化工原理第三章

3沉降与过滤ChongqingTechnologyandBusinessUniversity概述颗粒的沉降运动沉降分离设备过滤原理及设备讲解内容本章将考察流固两相物系中固体颗粒与流体间的相对运动。第一节概述一、混合物的分类均相混合物：二、分离非均相混合物的目的回收有价值的分散物质净化分散介质环境保护和安全生产非均相混合物：物系内部各处物料性质均匀，且不存在相界面内部有隔开两相的界面存在，且界面两侧物料性质截然不同气态非均相物系：含尘气体，含雾气体液态非均相物系：悬浮液分散物质（分散相）+分散介质（连续相）三、分离方法机械分离法，使流-固物系发生相对运动实现分离。过滤：沉降分离：重力沉降，离心沉降涉及流固物系发生相对运动的化工过程：某些物理、化学过程：固体干燥催化反应固体流态化1.研究内容：流-固物系发生相对运动的规律2.相对运动的特殊性相对运动包括：颗粒静止，流体绕流流体静止，颗粒沉降两相都运动，但保持一定的相对速度就流体对颗粒的作用力面言，只要相对速度相同，三者无本质区别。假设颗粒静止，流体绕流比较名称感兴趣区别颗粒对流体的作用力阻力阻力损失（外部问题）作用力的效果流体对颗粒的作用力曳力阻力大小（内部问题）作用力的本身四、颗粒与流体相对运动时所受的阻力A、两种曳力（阻力）表面曳力和形体曳力B、曳力与曳力系数221uAFpd),,,(:udfFpd析因分析研究表明：曳力系数)(udp实验测定：pRe~Rep＜2Stokes区tRe242≤Rep＜500Allen区500≤Rep＜2×105Newton区44.0对于球形颗粒)1(说明服从一次方定律,,2Re)1(uFdp服从平方定律表面曳力形体曳力,,44.0,,500Re)3(2uFdp,Re)2(p边界层开始脱体，形体曳力增大注意.积应取颗粒的最大投影面计算阻力时pARe10第二节重力沉降一、静止流体中颗粒的自由沉降P:前提重力场中分析：静止流体中，颗粒在重力(或离心力)作用下将沿重力方向(或离心力方向)作沉降运动。设颗粒的初速度为零，起初颗粒只受重力和浮力的作用。如果颗粒的密度大于流体的密度，作用于颗粒上的外力之和不等于零，颗粒将产生加速度。但是，一旦颗粒开始运动，颗粒即受到流体施予的曳力。A、受力分析重力：浮力：曳力：221uAFpdgdmgFppg36gdgmFppb36B、重力沉降的几个阶段1.沉降的加速阶段：设初始速度为0，根据牛顿第二定律：0ddumFFFdbg2.沉降的等速阶段tdbgduuuFFFddu，dduF此时某一时刻,0,0,243)(udgddupppp043)(2tppppudg即：3)(4pptgdu计算的不同计算式代入即可将度称为沉降速度或终端速tu)(18)(,)1(2较小区时处于ppptd，gduStockspptdguAllen3122]225)(4[,)2(区时处于)(;,)(03.3,)3(较大无关与区时处于ppptdgduNewtonC、颗粒的沉降运动沉降的两个阶段：加速阶段、等速阶段（1）流体静止：小颗粒加速阶段可以忽略，近似认为始终以速度沉降（2）流体水平运动：颗粒以与流体相同的速度水平运动，又以速度沉降（3）流体以一定的速度向上运动颗粒绝对速度tpuuu颗粒向上运动,tuu颗粒向下运动,tuu悬浮于流体中颗粒静止，uut,tutuD、沉降速度的计算与应用1.计算)(tpud3)(4pptgdu方程组非线性，须试差求解区否则校验假设否则再校验区首先假设处于，Allen，Stockspp,500Re,44.0,2Re,方法：①②无因次判据：K2.影响的因素与应用tu18)(,2pptgduStocks区若在tpu,尤其注意影响最大，dudptp,,tu,Tut:,,气T:液气体先冷后除尘，还是相反？液体先冷后除尘，还是相反？问题E、其它因素对沉降速度的影响①干扰沉降：相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周围的流场，颗粒沉降相互干扰②壁效应：壁面，底面处曳力↓③颗粒形状：例5-1颗粒大小测定已测得密度为ρp=1630kg/m3的塑料珠在20℃的CCl4液体中的沉降速度为1.70×10-3m/s，20℃时CCl4的密度ρ=1590kg/m3，粘度μ=1.03×10-3Pa/s，求此塑料珠的直径例5-2落球粘度计使用光滑小球在粘性液体中的自由沉降可以测定液体的粘度。现有密度为8010kg/m3、直径为0.16mm的钢球置于密度为980kg/m3的某液体中，盛放液体的玻璃管内径为20mm。测得小球的沉降速度为1.70mm/s，试验温度为20℃，试计算此时液体的粘度。测量是在距液面高度1/3的中段内进行的，从而免除小球初期的加速及管底对沉降的影响。当颗粒直径dp与容器直径D之比dp/D0.1、雷诺数在斯托克斯定律区时，器壁对沉降速度的影响可用下式修正二、沉降分离设备基础：颗粒在外力的作用下产生沉降，且以两相为前提，按作用于颗粒的外力分：重力沉降设备、离心沉降设备)(PA、降尘室1、结构特点降尘室的特点：1:容积一般较大；2:气速低；3:气流进出口采用流线型设计；4:通常可捕获50μm颗粒。颗粒在降尘室的运动.swf在流体水平方向上颗粒的速度与流体速度相同，故颗粒在室内的停留时间也与流体质点相同。在垂直方向上，颗粒在重力作用下以沉降速度ut向下运动。气流速度和颗粒速度的关系Ut：可根据不同的情况，用公式求解。2.过程数学描述HLBA高底面积降尘室,:sVm/,:3在流动截面上均匀分布含尘气VrqAHuL任一流体质点（颗粒）的停留时间（水平）：ttuH位于降尘室最高点的颗粒降至室底所需时间(沉降时间，垂直方向)为：除尘条件：trtVuHqAH即：临界条件：tVuHqAHtcpcud临界沉降速度临界粒径,tVAuq处理能力：18)(,2ppctcgdu，Stocks区小颗粒AVgdppc)(18为满足除尘要求，气流的停留时间τr至少必须与颗粒的沉降时间τt相等，此式表明对一定物系，降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，而与高度无关。①什么是“能100%除下的最小颗粒？”及pcd②降尘室有隔板与无隔板时的之比pcd有：无：tcAuV'21tcAuV18)(2ppctcgdu12''22pcpctctcdduupcpcdd21'讨论降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板。是否是越多层越好？③能降下60%的颗粒粒径?'pd④温度对降尘室生产能力的影响ttcruHuH'6.06.0'tctuu，TG不变VAHVrtttuHu除尘能力6.0'pcpdd3、过程计算tcVAuq18)(2ppctcgdu小颗粒：7个变量，自由度为5A，，dqpcpV求选择工艺要求已知,,,:设计型：操作型：Vpcpq，d，A求处理能力已知,,,:)1(pcVpd，q，A求已知,,,:)2(工况由一种工况推算另一种)3(例5-3降尘室空气处理能力的计算现有一底面积为2m2的降尘室，用以处理20℃的常压含尘空气。尘粒密度为1800kg/m3。现需将直径为25μm以上的颗粒全部除去，试求：(1)该降尘室的含尘气体处理能力，m3/s；(2)若在该降尘室中均匀设置9块水平隔板，则含尘气体的处理能力为多少m3/s？B、增稠器----分离悬浮液（连续生产过程）悬浮液在任何设备内静置，均会发生沉降过程，其中固体颗粒在重力作用下沉降与液体分离工作原理：沉降的两个阶段：上部----自由沉降下部----干扰沉降双重功能：得到澄清液体，产率取决于D器增稠悬浮液，必须有足够的停留时间絮凝剂问题：为什么要进行离心沉降？答：18)(,2ppctcgdu，Stocks区小颗粒tppud改变因工艺而异而或两密度差细颗粒,)(turwwrgrw22,,:代替离心沉降第三节离心沉降与重力之比同一颗粒所受的离心力离心分离因数,:2grwKc离心分离因数是表示离心力大小的指标一、离心分离因数二、离心沉降速度23)(4rdddrupprrurT22或离心沉降速度：离心沉降速度的计算公式只将重力沉降速度g计算公式中的加速度改为离心加速度沉降方向不是向下，而是沿半径向外重力沉降速度不变，离心沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化小颗粒沉降时一般处于斯托克斯区，故2218)(rdddrpp旋流器：旋风和旋液分离器旋液分离器：用于液-固体系旋风分离器：用于气-固体系三、旋风分离器用途：适用于含颗粒浓度为0.01～500g/m3、粒度不小于5um的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气-固流态化装置的尾气处理。旋风分离器旋风分离器.swf严格地说，旋风分离器内气流的运动情况相当复杂。由于细粉的凝聚与分散，器壁对细粉的反弹作用以及粒子间的摩擦作用等原因，分离机理很复杂，理论上的研究从未停止过。含尘气体以较高的线速度切向进入器内，在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底后以相同的旋向折转向上形成内螺旋流场直至达到上部排气管流出。颗粒在内、外旋转流场中均会受离心力作用向器壁方向抛出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。旋风分离器结构和工作原理：1.构造圆筒部分：矩形进口管、圆形排气管、圆筒锥形部分：集尘室----灰斗2.工作原理含固体颗粒的气体由矩形进品管切向进入器内，以造成气体与颗粒的圆周运动，颗粒被离心力抛至器壁并汇集于锥形底部的集斗中，被净化后的气体从中央排气管排出。旋风分离器旋风分离器的离心分离因数约为5～2500，一般可分离气体中5～75μm直径的粒子。旋风分离器性能的评价指标•分离效率•气体经过旋风分离器的压降(1)在分离器内气流形成两个主旋涡(2)外旋涡造成的离心力将颗粒抛向器壁含尘气体清洁气体排气管排尘BB（1）临界粒径②颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于整个进气口宽度B的气体层，方能达到气壁面被分离。③颗粒在stocks区，作自由沉降，其径向沉降速度可用stocks公式计算临界粒径的简化条件：Rudutppr2218)(①进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路线作等速运动，其切向速度等于进口气速tu3.性能指标mitRRuu,由以上假设：22)(18ippmrtudbRubmipprRudu2218)(沉降时间：,n设气流的有效旋转圈为停留时间：imrunR2除尘条件：trimippmunRudbR2)(1822即)(3pipcnubd5n标准型讨论分离效率,,pcdb细长型有利pcdn,分离效率,,pcidu分离效率,,pcpd)(3pipcnubd(2)旋风分离器的分离效率分离效率的表示方法粒径dpi的颗粒粒级效率：总效率是指被除下的颗粒占气体进口总的颗粒的质量分率，即总效率η0粒级效率ηi进出进－＝ηCCC0进出进－＝ηiiiiCCC不同粒径dpi的粒级与分离效率的关系总效率与粒级效率的关系为通常将经过旋风分离器后能被除下50%的颗粒直径称为分割直径dpc，某些高效旋风分离器的分割直径可小至3～10μm。阻力系数主要由旋风分离器的结构决定。同一结构型式、不论其尺寸大小，阻力系数接近定值。常用型号的旋风分离器值在5.0～8.0之间；入口气速，分离效率，但阻力，不经济。压降一般控制在0.5~2kPa左右(入口气速15～25m/s)，