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1、第三章 非均相系分离本讲稿第一页，共六十五页2022/9/25混合物混合物 均相混合物均相混合物 非均相混合物非均相混合物 物物系系内内部部各各处处物物料料性性质质均均匀匀而而且且不不存存在相界面的混合物。在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体例如：互溶溶液及混合气体 物物系系内内部部有有隔隔开开两两相相的的界界面面存存在在且且界界面面两侧的物料性质截然不同的混合物。两侧的物料性质截然不同的混合物。例如例如固固体颗粒和气体构成的含尘气体体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和固体颗粒和液体构成的悬浮液液体构成的悬浮液 不不互溶液体构成的乳浊液互溶液体构成的乳浊液 液体液体颗粒和气体构成的含雾气
2、体颗粒和气体构成的含雾气体3.1概述概述本讲稿第二页，共六十五页2022/9/25非均相物系非均相物系 分散相分散相 分散物质分散物质 处于分散状态的物质处于分散状态的物质 如如：分分散散于于流流体体中中的的固固体体颗颗粒粒、液液滴或气泡滴或气泡 连续相连续相连续相介质连续相介质 包包围围着着分分散散相相物物质质且且处处于于连连续续状状态态的的流体流体 如：如：气态非均相物系中的气体气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体液态非均相物系中的连续液体 分离分离机械机械分离分离 沉降沉降 过滤过滤 不同的物理性质不同的物理性质 连续相与分散相连续相与分散相发生相对运动的方式发生相对运动的
3、方式 分散相和连续相分散相和连续相 本讲稿第三页，共六十五页2022/9/25本讲稿第四页，共六十五页2022/9/253.2 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性颗粒的特性及描述颗粒的特性及描述 本讲稿第五页，共六十五页2022/9/25沉降沉降 在在某某种种力力场场中中利利用用分分散散相相和和连连续续相相之之间间的的密密度度差差异异，使使之发生相对运动而实现分离的操作过程。之发生相对运动而实现分离的操作过程。作用力作用力 重力重力 惯性离心力惯性离心力 重力重力 沉降沉降离心沉降离心沉降 1、沉降速度、沉降速度 1）球形颗粒的自由沉降）球形颗粒的自由沉降设颗粒的密度为设颗粒的密度为s，
4、直径为直径为d，流体的密度为流体的密度为，3.3.1 3.3.1 重力沉降重力沉降3.3 沉降分离沉降分离本讲稿第六页，共六十五页2022/9/25重力重力 浮力浮力 而而阻阻力力随随着着颗颗粒粒与与流流体体间间的的相相对对运运动动速速度度而而变变，可可仿仿照照流流体体流流动阻力的计算式写为动阻力的计算式写为：本讲稿第七页，共六十五页2022/9/25(a)颗粒开始沉降的瞬间，速度颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力因此阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降后，颗粒开始沉降后，u Fd；u ut 时，时，a=0。等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉
5、降速度。称为沉降速度。当当a=0时，时，u=ut，代入（代入（a）式式沉降速度表达式沉降速度表达式本讲稿第八页，共六十五页2022/9/252、阻力系数、阻力系数 通通过过因因次次分分析析法法得得知知，值值是是颗颗粒粒与与流流体体相相对对运运动动时时的的雷雷诺诺数数Ret的函数。的函数。对于球形颗粒的曲线，按对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：值大致分为三个区：a)滞流区或托斯克斯滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（定律区（10 4Ret1）斯托克斯公式斯托克斯公式本讲稿第九页，共六十五页2022/9/25本讲稿第十页，共六十五页2022/9/25艾伦公式艾伦公式 c)湍流区或牛
6、顿定律区（湍流区或牛顿定律区（Nuton）（）（103Ret 2105）牛顿公式牛顿公式 b)过渡区或艾伦定律区（过渡区或艾伦定律区（Allen）（）（1Ret103）本讲稿第十一页，共六十五页2022/9/253、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素 1）颗粒的体积浓度）颗粒的体积浓度 在在前前面面介介绍绍的的各各种种沉沉降降速速度度关关系系式式中中，当当颗颗粒粒的的体体积积浓浓度度小小于于0.2%时时，理理论论计计算算值值的的偏偏差差在在1%以以内内，但但当当颗颗粒粒浓浓度度较较高高时时，由由于于颗颗粒粒间间相相互互作作用用明明显显，便便发发生生干干扰扰沉沉降降，自自由由沉沉降降的的公公
7、式式不不再适用。再适用。2）器壁效应）器壁效应 当当器器壁壁尺尺寸寸远远远远大大于于颗颗粒粒尺尺寸寸时时，（例例如如在在100倍倍以以上上）容容器器效应可忽略，否则需加以考虑。效应可忽略，否则需加以考虑。本讲稿第十二页，共六十五页2022/9/253）颗粒形状的影响）颗粒形状的影响 球形度球形度对对于于球球形形颗颗粒粒，s=1，颗颗粒粒形形状状与与球球形形的的差差异异愈愈大大，球球形形度度s值值愈愈低。低。对于非球形颗粒，雷诺准数对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径中的直径要用当量直径de代替代替。颗粒的颗粒的球形度愈小球形度愈小，对应于同一，对应于同一Ret值的值的阻力系数阻力
8、系数愈大愈大但但s值值对对的的影影响响在在滞滞流流区区并并不不显显著著，随随着着Ret的的增增大大，这这种种影影响响变大。变大。本讲稿第十三页，共六十五页2022/9/254、沉降速度的计算、沉降速度的计算 1）试差法）试差法 假设沉降属于层流区假设沉降属于层流区 方法：方法：ut Ret Ret1 ut为所求为所求Ret1 艾伦公式艾伦公式求求ut判断判断公式适公式适用用为止为止 2)摩擦数群法摩擦数群法 由由得得本讲稿第十四页，共六十五页2022/9/25令令 因因是是Ret的已知函数，的已知函数，Ret2必然也是必然也是Ret的已知函数，的已知函数，Ret曲线便可转化成曲线便可转化成 R
9、et2Ret曲线。曲线。计计算算ut时时，先先由由已已知知数数据据算算出出 Ret2的的值值，再再由由 Ret2Ret曲曲线线查查得得Ret值值，最后由最后由Ret反算反算ut。本讲稿第十五页，共六十五页2022/9/25RetRetRet2本讲稿第十六页，共六十五页2022/9/25 计算在一定介质中计算在一定介质中具有某一沉降速度具有某一沉降速度ut的颗粒的直径的颗粒的直径，令令与与Ret-1相乘，相乘，Ret-1Ret关系绘成曲线关系绘成曲线，由由 Ret-1值查得值查得Ret的值，的值，再根据再根据沉降速度沉降速度ut值计算值计算d。无因次数群无因次数群K也可以也可以判别流型判别流型
10、本讲稿第十七页，共六十五页2022/9/25当当Ret=1时时K=2.62，此值即为此值即为斯托克斯区的上限斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限牛顿定律区的下限K值为值为69.1 例例：试试计计算算直直径径为为95m，密密度度为为3000kg/m3的的固固体体颗颗粒粒分分别别在在20的空气和水中的自由沉降速度。的空气和水中的自由沉降速度。解：解：1）在）在20水中的沉降。水中的沉降。用试差法计算用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降先假设颗粒在滞流区内沉降，附录查得，附录查得，20时水的密度为时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s本讲稿第十八页，共六十五页2022/9/25
11、核算流型核算流型 原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。2）20的空气中的沉降速度的空气中的沉降速度用摩擦数群法计算用摩擦数群法计算20空气：空气：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s根据无因次数根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型值判别颗粒沉降的流型 本讲稿第十九页，共六十五页2022/9/252.61K69.1，沉降在过渡区。，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。用艾伦公式计算沉降速度。5.5.重力沉降设备重力沉降设备本讲稿第二十页，共六十五页2022/9/251）降尘室的结构）降尘室的结构 2）降尘室的生产能力）降尘室的生产能力 降降尘尘室
12、室的的生生产产能能力力是是指指降降尘尘室室所所处处理理的的含含尘尘气气体体的的体体积积流流量量，用用Vs表示，表示，m3/s。降尘室内的降尘室内的颗粒颗粒运动运动 以速度以速度u随气体流动随气体流动 以速度以速度ut作沉降运动作沉降运动1.降尘室降尘室本讲稿第二十一页，共六十五页2022/9/25降尘室降尘室则则表表明明，该该颗颗粒粒能能在在降尘室中除去。降尘室中除去。思考思考1：为为什什么么气气体体进进入入降降尘尘室室后后，流通截面积要扩大？流通截面积要扩大？思考思考2：为什么降尘室要做成扁平的？为什么降尘室要做成扁平的？本讲稿第二十二页，共六十五页2022/9/25100%思考思考3 3：
13、要想使某一粒度的颗粒要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被在降尘室中被100%100%除去，必须除去，必须满足什么条件？满足什么条件？思考思考5 5：粒径比粒径比d dminmin小的颗粒，被除去的百分数为多少？小的颗粒，被除去的百分数为多少？粒径比粒径比d dminmin大的颗粒，被除去的百分数为多少？大的颗粒，被除去的百分数为多少？100%本讲稿第二十三页，共六十五页2022/9/25 注意：降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。注意：降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取根据经验，多数灰尘的分离，可取u3m/s，较易扬起灰尘
14、的，可取，较易扬起灰尘的，可取u1.5m/s。可见：降尘室生产能力与底面积、沉降速度有关，而与降尘可见：降尘室生产能力与底面积、沉降速度有关，而与降尘室高度无关室高度无关本讲稿第二十四页，共六十五页2022/9/25多层降尘室多层降尘室 n 层层隔隔板板的的多多层层降降尘尘室生产能力：室生产能力：本讲稿第二十五页，共六十五页2022/9/253）降尘室的计算）降尘室的计算 降尘室的计算降尘室的计算 设计型设计型操作型操作型已已知知气气体体处处理理量量和和除除尘尘要要求求，求求降降尘尘室的大小室的大小 用用已已知知尺尺寸寸的的降降尘尘室室处处理理一一定定量量含含尘尘气气体体时时，计计算算可可以以
15、完完全全除除掉掉的的最最小小颗颗粒粒的的尺尺寸寸，或或者者计计算算要要求求完完全全除除去去直直径径 d 的尘粒时所能处理的气体流量。的尘粒时所能处理的气体流量。本讲稿第二十六页，共六十五页2022/9/25 例例：拟拟采采用用降降尘尘室室除除去去常常压压炉炉气气中中的的球球形形尘尘粒粒。降降尘尘室室的的宽宽和和长长分分别别为为2m和和6m,气气体体处处理理量量为为1标标m3/s，炉炉气气温温度度为为427，相相应应的的密密度度=0.5kg/m3，粘粘度度=3.410-5Pa.s，固固体体密密度度S=400kg/m3操操作作条条件件下，规定气体速度不大于下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求：
16、试求：1降尘室的总高度降尘室的总高度H，m；2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；3.粒径为粒径为40m的颗粒的回收百分率；的颗粒的回收百分率；4.欲欲使使粒粒径径为为10m的的颗颗粒粒完完全全分分离离下下来来，需需在在降降降降尘尘室室内内设设置置几几层层水平隔板？水平隔板？本讲稿第二十七页，共六十五页2022/9/25解：解：1）降尘室的总高度）降尘室的总高度H2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸 用试差法由用试差法由ut求求dmin。假设沉降在斯托克斯区假设沉降在斯托克斯区 本讲稿第二十八页，共六十五页2022/9/25核算
17、沉降流型核算沉降流型 原假设正确原假设正确 3）粒径为）粒径为40m的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率粒径为粒径为40m的颗粒定在滞流区的颗粒定在滞流区，其沉降速度，其沉降速度 本讲稿第二十九页，共六十五页2022/9/25气体通过降沉室的时间为：气体通过降沉室的时间为：直径为直径为40m的颗粒在的颗粒在12s内的沉降高度为：内的沉降高度为：假假设设颗颗粒粒在在降降尘尘室室入入口口处处的的炉炉气气中中是是均均匀匀分分布布的的，则则颗颗粒粒在在降降尘尘室室内内的的沉沉降降高高度度与与降降尘尘室室高高度度之之比比约约等等于于该该尺尺寸寸颗颗粒粒被被分分离离下下来的百分率来的百分率。直径为直径为4
18、0m的颗粒被回收的百分率为：的颗粒被回收的百分率为：本讲稿第三十页，共六十五页2022/9/254）水平隔板层数）水平隔板层数 由规定需要完全除去的由规定需要完全除去的最小粒径最小粒径求沉降速度求沉降速度，再再由生产能力和底面积由生产能力和底面积求得多层降尘室的求得多层降尘室的水平隔板层数水平隔板层数。粒径为粒径为10m的颗粒的沉降必在滞流区，的颗粒的沉降必在滞流区，取取33层层 板间距为板间距为 本讲稿第三十一页，共六十五页2022/9/25降尘室降尘室结构简单，但设备庞大、效率低，结构简单，但设备庞大、效率低，只适用于分离粗颗粒只适用于分离粗颗粒-直径直径7575 m m以上的颗以上的颗粒
19、，或作为预分离设备。粒，或作为预分离设备。本讲稿第三十二页，共六十五页2022/9/252.2.增稠器（沉降槽）增稠器（沉降槽）本讲稿第三十三页，共六十五页2022/9/25 例：例：本题附图所示本题附图所示为一双锥分级器，利为一双锥分级器，利用它可将密度不同或用它可将密度不同或尺寸不同的粒子混合尺寸不同的粒子混合物分开。混合粒子由物分开。混合粒子由上部加入，水经可调上部加入，水经可调锥与外壁的环形间隙锥与外壁的环形间隙向向上上流流过过。沉沉降降速速度度大大于于水水在在环环隙隙处处上上升升流流速速的的颗颗粒粒进进入入底底流流，而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出。而沉降速度小于该流速的颗粒则
20、被溢流带出。3.3.分级器分级器本讲稿第三十四页，共六十五页2022/9/25利利用用双双锥锥分分级级器器对对方方铅铅矿矿与与石石英英两两种种粒粒子子混混合合物物分分离离。已已知：知：粒子形状粒子形状 正方体正方体粒子尺寸粒子尺寸 棱长为棱长为0.080.7mm方铅矿密度方铅矿密度 s1=7500kg/m3石英密度石英密度 s2=2650kg/m320水的密度和粘度水的密度和粘度 =998.2kg/m3 =1.00510-3 Pas假假定定粒粒子子在在上上升升水水流流中中作作自自由由沉沉降降，试试求求：1）欲欲得得纯纯方方铅铅矿矿粒粒，水水的的上上升升流流速速至至少少应应取取多多少少m/s？2
21、）所所得得纯纯方方铅铅矿矿粒粒的尺寸范围。的尺寸范围。本讲稿第三十五页，共六十五页2022/9/25解：解：1)水的上升流速水的上升流速 为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，应按应按最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速。对于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。对于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。设设 l 代表棱长，代表棱长，Vp 代表一个颗粒的体积。代表一个颗粒的体积。本讲稿第三十六页，共六十五页2022/9/25用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度用摩擦数群法求最大石英粒子的沉
22、降速度s=0.806，查图查图3-3的，的，Ret=60，则：则：本讲稿第三十七页，共六十五页2022/9/252）纯方铅矿的尺寸范围）纯方铅矿的尺寸范围 所得到的纯方铅矿粒所得到的纯方铅矿粒尺寸最小的沉降速度应等于尺寸最小的沉降速度应等于0.0696m/s 用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。s=0.806，查图查图3-3的，的，Ret=22，则：则：本讲稿第三十八页，共六十五页2022/9/25与此当量直径相对应的正方体的棱长为：与此当量直径相对应的正方体的棱长为：所得方铅矿的棱长范围为所得方铅矿的棱长范围为0.25650.7mm。本讲稿第三十九页，共六十五
23、页2022/9/25离心沉降：离心沉降：依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程 适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。惯性离心力场与重力场的区别惯性离心力场与重力场的区别 重力场重力场离心力场离心力场力场强度力场强度重力加速度重力加速度guT2/R （可变）（可变）方向方向指向地心指向地心 沿旋转半径从中心指向外周沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg 作用力作用力 3.3.2 离心沉降离心沉降本讲稿第四十页，共六十五页2022/9/251、离心沉降速度、离心沉降速度ur惯性离心力惯性离心力=向心力向
24、心力=阻力阻力=三力达到平衡，则：三力达到平衡，则：本讲稿第四十一页，共六十五页2022/9/25 平平衡衡时时颗颗粒粒在在径径向向上上相相对对于于流流体体的的运运动动速速度度ur便便是是此此位位置置上上的的离离心心沉降速度沉降速度。表达式表达式：重力沉降速度公式中的：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度重力加速度改为离心加速度数值：数值：重力沉降速度基本上为重力沉降速度基本上为定值定值 离心沉降速度为离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，绝对速度在径向上的分量，随颗粒在随颗粒在 离心力场中的离心力场中的位置而变位置而变。离心沉降速度与重力沉降速度的比较离心沉降速度与重力沉降速度的比较
25、本讲稿第四十二页，共六十五页2022/9/25阻力系数阻力系数：层流时：层流时 同同一一颗颗粒粒在在同同一一种种介介质质中中的的离离心心沉沉降降速速度度与与重重力力沉沉降降速速度度的的比值为比值为：比比值值 K Kc c 就就是是粒粒子子所所在在位位置置上上的的惯惯性性离离心心力力场场强强度度与与重重力力场场强度之比称为强度之比称为离心分离因数离心分离因数。例例如如；当当旋旋转转半半径径 R R=0.4m0.4m，切切向向速速度度u uT T=20m/s20m/s时时，求求分分离离因数。因数。一一般般离离心心设设备备 K Kc c 在在 5 52500 2500 之之间间，高高速速离离心心机机
26、 Kc 可可达达几几万万数十万。数十万。本讲稿第四十三页，共六十五页2022/9/252 2 旋风分离器的工作原理旋风分离器的工作原理构造及气、固运动轨迹构造及气、固运动轨迹本讲稿第四十四页，共六十五页2022/9/25 旋风分离器性能的主要操作参数为旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量，气体处理量，分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。1）气体处理量）气体处理量 旋旋风风分分离离器器的的处处理理量量由由入入口口的的气气速速决决定定，入入口口气气体体流流量量是是旋旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在在15
27、25m/s。旋风分离器的处理量旋风分离器的处理量 3 3 旋风分离器的性能旋风分离器的性能本讲稿第四十五页，共六十五页2022/9/252）临界粒径）临界粒径 判断旋风分离器判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。分离效率高低的重要依据是临界粒径。临界粒径临界粒径：理理论论上上在在旋旋风风分分离离器器中中能能完完全全分分离离下下来来的的最最小小颗颗粒直径。粒直径。临界粒径的计算式临界粒径的计算式 a)进进入入旋旋风风分分离离器器的的气气流流严严格格按按照照螺螺旋旋形形路路线线作作等等速速运运动动，且且切线速度恒定，等于进口气速切线速度恒定，等于进口气速uT=ui；b)颗粒沉降过程中所穿
28、过的气流厚度为进气口宽度颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度B表示表示c)颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用 本讲稿第四十六页，共六十五页2022/9/250.659m，则则在在规规定定的的气气量量下下不能达到规定的分离效率。不能达到规定的分离效率。倘倘若若直直径径D0.654m，则则在在规规定定的的气气量量下下，压降将超出允许的范围。压降将超出允许的范围。本讲稿第六十四页，共六十五页2022/9/25其它离心沉降设备其它离心沉降设备Why?特点：特点：与旋风分离器相比，与旋风分离器相比，直径小、锥形部分长。直径小、锥形部分长。旋液分离器：旋液分离器：离心机：离心机：袋式过滤器：袋式过滤器：本讲稿第六十五页，共六十五页2022/9/25