化工原理第三章--重力沉降

f (Re 0 )
Re 0
du 0

对于球形颗粒的曲线（图3-2），按Re0值大致分为三个区： a) 层流区或斯托克斯(stokes)定律区（10
–4＜Re
0<2）

6
d 3s g

6
d 3 g

4
d2
u0 2
2
0
24 Re 0
4dg ( s ) u0 3
——沉降速度表达式
u0
d 2 s 18
——斯托克斯公式
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（2＜Re0<500） 18.5 0.6 Re 0
u0 0.269
gd s Re 0
0.6

——艾伦公式
c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（500＜Re0＜ 2×105）
u d ( )2 u0 d
' 0 '
u0变为原来的1/2
' u0 d' ( )2 u0 d
而 u0~d2
而 u0~d2
二）分级器
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。 例：本题附图所示 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。
以速度u 随气体流动 以速度u0 作沉降运动
算，但要根据颗粒浓度对所用的流体密度及黏度进行 校正。
u
H
2）沉降运动时间<气体停留时间分离 ut
颗粒在降尘室中的运动
此处是标题
3
-刘宇-
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 为了满足除尘要求
0
L H ——降尘室使颗粒沉降的条件 u u0
• 补充说明：
①为使气体分布均匀，降尘室进出口通常都做成锥形； ②为防止操作过程中已被除下的尘粒又被气流重新卷起，降 尘室的操作气速往往很低； ③为保证分离效率，室底面积也必须较大。 因此，降尘室是一种庞大而低效的设备，通常只能捕 获大于100微米的粗颗粒。要将更细小的颗粒分离出来， 就必须采用更高效的除尘设备。
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。
第三章 机械分离
-----非均相混合物分离
授课人：张栋强 邮箱：zhangdq@lut.cn
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
Fd A
u 2
2
对球形颗粒A

4
d2
Fd

4
d2
u 2
2
Fg Fb Fd ma

6
d 3s g

6
d 3 g

4
d2
u 2
2


6
d 3sa
(a)
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Re0的函数。
单个颗粒在静止流体中的沉降过程分为两个阶段： 1）加速阶段：颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0， 加速沉降，颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑→a ↓； 2）等速阶段：当合力为零时， a=0，之后颗粒匀速沉降 。 沉降速度：等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度，用u0表示 当a=0时，u=u0，代入（a）式
假设沉降属于层流区
u0
艾伦公式（牛顿公式）
u0
Re0＞2 u0为所求 Re0＜2
d 2 s g 18
由已知条件：空气的密度为1.2kg/m3，黏度为0.0185mPa·s du0 若原假设滞流区正确，求得的沉降 核算流型 Re 0 速度有效。 具体解题步骤见例3-2
-刘宇-
复习：
一、离心泵的构造和工作原理 1.离心泵的构造（叶轮；泵壳；泵轴及轴封装置） 1）叶轮（作用；分类） 2）泵壳（作用；导叶轮） 3）轴封装置（作用；分类） 2.工作原理（灌泵—叶轮旋转产生离心力—中心形成负压—吸入液体） 二、离心泵的主要性能参数 1.转速；流量；压头；轴功率及效率；允许气蚀余量 2.离心泵的特性曲线 3.液体性质对离心泵特性的影响（密度；粘度） 4.转速及叶轮尺寸对离心泵特性的影响（比例定律；切割定律）
此处是标题
4
-刘宇-
分析：
L H （1）降尘室使颗粒沉降的条件 u u0
u 0 Hu L
（3）降尘室的生产能力
Vs BLu0 A0u0
Vs变为原来的两倍
1)变为两层→沉降室面积变为2A0 u0不变 2)变为两层→沉降室面积变为2A0 Vs不变
u0的求取 试差法 （2）层流区
u0
d 2 s g 18
三）沉降槽 ---用于分离出液-固混合物
从悬浮液中分离出清液而留下稠厚沉渣的重力沉降设备 称为沉降槽。 结构： 除尘原理：
水平 清液 加料 清液溢流
与降尘室相同
挡板 耙 稠浆 连续式沉降槽
此处是标题
5
二）干扰沉降
定义：若颗粒之间距离很小，即使没有相互接触， 一个颗粒沉降时也会受到其它颗粒的影响，这种沉 降称为干扰沉降。


二、重力沉降分离设备
一）降尘室---气固体系
结构： 工作原理
集灰斗 降尘室
L B
气体
气体 进口
气体 出口

1）降尘室内的颗粒运动
干扰沉降的速度比自由沉降要小 干扰沉降的速度可用自由沉降速度的计算方法计
u Vs HB

LHB L Vs Vs HB

LHB H Vs u0
Vs BLu0 A0u0
——降尘室的生产能力
• 说明
①含尘气体的最大处理量与某一粒径对应的，是指这一粒 径及大于该粒径的颗粒都能100%被除去时的最大气体 量； ②最大的气体处理量还与降尘室底面积和颗粒的沉降速度 有关，底面积越大处理量越大，但处理量与高度无关。 为此，降尘室都做成扁平形； ③为提高气体处理量，室内以水平隔板将降尘室分割若干 层，称为多层降尘室。隔板的间距应考虑出灰的方便。
0.44
u0 1.74 d s g

——牛顿公式
此处是标题
2
-刘宇-
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。
重力 作用力 惯性离心力 离心沉降 重力 沉降
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 机械 分散相和连续相 分离 不同的物理性质 分离 发生相对运动的方式 沉降
2. 处理对象：非均相混合物
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-刘宇-
一、重力沉降原理
重力沉降：在重力场中，非均相混合物各组分所受到的重力不 同，从而将各个组分加以分离的方法叫做重力沉降分离。
• 降尘室的计算
设计型 降尘室的计算 已知气体处理量和除尘要求，求 降尘室的大小 • 例3-3 降尘室高2m，宽2m，长5m，用于矿石焙烧炉炉 气的除尘。操作条件下气体的流量为25000m3/h，密度 为0.6kg/m3，黏度为0.03mPa·s。试求： 1）能完全除去的氧化铁灰尘（密度为4500kg/m3）的最小 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。 直径； 2）粒径为60微米的氧化铁灰尘被除去的百分数； 3）若将上述降尘室用隔板分隔成2层（不考虑隔板的厚 度），如需完全除去的尘粒直径相同，则含尘气体的处 理量为多大？反之，若生产能力相同，则完全除去的尘 粒的最小颗粒直径为多大？
u0
'
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 对于非球形颗粒，雷诺准数Re0中的直径要用当量直径de代
度φs值愈低。

替。

u0 d 1 2.1 D
颗粒的球形度愈小，对应于同一Re0值的阻力系数ξ愈大
但φs值对ξ的影响在层流区并不显著，随着Re0的增大，这种 影响变大。
重力 浮力
Fg

6
d 3s g
Fb

6
d 3 g
一)自由重力沉降
定义：单个颗粒在无限大流体（容器直径大于 颗粒直径的100倍以上）中的沉降过程。 受力分析：重力；浮力；阻力 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，
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 ：
4) 常用沉降速度的计算 试差法求解步骤：
d 2 s u0 18
Re 0 du0
例：试计算直径为30μm，密度为2000kg/m3的固体颗粒在空 气中做自由沉降时的沉降速度。空气的密度为 1.2kg/m3 ，黏 度为0.0185mPa·s 解：用试差法计算 Re0 分析：先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
分散相 处于分散状态的物质 (分散物质) 如：分散于流体中的固体颗粒、 非均相物系 液滴或气泡 连续相 (分散相介质) 状态的流体 包围着分散相物质且处于连续
第二节
沉降分离
1.定义：在某种力场中，利用非均相混合物中分散 相和连续相之间所受力的差异，使之发生相对运动 而实现分离的操作过程叫做沉降分离。
三、离心泵的工作点与流量调节 1.管路特性曲线（he~Q） 2.离心泵的工作点 3.离心泵的流量调节（改变管路特性曲线；改变泵的特性曲线） 四、离心泵的安装高度 1.什么是泵的安装高度 2.安装高度为什么会受到限制（汽蚀现象） 3.最小气蚀余量和允许汽蚀余量 4. 最大安装高度、允许安装高度及实际安装高度 五、离心泵的选用、安装与操作 1.离心泵的选择 2.灌泵；开机；运行；关泵