第三章 非均相混合物的分离与设备

第三章 非均相混合物的分离与设备

3－1 什么是球形度φS ？什么是沉降速度 u t ？一般情况下如何计算颗粒的沉降速度？

答：

1.颗粒的球形度是工程上用来描述颗粒物料形状的一种物理量，是指与该颗粒体积相等的球体表面积与颗粒表面积之比。即：

φS = S (球)/S p

球体的表面积： S (球) =π•d 2

2.所谓沉降速度是指，颗粒在匀速阶段相对于流体的运动速度 u t （或称自由沉降速度）。

3.刚性小球的沉降速度 u t 可用下述公式计算： u t =[ ]1/2

式中：ρs 为颗粒的密度；ρ为流体的密度；d 为刚性小球的直径；g 为重力加速度；ζ为阻力系数。

一般情况下，可先通过实验作出ζ－R et 关系曲线，并根据曲线确定阻力系数ζ的与 R et 的关系，进而得出颗粒沉降速度的经验式。 3－2 颗粒在重力场中沉降时受到那些力的作用？

答：

颗粒在重力场中自由沉降时主要受到重力、浮力和阻力的作用。重力与其沉降运动方向一致，浮力和阻力与其沉降运动方向相反。 3－3 在沉降分离操作中，影响颗粒沉降的主要因素有哪些？

答：

在沉降分离操作中，影响颗粒沉降的因素很多，但影响较大的主要因素有如下几个方面。

⑴颗粒体积分数的影响

颗粒的体积分数，对其沉降速度有一定的影响。体积分数越大，颗粒间的碰撞几率越大，对颗粒的沉降干扰越大。

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4•d •g(ρs -ρ)

3ζρ

⑵器壁效应的影响

容器的器壁会对沉降的颗粒产生一定的“拽力”，使颗粒的实际沉降速度低于自由沉降速度。

⑶颗粒形状的影响

一般情况下，同一种固体物质，球形颗粒比相同体积的非球形颗粒的沉降要快一些。非球形颗粒的形状及其投影面积对沉降速度有影响。

⑷流体粘度的影响

流体的粘度对颗粒的沉降速度有一定的影响。在湍流区内，流体粘性对沉降速度无明显影响；在过渡区，流体粘性对沉降速度的影响一般可忽略不计；在滞流沉降区，由流体粘性引起的表面摩擦力占主要地位，此时粘度对颗粒的沉降速度有较显著的影响。

⑸颗粒的最小尺寸

颗粒的尺寸也在一定程度上影响着沉降速度。对于非常细微颗粒（粒度 < 0.5mm ），自由沉降速度公式则不适用。此时，由于流体分子热运动使得颗粒发生布朗运动。

3－4 为什么说降尘室的(理论)生产能力只与其沉降面积(A = b •l)及颗粒的沉降度(u t )有关，与降尘室的高度无关？

答：

在重力沉降操作中，若设降尘室的长、宽、高分别为 l 、b 、H ，含尘气体通过降尘室的体积流量（降尘室的生产能力）为V s 。则：

位于降尘室最高点的颗粒降至室底所需的时间为：

θt = H/u t

气体通过沉降室所需的时间为：

θ= l/u

若要使含尘气体中的颗粒分离出来，则气体在降尘室内的停留时间至少应等于颗粒的沉降时间。即：

θ≥θt 或： l/u ≥ H/u t 由于：

u = V s /H •b

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沉降室沉降示意图

则：

V s ≤ b •l •u t

即：降尘室的(理论)生产能力只与其沉降面积(A = b •l)及颗粒的沉降度(u t )有关，与降尘室的高度无关。

因此，对于一定尺寸的降尘室，为了增大其生产能力，可将降尘室设计成多层降尘室。

3－5 某厂拟选用一台标准旋风分离器(ζ= 8.0)净化含尘气体。已知：固体颗粒的密度为1100 kg/m 3，气体的密度为1.2 kg/m 3，粘度为1.8×10-5 Pa •s ，流量为0.4m 3

/s ，允许压强降为2000Pa 。试估算设备的临界粒径。

解：

根据压强降公式 Δp =ζ×(ρ•u i 2)/2 有：

u i =[2Δp/(ρ•ζ)]1/2 =[(2×2000)/(8.0×1.2)] 1/2

= 20.4(m/s)

标准旋风分离器的进口截面积为：

hB = D 2/8 （h = D/2，B = D/4） 同时：

hB = q v,s / u i

故，旋风分离器的圆筒直径为：

D =[(8q v,s )/ u i ]1/2 =[(8×0.4)/20.4]1/2 = 0.396(m) 临界粒径： d c =[ ]

1/2

=[ ]1/2

= 6.74×10－6(m)

答：旋风分离器的临界粒径d c = 6.74×10－6 m 。 3－6 什么是饼层过滤的“架桥”现象？

答：

如图所示：在饼层过滤中，因滤浆中的一些细小颗粒在穿过过滤介质时，细小颗粒会在滤孔中产生不规则的堆积，阻碍过滤的正常进行，此现象称为“架桥”现象。

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9μB πN e ρs u i

9×1.8×10－5×0.396/4

3.14×5×1100×20.4

饼层过滤的“架桥”现象

3－7 在工程上常用的过滤介质主要有哪些？

答：

工程上常用的过滤介质主要有织物介质、堆积介质、多孔固体介质和多孔膜等。

1.织物介质——织物介质常称为滤布，一般是由棉、毛、麻、丝等天然纤维素及合成纤维制成的织物，或者由玻璃丝、金属丝等材料织成的网。此类介质截留颗粒的最小直径为5－60μm。

2.堆积介质——堆积介质一般由硅藻土、木炭、石棉、砂等固体颗粒或非编织纤维材料堆积而成。堆积介质主要用于深床过滤操作中。

3.多孔固体介质——多孔固体介质是指，由多微细孔道的固体材料（多孔陶瓷、多孔塑料、多孔金属等）制成的管或板。多孔固体介质一般可拦截1－3μm 的细微颗粒。

4.多孔膜——多孔膜用于膜过滤，常见的有各种有机高分子膜（如：粗醋酸纤维系、芳香聚酰胺系）和无机材料膜。

3－8 如何强化饼层过滤操作？

答：

1.增大饼层过滤的推动力

通过增大滤浆的压强(p

1)或减小滤液的压强(p

2

)，可有效地

增大滤液通过滤饼层的压强降(Δp

c = p

1

- p

2

)。

2.减小饼层过滤的阻力

可通过减薄过滤介质的厚度或增大过滤面积等方法，达到减小饼层过滤的阻力的目的。

3－9 在20℃下恒温过滤某种悬浮液，操作压强差为9.81×103Pa。悬浮液中固相体积分数为20％，固相直径为0.1mm的球形颗粒。在此压强下过滤形成空隙率为0.6的滤饼。求过滤常数及滤饼的比阻。

解：

1.求滤饼比阻

已知：Δp = 9.81×103Pa；μ20℃水= 1.0×10-3Pa•s；ε= 0.6；d = 1×10-4m。

⑴球形颗粒的比表面积：

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