化工原理 第三章 沉降与过滤ppt课件

浮 力Fb： 6dp3g
u
阻力 F dA ： p2 u2 4dp22 u2
阻力 Fd 浮力 Fb
重力 Fg
F gF bF dmamd du
6 d p 3p g 6 d p 3g 4 d p 2 2 u 2 6 d p 3p a
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➢ 随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，d u 逐渐减少。
越小，阻力越大，Re相同时沉降速度越小。
3. 壁效应 使沉降速度下降。
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影响沉降速度的因素总结(以层流区为例)
1) 颗粒直径dp
u gd2(s)
t
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应用：
➢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。
第三章 沉降与过滤
第一节 概述
自然界的混合物分为两大类：
均相物系(honogeneous 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。
物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有
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：
320)20两/5/2相0 密度差( p-)：
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在实际沉降中：
4) 颗粒形状
非球形颗粒的形状可用球形度s 来描述。
s
S Sp
s—— 球形度；
S —— 颗粒的表面积，m2；
分离的目的： 1. 回收分散物质; 2. 净化分散介质。
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。
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沉降： 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。
➢
当u增到一定数值ut时，dd
u
d
=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。
重力沉降速度:也称为终端速度，颗粒受力平衡时， 匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。
ut
4dp(p )g 3
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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
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。
u 9 . 7 1 9m 0 / 7 s d 2 (s ) g ( 9 1 8 6 ) 0 ( 3 9 0 . 2 ) 9 0 9 .8 8 0 1
t
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1 1 .0 8 1 0 30 5
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球形颗粒的阻力系数与雷诺数的关系
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图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同 的计算式表示为：
➢层流区（斯托克斯Stokes区，10-4<Re<2） 24/Re
➢过渡区（艾仑Allen区，2<Re<500）
18.5/Re0.8
10/ Re
➢湍流区（牛顿Newton区，500<Re<2*105） 0.44
➢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。
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颗粒所受的阻力Fd可用下式计算
Fd
A u2
2
(Re)(dpu)
ρ——流体密度；
μ—— 流体粘度；
dp——颗粒的当量直径； A—— 颗粒在运动方向上的投影面积；
u—— 颗粒与流体相对运动速度。
—— 2020/5/20 阻力系数，是雷诺数R精e的选 函数，由实验确定。
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颗粒相对于流体的运动
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
u
对运动，就会产生阻力。
图 流体绕过颗粒的流动
区相应的沉降速度分别为：
层流区（Re<2）
u gd2(s)
t
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过渡区（2<Re<500）
1
ut
4g2(s )2
225
3
d
湍流区（500<Re<2*105）
u 3g(s)d
t
➢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
显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，
含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。
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非均相物系由分散相和连续相组成
分散相： 分散物质。在非均相物系中，处于分散 状态的物质。
连续相： 分散介质。包围着分散物质而处于连续 状态的流体。
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非均相物系分离： 沉降（重力沉降、离心沉降） 过滤
度比在气体中的小很多。
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（二） 沉降速度的计算
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； ③计算Re，验证与假设是否相符； ④如果不相符，则转①。如果相符，OK !
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例：计算直径为98m，密度为3000kg/m3的固体颗粒
分别在20℃的水中的自由沉降速度。
Sp—— 与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。
不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的
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计算Re，核算流型：
Redpu
0.924 24 95 10 69.79 17 0 399 .28 1.00 15 0 3
假设正确，计算有效。
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（三）影响沉降速度的其它因素 1.干扰沉降
u干扰 u自由
2. 颗粒形状
球形度 与非 颗球 粒形 体颗 积粒 相面 的 等积 表 的 A d面 球 e2 积 表
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。
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第二节 重力沉降
一、重力沉降速度 （一）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。
阻力 Fd
Q p, 颗粒下沉 u
浮力 Fb
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重力 Fg
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重 力 ： Fgmg6dp3pg