第一节沉降分离原理及设备优秀课件
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第一节沉降分离原理及设备
一：学习要求 应重点掌握沉降、过滤过程的基本原理、计算方
法、典型设备的结构特性，并且能根据生产工艺要 求，合理选择设备 二：应重点掌握的内容
1：应用流体力学原理分析颗粒相对于流体以及流 体相对于颗粒床层的流动规律。
2：沉降（重力、离心沉降）过程的基本原理、
影响因素分析及强化措施，降尘室的设计，旋风分 离器的选型。 3：过滤操作的原理，影响因素分析及强化措施， 恒压过滤及其生产能力的计算、过滤常数的测定。
匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut 称为
沉降速度。
3）：自由沉降速度
6
d 3 (s
)g
4
d2
ut2
2
0
ut
4dg(s ) 3
——自由沉降速度表达式
思考：沉降速度的方向和什么因素有关
ρ、ρs的相对大小决定了初始加速度的方向， 即沉降速度的方向
3：阻力系数（曳力系数）ξ
因次分析知 f(Ret,s)
其关系见图。
Ret
dut
d——颗粒的粒径； ρ、µ——流体的密度、黏度
ut——颗粒和流体间的相对运动（三种情况）速度
对于球形颗粒，按 Ret 值大致分为三个区：
1) ：滞流区或斯托克斯(stokes)定律区（10-4＜
Ret<1） ；无形体阻力，只有表面阻力
24
Ret
阻力和沉降速度的一次方成正比
非球形颗粒Φs＜1； Φs ↑，则颗粒越接近于球形
②：颗粒的当量直径： 体积当量直径de 比表面积当量直径da
A：体积当量直径de
与该颗粒体积相等的球体的直径
de
( 6Vp
1
)3
B：比表面积当量直径da
da
6 a
与该颗粒比表面积相等的球体的直径
③：颗粒的体积、表面积、比表面积：
Vp
6
d3 e
Sp
ut
d2
s
18
g
——斯托克斯公式
2 ） ： 过 渡 区 或 艾 伦 定 律 区 （ Allen）（1＜ Ret<103） ；形体阻力和表面阻力均不可忽略
18.5
Ret0.6
阻力和沉降速度的1.4次方成正比
ut 0.269
gd s Ret0.6
——艾伦公式
3）： 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜ Ret ＜ 2×105） ；只有形体阻力，无表面阻力
d 2ut 2 2 2
R
2 et
4d 3
s
3 2
g
沉降体系一定数群ξRet2只和粒径有关
令k
d3
s g
2
42
合力
F F g F b F d m a
m
du d
6
d 3 (s
)g
4
d2
u2
2
6
d 3s
du
d
2）：颗粒的运动情况
开始沉降的瞬间，u=0， Fd=0， a→max ； 开始沉降后，u ↑ →Fd ↑（加速，但a逐渐减小）
——加速阶段（加速阶段很短，在整个沉降过 程中可忽略）
a=0 时， u →ut （max)——匀速阶段
6）：颗粒形状的影响
球形度
s
S Sp
对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用 体积当量直径de代替 。
de
3
6
VP
颗粒的φs愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ 愈大（思考：？）；但φs值对ξ的影响在滞流区并 不显著（思考：？） ，随着Ret的增大，这种影响
变大（思考：？） 。
二：重力沉降 1：沉降速度的计算
0.44 阻力和沉降速度的二次方成正比
ut 1.74
d s g
——牛顿公式
3：影响沉降速度的因素
1）： 颗粒直径
ds ，则 ut
其它条件相同时，小颗粒后沉降。
2）： 流体密度
，则 ut
其它条件相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。
3）： 颗粒密度
s ，则 ut
其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。
4）：颗粒的体积浓度
上述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，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适 用。
5）：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
分离
连续相与分散相 不同的物理性质
机械分离
沉降
发生相对运 动的方式
过滤
沉降：在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。
作用力
重力 沉降 离心力沉降
是否受干扰
自由沉降 干扰沉降
一：颗粒相对于流体的运动
球形颗粒
非球形颗粒
1：单颗粒的特性参数（形状、大小、比表面积）
三：学习方法
本章运用流体力学原理解决实际生产中的沉降、 过滤和流态化问题。学习时要注意学会如何对复杂 的工程问题进行简化，使之变成用理论可以解决的 问题。
第三章 非均相物系分离 及固体流态化
第一节 沉降分离原理及设备
一：颗粒相对于流 体的流动
二：重力沉降 三：离心沉降
均相混合物 不存在相界面的混合物系。
d
2 e
s
a Sp 6
Vp sde
非球形颗粒必须有两个参数才能确定其特征
2：颗粒的自由沉降
1）：固体球形颗粒在静止流体
中的受力分析
重力↓
Fg
6
d 3s g
浮力↑
Fb
6
d3g
阻力（曳力）↑
Fd
A
u2
2
d2 u2
42
重力
Fg
6
d 3s g
浮力
Fb
6
d3g
阻力（曳力）
Fd
A
u2
2
d2 u2
混 合
例如：互溶溶液及混合气体
物 非均相混合物 存在相界面的混合物系。
例如：悬浮液及含尘气体
非 均 相
分散相 分散(物)质
处于分散状态的物质 如：
混 合
连续相
包围着分散相物质且处于
物 分散(相)介质 连续状态的流体 Fra Baidu bibliotek：
非均相混和物分离的应用：
• （1）收集分散物质：回收催化剂颗粒。 • （2）净化分散介质：原油脱水。 • （3）环境保护：烟气除尘。
1）：沉降速度的计算——试差法
假设沉降属 于层流区
ut
d2 s
18
g
Ret
dut
ut为所求
公 式 适 用 判断流
为止
型
Ret＜1
艾伦公 式求ut
Ret＞1
2）：沉降速度的计算——摩擦数群法
ut
4gd s
3
4dg s
3 ut 2
A：已知颗粒直径求沉降速度
使等式的一边消去ut
R
2 et
球形颗粒——粒径d
体积
V d3
6
表面积
比表面积
a S 6 Vd
S d2
球形颗粒的各有关特性均可用单一的参数表示
非球形颗粒
①：颗粒的球形度Φs：颗粒形状与球形的差异程度
球 形 度 s 与 颗 粒 等 体 颗 积 粒 的 的 球 表 形 面 颗 积 粒 的 表 面 积
s
S Sp
球形颗粒Φs=1
一：学习要求 应重点掌握沉降、过滤过程的基本原理、计算方
法、典型设备的结构特性，并且能根据生产工艺要 求，合理选择设备 二：应重点掌握的内容
1：应用流体力学原理分析颗粒相对于流体以及流 体相对于颗粒床层的流动规律。
2：沉降（重力、离心沉降）过程的基本原理、
影响因素分析及强化措施，降尘室的设计，旋风分 离器的选型。 3：过滤操作的原理，影响因素分析及强化措施， 恒压过滤及其生产能力的计算、过滤常数的测定。
匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut 称为
沉降速度。
3）：自由沉降速度
6
d 3 (s
)g
4
d2
ut2
2
0
ut
4dg(s ) 3
——自由沉降速度表达式
思考：沉降速度的方向和什么因素有关
ρ、ρs的相对大小决定了初始加速度的方向， 即沉降速度的方向
3：阻力系数（曳力系数）ξ
因次分析知 f(Ret,s)
其关系见图。
Ret
dut
d——颗粒的粒径； ρ、µ——流体的密度、黏度
ut——颗粒和流体间的相对运动（三种情况）速度
对于球形颗粒，按 Ret 值大致分为三个区：
1) ：滞流区或斯托克斯(stokes)定律区（10-4＜
Ret<1） ；无形体阻力，只有表面阻力
24
Ret
阻力和沉降速度的一次方成正比
非球形颗粒Φs＜1； Φs ↑，则颗粒越接近于球形
②：颗粒的当量直径： 体积当量直径de 比表面积当量直径da
A：体积当量直径de
与该颗粒体积相等的球体的直径
de
( 6Vp
1
)3
B：比表面积当量直径da
da
6 a
与该颗粒比表面积相等的球体的直径
③：颗粒的体积、表面积、比表面积：
Vp
6
d3 e
Sp
ut
d2
s
18
g
——斯托克斯公式
2 ） ： 过 渡 区 或 艾 伦 定 律 区 （ Allen）（1＜ Ret<103） ；形体阻力和表面阻力均不可忽略
18.5
Ret0.6
阻力和沉降速度的1.4次方成正比
ut 0.269
gd s Ret0.6
——艾伦公式
3）： 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜ Ret ＜ 2×105） ；只有形体阻力，无表面阻力
d 2ut 2 2 2
R
2 et
4d 3
s
3 2
g
沉降体系一定数群ξRet2只和粒径有关
令k
d3
s g
2
42
合力
F F g F b F d m a
m
du d
6
d 3 (s
)g
4
d2
u2
2
6
d 3s
du
d
2）：颗粒的运动情况
开始沉降的瞬间，u=0， Fd=0， a→max ； 开始沉降后，u ↑ →Fd ↑（加速，但a逐渐减小）
——加速阶段（加速阶段很短，在整个沉降过 程中可忽略）
a=0 时， u →ut （max)——匀速阶段
6）：颗粒形状的影响
球形度
s
S Sp
对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用 体积当量直径de代替 。
de
3
6
VP
颗粒的φs愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ 愈大（思考：？）；但φs值对ξ的影响在滞流区并 不显著（思考：？） ，随着Ret的增大，这种影响
变大（思考：？） 。
二：重力沉降 1：沉降速度的计算
0.44 阻力和沉降速度的二次方成正比
ut 1.74
d s g
——牛顿公式
3：影响沉降速度的因素
1）： 颗粒直径
ds ，则 ut
其它条件相同时，小颗粒后沉降。
2）： 流体密度
，则 ut
其它条件相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。
3）： 颗粒密度
s ，则 ut
其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。
4）：颗粒的体积浓度
上述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，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适 用。
5）：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
分离
连续相与分散相 不同的物理性质
机械分离
沉降
发生相对运 动的方式
过滤
沉降：在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。
作用力
重力 沉降 离心力沉降
是否受干扰
自由沉降 干扰沉降
一：颗粒相对于流体的运动
球形颗粒
非球形颗粒
1：单颗粒的特性参数（形状、大小、比表面积）
三：学习方法
本章运用流体力学原理解决实际生产中的沉降、 过滤和流态化问题。学习时要注意学会如何对复杂 的工程问题进行简化，使之变成用理论可以解决的 问题。
第三章 非均相物系分离 及固体流态化
第一节 沉降分离原理及设备
一：颗粒相对于流 体的流动
二：重力沉降 三：离心沉降
均相混合物 不存在相界面的混合物系。
d
2 e
s
a Sp 6
Vp sde
非球形颗粒必须有两个参数才能确定其特征
2：颗粒的自由沉降
1）：固体球形颗粒在静止流体
中的受力分析
重力↓
Fg
6
d 3s g
浮力↑
Fb
6
d3g
阻力（曳力）↑
Fd
A
u2
2
d2 u2
42
重力
Fg
6
d 3s g
浮力
Fb
6
d3g
阻力（曳力）
Fd
A
u2
2
d2 u2
混 合
例如：互溶溶液及混合气体
物 非均相混合物 存在相界面的混合物系。
例如：悬浮液及含尘气体
非 均 相
分散相 分散(物)质
处于分散状态的物质 如：
混 合
连续相
包围着分散相物质且处于
物 分散(相)介质 连续状态的流体 Fra Baidu bibliotek：
非均相混和物分离的应用：
• （1）收集分散物质：回收催化剂颗粒。 • （2）净化分散介质：原油脱水。 • （3）环境保护：烟气除尘。
1）：沉降速度的计算——试差法
假设沉降属 于层流区
ut
d2 s
18
g
Ret
dut
ut为所求
公 式 适 用 判断流
为止
型
Ret＜1
艾伦公 式求ut
Ret＞1
2）：沉降速度的计算——摩擦数群法
ut
4gd s
3
4dg s
3 ut 2
A：已知颗粒直径求沉降速度
使等式的一边消去ut
R
2 et
球形颗粒——粒径d
体积
V d3
6
表面积
比表面积
a S 6 Vd
S d2
球形颗粒的各有关特性均可用单一的参数表示
非球形颗粒
①：颗粒的球形度Φs：颗粒形状与球形的差异程度
球 形 度 s 与 颗 粒 等 体 颗 积 粒 的 的 球 表 形 面 颗 积 粒 的 表 面 积
s
S Sp
球形颗粒Φs=1