化工原理-沉降36页PPT

无因次数群K也可以判别流型
d ( ρs − ρ)g ut = 18µ
2
2011-11-9
d 3(ρs − ρ)ρg K3 Ret = = 2 18µ 18
当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限K值为69.1 例：试计算直径为95µm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分 别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。 解：1）在20℃水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，
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ξ=
4dg( ρs − ρ) 3ρut
2
QReet2 =
4d 3 ρ(ρs − ρ)g 3µ 2
2
令 k = d3 ρ( ρs − ρ)g 2
µ
4 3 ξ Re t = k 3
因ξ是Ret的已知函数，ξRet2必然也是Ret的已知函数， ξ～Ret曲线便可转化成 ξRet2～Ret曲线。 计算ut 时，先由已知数据算出ξRet2 的值，再由ξRet2～Ret 曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut 。
——艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105） 滞流区或牛顿定律区（ ） ×
ξ = 0.44
ut =1.74 d( ρs − ρ)g
ρ
——牛顿公式
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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
2 d p ( p ) g
1.86 10 Pa s
5
18
(40 106 )2 9.81 ( 2600 1.165) 18 1.86 10 5
0.12m s
校核：
Re dut 0.3 2
(正确)
6.非球形颗粒的沉降速度
同样条件下 因此
1 3
1 则：Re k 18
令
Rep 1
则
k 2.62
层流区：
k 2.6 2 采用斯托克斯公式
过渡区：
湍流区：
2.62 k 60.1
60.1 k 2364
采用阿伦公式
采用牛顿公式
试差法： 假设 流型 选择 公式
验算
计算
ut
计算
Re t
例：求直径40μm球形颗粒在30℃大气中的自由沉降 速度。已知ρ颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。 解： 查30℃、0.1MPa空气： 1.165kg m3 设为层流，则：
ζ是流体相对于颗粒运动时的雷诺数的函数，
(Re) (d pu / )
层流区 过渡区 湍流区
10 4 Re 2
24 Re
2 Re 500
500 Re 2 10
5
10 0.5 Re 0.44
第二节 重力沉降
目的：流体与固体颗粒分离
上部易形成涡流 ——倾斜式、 旁路 尘粒易带走 ——扩散式
螺旋面进口：结构复杂，设计制造不方便。
蜗壳形进口：结构简单，减小阻力。
轴向进口：常用于多管式旋风分离器。
常用型式
标准型、CLT/A型、CLP型、扩散式等。

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化工原理11沉降分离原理及设备
•第三章、非均相混合物 分离及固体流态化
•3.1 沉降分离原理及设备 •3.1.1 颗粒相对于流体的运动
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化工原理11沉降分离原理及设备
•一、颗粒的特性
•1. 球形颗粒：球形颗粒的尺寸由直径d确定。
体 积 表面 积 比表面 积
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•二、重力沉降设备
• 位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为
•气体通过降尘室的时间为
•降尘室 高
•沉降速 度
•降尘室 长
欲使颗粒被分离出来，则
•气流水平通 过降尘室速
度
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或
化工原理11沉降分离原理及设备
•二、重力沉降设备
根据降尘室的生产能力，气体在降尘室内的水平 通过速度为
•降尘室生 产能力
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化工原理11沉降分离原理及设备
•概述
机械分离方法，即利用非均相混合物中两 相的物理性质（如密度、颗粒形状、尺寸等） 的差异，使两相之间发生相对运动而使其分离。
机械分离方法
沉降 过滤
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化工原理11沉降分离原理及设备
•概述
•非均相混和物分离的应用： •（1）收集分散物质。 •（2）净化分散介质。 •（3）环境保护。
•三、 阻力系数（曳力系数）
•滞流区 •过渡区 •湍流区
•表面摩擦阻力 •形体阻力
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化工原理11沉降分离原理及设备
•四、 影响沉降速度的因素
•自由沉降
• 沉降过程中，任一颗粒的沉降不因其它颗 粒的存在而受到干扰 •干扰沉降
• 如果分散相的体积分率较高，颗粒间有明 显的相互作用，容器壁面对颗粒沉降的影响不可 忽略，这时的沉降称为干扰沉降或受阻沉降。

B
•
•••••
• •
H
u hor izont al
qV BH
设在水平方向上，颗粒与气体流同速。
工程处理方法：寻找颗粒得以分离的条件，从时间上考虑。
((停沉rseemt留降tlain时时ingin间间dgu：：rdau颗trioa粒nti)o随n同)t 气流uh在t 降尘h室为中颗的粒时距间离段底平 r面的u距horL离izontal
A
B
D
B D 4
ui
qV A B
ui 的大小影响到器内进口旋涡、锥形底口灰 卷起情况、气流经过设备的总压降均有关。
27
两种常用旋风分离器的各部位尺寸比例
28
根据实验气体旋转圈数N一般去3－5. 例1：已知含尘气体中尘粒速度为2300kg／m3.气体温度为500℃, µ=0.036cp流量为1000m3/h.采用某种形式的旋风分离器,D=400mm, B=D/4,A=D/2,H=2D,d=D/2.试估算临界直dpc(即dmin)
16
2
理 论 上 ：i
dp d pc
两边同时取自然对数：
lni
2 ln d p d pc
d p d pc 注意：dmin或者d pc指能够100%被沉降分离的最小颗粒粒径。
17
5.3.2 离心沉降(centrifugal settling) 和 离心沉降设备
在离心力的作用下，使流体中的颗粒产生沉降运动（离心力 方向上的运动），称为离心沉降。
分离器。以旋风分离器为例，分析离心分离设备的工作原理、 生产指标与设备尺寸、操作条件的关系。
处理物料为含尘气体，连续稳定的操作状况。
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（1）旋风分离器的构造及工作状态

。降m尘/室s一般用于分离
的
粗颗粒。
u
u 0.5m / s
dP 50m
• A—降尘室底面积， 。 m 2
A BL
• u t —颗粒的沉降速度，
决定。
d P,min
u 。m /应s根据要t 分离的最小 颗粒直径
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重力沉降设备
• 讨论：
★1）对一定物系，ut一定，降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积A， 而与高度H无关，故降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔 板。
成正比，服从一次方定律。 • ② Allen区(2 ＜ Rep＜500) • 开始发生边界层分离，颗粒后部形成旋涡——尾流→尾
流区压强低→形体曳力增大 • ③ Newton区(500 ＜ Rep＜2×105) • 形体曳力占主导地位，表面曳力可以忽略。曳力∝u2 ，
曳力系数与Rep无关。 • ④ Rep>2×105 • 曳力系数骤然下降，层流边界层→湍流边界层分离点后
d
P
4dP P
ReP 2
ut
4dP (P )g 3
24 24 ReP d put
ut
dP2(P )g 18
ut
4dP (P )g 3 24
ut
dP2(P )g 18
d put
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2 ReP 500
500 ReP 2105
• 讨论：
ut
0.781
d
1.6 P
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（1）沉降的加速阶段
• 问题：将一个表面光滑的球形颗粒置于静止的流体中，
若颗粒在重力的作用下沿重力方向作沉降运动，此时
颗Fg粒受m到g 哪6些d力P3的P g作用呢？

d 3 s g
2
Ar与沉降颗粒和流体的性质、分离要求有关，根据已知
条件计算Ar ，然后由上式计算Re0 ，由Re0直接计算沉降速
度u0 ，不需要试差和校核。
4.1 重力沉降（Gravitational sedimentation）
（4）其它因素对沉降速度的影响 以上的沉降过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降： ① 颗粒为球形； ② 颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰； ③ 容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略； ④ 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。 在实际情况中还需考虑以下因素的影响： ① 干扰沉降； ② 端效应； ③ 分子运动； ④ 非球形； ⑤ 液滴或气泡的运动 。
讨论：
ⅰ B↓， D↓ ， dc↓ ，效率 ↑；在生产能力相同条件下，有 一台大旋风分离器和若干台小旋风分离器（进口气速一样） ，应采用哪种方案？ ⅱ ui↑，dc↓，效率↑，但阻力↑；旋风分离器的进口气速 应适当选择，不宜太高也不宜太低。
ⅲ dc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器 的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越 窄、长径比越大（N越大），则临界直径越小，分离性能越 好。
Vs HBu BHL
t
停留时间最短为θ t=θ 0 =H/u0，即最大生产能力为Vs=BLu0 ；故生产能力与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无 关，因此，降尘室多制成扁平型或多层。 （2）降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高 度是否越小越好呢？
4.2 降尘室
H↓时，根据
L H u u0
p i
c i进 口 c i出 口 100% c i进 口
6 6 2 4
4d s g u0 3

Goto Figure
沉降速度计算—摩擦数群法
令ζ与Ret-1相乘,得
ρ
3
可得ζRet-1- Ret图
由ζRet-1从图中查得 Ret,
用以根据沉降速度ut计 算
颗粒直径d
沉降速度计算—摩擦数群法
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用K判断流型
将层流时的ut代入Ret,有
当Re<1时,在斯托克斯定律区的上限K值为2.62 当Re>1000，在牛顿定律区的下限K值为69.1 可根据K值选用相应的公式，避免试差法
作预除尘器使用。 多层降尘室虽能分离较细小的颗粒并节省地
面但出灰不便。
例3-2
例3-2
重力沉降设备–沉降槽
（二）、沉降槽 （过程）
1、沉降槽的构造与操作 又称增浓器或澄清器
重力沉降设备–沉降槽
浓悬浮液的沉聚过程 （自学） 连续沉降槽的直径,小者数米,大者可达
数百米。小槽可用木料或金属制造,大 槽要用混凝土砌筑。小槽耙的转速约 为1r.p.m.,大槽只有0.1r.p.m.左右。
重力沉降设备–降尘室
如气体处理量为Vs
降尘室的生产能力只与其 沉降面积bl及颗粒 的沉降速度ut有 关,而与降尘室的高度无关。
重力沉降设备–降尘室
因此, 可将降尘室做成多层, 称为多层降尘室
重力沉降设备–降尘室
多层降尘室的生产能力为
Vs ≤（n+1)blut （n为隔板数）
降尘室特点
降尘室结构简单,阻力小, 但体积庞大,分离效率低, 只适用于分离直径在50μm以上的粗粒,一般
若某种尺寸的颗粒所需的沉降时间θt恰 等于停留时间θ，该颗粒就是理论上能 被完全分离下来的最小颗粒。
离心沉降-11

15.11.2020
16
3.3重力沉降
沉降 在某种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。
重力 作用力
重力 沉降
(分离较大的颗粒）
惯性离心力
离心沉降
3.3.1重力沉降
(分离尺寸小的颗粒）
3.3.1.1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。
的表面积最小，因此对非球形颗粒，总有S 1 ，颗粒的形 状越接近球形， S 越接近1，对于球形颗粒 S 1。
②颗粒的当量直径
颗粒的当量直径表示非球形颗粒的大小，通常有两种表示
方法： a)等体积当量直径
de
3
6
VP
V P－颗粒体积m3
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7
b)等比表面积当量直径
即与非球形颗粒比表面积相等的球形颗粒的直径为该颗粒的
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
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沉降 过滤
3
3.1.2非均相物系分离的目的
（1）收集分散物质
例如从气流干燥器或喷雾干燥器排出的气体中回收固体产品。
（2）净化分散介质
例如：生产硫酸，二氧化硫炉气含杂质，净化。
（3）环境保护
空气中的粉尘、废水、废气治理。
。 (VG/S)/V
一般，乱堆床层ε＝0.4～0.7；均匀球体：松排列ε＝ 0.4，紧密排列ε＝0.26。
（2）床层的自由截面积
床层截面上未被颗粒占据的流体可以自由通过的面积， 称为床层的自由截面积。
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☆床层的各向同性：小颗粒乱堆床层可以认为是各向同性的 。各向同性床层的重要特性之一是其自由截面积与床层截面 积之比在数值上与床层的空隙率相等。同床层空隙率一样， 由于壁面效应的影响，壁面附近的自由截面积大。

2.1 沉淀的四种类型
自在沉淀 絮凝沉淀
区域沉淀 (成层沉淀)
紧缩沉淀
2. 沉降的根本实际
2.1 沉淀的四种类型
自在沉淀
絮凝沉淀
区域沉淀 (成层沉淀)
紧缩沉淀
SS(悬浮颗粒浓度)不高； 沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进 展沉淀，颗粒沉淀轨迹呈直线。 沉淀过程中，颗粒的物理性质不变。发生在沉砂池中。
斯公式
单格宽度 b=B/n， 单格池宽>=0.6m
3.3 Camp图解积分 法
给定的沉降时间t内： 对于μ≥μ0的颗粒全部除去 1-p0
对于μ<μ0的颗粒可被部分去除。 p0
给定的沉降时间t内： 对于d≥d0的颗粒全部除去 1-p0
对于d<d0的颗粒可被部分去除。p0
？？：对于μ<μ0的颗粒，可去除部分所占比例是多少？ 去除率是多少？
H h
3.3 Camp图解积分法〔续〕
(2)颗粒的运动
程度
程度方向:程度流速v等于水流速度;
垂直
垂直方向:沉速即颗粒的自在沉降速度u。
颗粒运动的轨迹为其程度分速v和沉速u的矢量和，是 一组倾斜的直线，其坡度为i=u/v。
设u0为某一指定颗粒d0的最小沉降速度
当颗粒沉速u≥u0时，无论这 种颗粒处于进口端的什么位置， 它都可以沉到池底被去除，即 图a中的迹线xy与x′y′。
uS与d2成正比，因此↑d, uS ↑,提高去除效果。
uS与μ成反比，μ随水温上升而下降；即沉速受水 温影响，水温上升，沉速增大。
3 自在沉降实验和沉降曲线
3.1、实验安装 3.2、常规计算法及沉降曲线 3.3、Camp图解积分法及沉降曲线
φ100 mm

d
p3g(P 2
)
2
紊流区：下限是ReP为1000
K 36
ReP
dP
1.74
dP(P )g
（6.2.11）
1.74
dP3g(P ) 2
1.74 K 1000
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K 3.3 105 （6.2.12）
第二节 重力沉降
例 6.2.1：求直径为 40m，密度为 2700kg/m3 的固体颗粒在 20℃的 常压空气中的自由沉降速度。已知 20℃，常压状态下空气密度为 1.205 kg/m3，黏度为 1.81×10-5Pa·s。 解：（1）试差法
• 如在给水处理中需要从水源水中分离去除各种浊 度物质、细菌等。
• 在废气净化中，也需要分离废气中的粉尘等。
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第II篇 分离过程原理
分离过程的分类？
• 机械分离：非均相混合体系（两相以上所组成的 混合物）--利用流体力学原理 （沉降、过滤）
• 传质分离：均相混合体系--利用物料平衡和传质原理 • 平衡分离过程（借助分离媒介，如溶剂或吸附 剂等，使均相混合体系变成两相系统） • 速率分离过程（在某种推动力下，利用各组分 扩散速率的差异实现组分分离）
(
ut 2
2
)
0
ut
4(P )dPg 3CD
(6.2.5)
ut——颗粒终端沉降速度（terminal velocity）
（1）层流区：ReP2 CD=24/ReP
ut
1 18
P
gdP2
(6.2.6)
斯托克斯（Stokes）公式 第21页/共68页
第二节 重力沉降
（2）过渡区：2<ReP<103