖ 非球形颗粒的沉降 球形度越小，沉降速度越小； 颗粒的位向对沉降速度也有影响。
❖ 壁面效应 由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。
2021/2/12
二、沉降设备
重力沉降设备
降尘室气固体系 沉降槽液固体系
---用于除去>75m以上颗粒
离心沉降设备旋旋液风分分离离器器
气固体系
---用于除去>5～10m
液固体系
颗粒
2021/2/12
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ut
随气体流动 作沉降运动
2021/2/12
1．重力沉降设备
降尘室
气体
气体
结构：
进口
出口
除尘原理：
思考1：为什么气体进入降尘 室后，流通截面积要扩大？
集灰斗
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
L
停留时间 t
L u
沉降时间 0 高度 u0
含尘气体
B
u
H
若t 0
则表明，该颗粒能在降尘室 u0
中除去。
颗粒在降尘室中的运动
2021/2/12
降尘室
思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室 中被100%除去，必须满足什么条件？
思考4：能够被100%除去的最小颗粒， 必须满足什么条件？
t
0
H u0
t
0
即L u
H u0
u0
d 2 s g
18
dmin
18Hu
gs L
g
18
s
Vs A0
L
思考5：粒径比dmin小的颗粒，
u
被除去的百分数如何计算？
气体
u0
B H
2021/2/12
颗粒在降尘室中的运动
降尘室
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
LH
u u0
最大处理量------能够除去最小颗粒时的气体流量Vs
Vs BHu BLu0 A0u0
可见，降尘室最 大处理量与底面积、 沉降速度有关,而 与降尘室高度无关。
故降尘室多做成 扁平的。
L
注意!!
多层降尘室
气体
降尘室内气体流速不应过高，以免将 已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验， 多数灰尘的分离，可取u<3m/s，较易扬 起灰尘的，可取u<1.5m/s。
2021/2/12
u
B
ut
H
颗粒在降尘室中的运动
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
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。
ut '
1
ut 2.1
d
D
2021/2/12
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