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1、4颗粒的沉降颗粒的沉降福州大学化学化工学院福州大学化学化工学院 4颗粒的沉降颗粒的沉降混合物混合物均相混合物：所需分离的物质在同一相中，不能用机械均相混合物：所需分离的物质在同一相中，不能用机械的方法分离；的方法分离；非均相混合物：具有一个以上的相，可以用机械的方非均相混合物：具有一个以上的相，可以用机械的方法分离。相界面两侧的物质性质不同。法分离。相界面两侧的物质性质不同。固体固体固体：固体混合物固体：固体混合物固体固体液体：悬浮液液体：悬浮液固体固体气体：含尘气体气体：含尘气体液体液体气体：含雾气体气体：含雾气体液体液体液体：乳浊液液体：乳浊液非均相混合物非均相混合物4颗粒沉降颗粒沉降（S
2、edimentation）根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降4.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）（1）球形颗粒的自由沉降速度球形颗粒的自由沉降速度 以重力的方向为正方向以重力的方向为正方向 Fb浮力浮力 Fd阻力阻力Fg重力重力什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？4.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）直径为直径为d、颗粒密度为
3、颗粒密度为s的球形颗粒在密度为流体中的重的球形颗粒在密度为流体中的重力和浮力分别为：力和浮力分别为：重力：重力：（N）浮力：浮力：（N）tu u0加速段加速段匀速段匀速段 颗颗粒粒做做匀匀速速运运动动，沉沉降降速速度度恒恒定定不不变变，该该速速度度称称为为自自由由沉降速度沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为：。达到恒定的沉降速度时，合力为：阻力：阻力：（N）阻力系数阻力系数4.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）（球形颗粒的自由沉降速度）（球形颗粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系数（）阻力（曳力）系数（Dragcoefficient）与流体的流动阻力
4、系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒与流体的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒沉降雷诺数有关，即沉降雷诺数有关，即注意：注意：其中其中d为颗粒直径，为颗粒直径，u0为颗粒的沉降速度，为颗粒的沉降速度，、分别分别为流体的密度与粘度。为流体的密度与粘度。4.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）通过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图通过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图,将他们将他们回归成关联式为：回归成关联式为：过渡区（过渡区（Allen区，区，2Re0500）湍流区（牛顿区，湍流区（牛顿区，500Re0200000后，后，骤然下降，在骤然下降，在R
5、e0=(310)105范围内范围内可近似取可近似取=0.1。层流区（层流区（Stokes区，区，Re02或或0.3）（Stokes定律）定律）4.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）补充：补充：我国的陈文清发现，在气流干燥、喷雾干燥器内，我国的陈文清发现，在气流干燥、喷雾干燥器内，1Re0500都在都在阿仑区，但将实验值代入阿仑公式，发现其平均阿仑区，但将实验值代入阿仑公式，发现其平均误差高达误差高达15.5%，他将实验值拟合成，他将实验值拟合成式中式中R0=0.9178336，R1=-0.0782483，R2=2.89410-3，R3=9.5471781
6、0-3，R4=1.34771910-3，R5=-6.94525510-34.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）（3）沉降速度（）沉降速度（Settlingvelocity）的计算的计算图解法：图解法：由于沉降速度未知，雷诺数无法计算，因此图解法需要试由于沉降速度未知，雷诺数无法计算，因此图解法需要试差计算。差计算。公式法：公式法：将以上阻力系数关系式代入自由沉降速度的计算式中可得将以上阻力系数关系式代入自由沉降速度的计算式中可得到计算沉降速度的公式。由于沉降速度未知，雷诺数无法计算，到计算沉降速度的公式。由于沉降速度未知，雷诺数无法计算，因此公式法也需要
7、试差计算。因此公式法也需要试差计算。计算过程：计算过程：假设沉降处于层流区假设沉降处于层流区Stokes定律求定律求u0核算核算Re0若若Re02，则用，则用相应的公式求相应的公式求u0核算核算Re04.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）因次分析法：因次分析法：通过实验整理数据得到：通过实验整理数据得到：阿基米德准数阿基米德准数 Ar与与沉沉降降颗颗粒粒和和流流体体的的性性质质、分分离离要要求求有有关关，根根据据已已知知条条件件计计算算Ar，然然后后由由上上式式计计算算Re0，由由Re0直直接接计计算算沉沉降降速速度度u0，不需要试差和校核。不需要试差和
8、校核。4.1重力沉降重力沉降（Gravitationalsedimentation）（4）其它因素对沉降速度的影响）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：以上的沉降过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降：颗粒为球形；颗粒为球形；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略；颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。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：在实际情况中还需考虑以下因素的影响：干扰沉降；干扰沉降；端效应；端效应；分子运动；分子运动；非球
9、形；非球形；液滴或气泡的运动液滴或气泡的运动。4.2降尘室降尘室 B Vs u0u L H颗粒在降尘室中的运动颗粒在降尘室中的运动颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。其中：其中：停留时间：停留时间：气流速度气流速度m/s气流流率气流流率m3/st t与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；沉降时间沉降时间 0与流体、颗粒的性质、分离要求及降尘室的高度
10、有关。与流体、颗粒的性质、分离要求及降尘室的高度有关。4.2降尘室降尘室注意：注意：当某直径的颗粒满足当某直径的颗粒满足t t0时，它能够被完全时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足）地分离；当某直径的颗粒满足t t0时，它不是不时，它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离。能被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离。讨论：讨论：（1 1）降尘室的生产能力：）降尘室的生产能力：停留时间最短为停留时间最短为t t=0=H/u0，即最大生产能力为即最大生产能力为Vs=BLu0；故生产能力与降尘室的底面积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，有
11、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。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，）降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高那么降尘室的高度是否越小越好呢？度是否越小越好呢？4.2降尘室降尘室H时，根据时，根据 若若u不不变变，则则L，生生产产能能力力Vs=BLu0；为为保保证证生生产产能能力力不不变变，必必须须B；降降尘尘室室变变得得短短而而宽宽，气气体体进进入入降降尘尘室室还还未未稳稳定定就就离离开开降降尘尘室室了了，气气体体在在降降尘尘室室内内的的分分布布不不均均匀匀造造成成分分离离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置；能力下降；所
12、以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置；若若L不不变变，u，生生产产能能力力不不变变；若若流流速速太太大大，则则沉沉降降后后的的颗颗粒粒被被重重新新扬扬起起，分分离离效效率率，故故应应保保证证气气体体流流动动维维持持层层流流状态，一般状态，一般u3m/s，易扬起的物料易扬起的物料u10m（75m效效果果较好）。较好）。4.2降尘室降尘室（4）t t0在在设设计计中中是是确确定定降降尘尘室室主主要要结结构构尺尺寸寸的的依依据据，在在操操作作中中是是确确定定所所能能完完全全分分离离最最小小颗颗粒粒直直径径的的判判据据。当当Stoches定定律律适适用用时时，颗颗粒粒在在降降尘尘室室中中作作自自由由沉沉
13、降降，处处理理量量为为Vs时能分离出的颗粒的最小直径时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：为：降尘室底面积降尘室底面积4.3悬浮液的沉聚过程悬浮液的沉聚过程 悬悬浮浮液液的的沉沉聚聚过过程程一一般般出出现现：清清液液区区、等等浓浓度度区区、变变浓浓度区和沉聚区。若颗粒不均匀，则不出现等浓度区。度区和沉聚区。若颗粒不均匀，则不出现等浓度区。悬浮液的沉聚过程各个区的浓度增大，颗粒间沉降的相悬浮液的沉聚过程各个区的浓度增大，颗粒间沉降的相互干扰作用也增大。由于浓度增大，颗粒相互间絮凝成絮状互干扰作用也增大。由于浓度增大，颗粒相互间絮凝成絮状下沉，沉降速度增大，属于干扰沉降，无法从理论上计算沉下沉，沉
14、降速度增大，属于干扰沉降，无法从理论上计算沉降速度、沉降时间，只能由实验来测定。降速度、沉降时间，只能由实验来测定。4.4沉降槽沉降槽（Settlingtank）4.4沉降槽沉降槽（Settlingtank）用用于于分分离离悬悬浮浮液液，连连续续操操作作。其其生生产产能能力力与与降降尘尘室室一一样样与底面积有关，与沉降槽高度无关。与底面积有关，与沉降槽高度无关。悬悬浮浮液液中中加加入入电电解解质质、絮絮凝凝剂剂等等添添加加剂剂有有利利于于絮絮凝凝现现象象的的发发生生，提提高高沉沉降降速速度度；另另外外，提提高高悬悬浮浮液液温温度度也也可可提提高高沉沉降速度。降速度。不不论论是是降降尘尘室室还还
15、是是沉沉降降槽槽，都都是是利利用用重重力力作作用用的的原原理理达达到到分分离离的的目目的的，对对一一定定的的分分离离体体系系，分分离离要要求求一一定定，则则沉沉降降速速度度确确定定，其其分分离离能能力力有有限限，分分离离直直径径大大于于10m的的颗颗粒粒较较为为适适合合，但但对对小小于于10m颗颗粒粒的的分分离离重重力力沉沉降降无无法法实实现现，则则改改用用离心沉降。离心沉降。4.5离心沉降离心沉降（Centrifugalsedimentation）r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动颗粒在旋转流体中的运动颗粒的切线速度颗粒的切线速度旋转半径旋转半径离心加速度离心加速度若若颗粒为球
16、形：颗粒为球形：颗粒密度颗粒密度流体密度流体密度当当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur4.5离心沉降离心沉降（Centrifugalsedimentation）r=0.5m，ut=10m/s时，时，注意：注意：离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒和流体同时做度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径线。离心
17、沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。向上的分量。旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋风分离器用于分离气体中的固体颗粒旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒旋液分离器用于分离液体中的固体颗粒 重力沉降重力沉降 离心沉降离心沉降 降尘室用于分离气体中的固体颗粒降尘室用于分离气体中的固体颗粒沉降槽用于分离液体中的固体颗粒沉降槽用于分离液体中的固体颗粒 4.6旋风分离器（旋风分离器（Cycloneseparators）（1 1）结构与工作原理）结构与工作原理 4.6旋风分离器（旋风分离器（Cycloneseparators）（2 2）分离性能）分离性能 旋风分离器能够分离出的颗粒大小是
18、它的主要性能之一。旋风分离器能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。临界直径临界直径dc（Criticaldiameter）假设：假设：a、颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度ut恒定，与所在位恒定，与所在位置无关，且等于进口处的速度置无关，且等于进口处的速度ui；b、颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进口宽度颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进口宽度B；c、颗粒与气流的相对运动为层流。颗粒与气流的相对运动为层流。颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须不大颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须不大于停留时间于停留时间停留时间停留时间沉降时
19、间沉降时间 临界直径临界直径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗粒直径为最小直径。的颗粒直径为最小直径。4.6旋风分离器（旋风分离器（Cycloneseparators）离心沉降时间为：离心沉降时间为：旋转半径的平均值旋转半径的平均值停留时间：停留时间：4.6旋风分离器（旋风分离器（Cycloneseparators）讨论讨论：B，D，dc，效效率率；在在生生产产能能力力相相同同条条件件下下，有有一一台台大大旋旋风风分分离离器器和和若若干干台台小小旋旋风风分分离离器器（进进口口气气速速一一样样），应采用哪种方案？应采用哪种方案？ui，dc，效效率
20、率，但但阻阻力力；旋旋风风分分离离器器的的进进口口气气速速应适当选择，不宜太高也不宜太低。应适当选择，不宜太高也不宜太低。dc不不仅仅与与颗颗粒粒和和气气体体的的性性质质有有关关，而而且且与与旋旋风风分分离离器器的的结结构构和和处处理理量量有有关关。处处理理量量越越大大、颗颗粒粒密密度度越越大大、进进口口越越窄窄、长长径径比比越越大大（N越越大大），则则临临界界直直径径越越小小，分分离离性性能能越越好。好。4.6旋风分离器（旋风分离器（Cycloneseparators）分离效率分离效率粒级效率、总效率粒级效率、总效率含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数含尘气体中所有颗粒经分离器后
21、被分离出的质量百分数0 0，称为称为总效率总效率:含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数百分数pi，称为称为粒级效率粒级效率:其中其中c为质量含量，为质量含量，g/m3；i表示直径为表示直径为di的颗粒。的颗粒。4.6旋风分离器（旋风分离器（Cycloneseparators）讨论：讨论：若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。d dc时，时，pi=100%，d dc的颗粒能否被分离？的颗粒能否被分离？能，能，不能被完全分离即不能被完全分离即pi75m）初步净化初步净化惯性分离（惯性分离（15m）折流挡板（通过撞击而分离）折流挡板（通过撞击而分离）离心沉降（离心沉降（110m）中等净化中等净化袋式除尘器（袋式除尘器（1m）布袋、玻璃纤维布作为过滤介质布袋、玻璃纤维布作为过滤介质电除尘电除尘