第14讲 重力沉降

2.3.4真空泵蒸汽喷射泵喷射泵是利用流体流动时静压能与动能相互转换的原理来吸、送流体。优点：喷射泵构造简单、紧凑，没有活动部分。缺点：效率很低，蒸汽消耗量大。注：若将几个真空泵串联起来，便可得到更高的真空度。第14讲第三章非均相物系的分离和固体流态化教学内容：重力沉降教学目的：掌握重力沉降过程的基本原理、了解典型设备（降尘室、沉降槽等）的结构特征、能够根据生产工艺的要求，完成降尘室的设计。教学重点：重力沉降速度的计算。教学难点：降尘室的设计。3.1概述①特点：物系内部各处均匀且无相界面，即体系内只有一个相。②分离方法：蒸馏、吸收等。1.均相混合物2.非均相混合物①特点：体系内包含一个以上的相，且相界面两侧物料性质不同。分散相与连续相a、在非均相物系中，处于分散状态的物质称为分散相或分散物质。b、包围着分散物质而处于连续状态的流体称为连续相或连续介质。混合物的分类由具有不同物理性质的分散物质和连续介质所组成的物系。③分离方法：机械分离方法。常用单元操作有：重力沉降、离心沉降、过滤等。④应用：a、收集分散物质。b、净化连续介质。c、环境保护与生产安全。②分类：（1）气态非均相物系(气—固、气—液），如含尘气体、含雾气体。（2）液态非均相物系(液—液、液—固），如悬浮液、乳浊液及泡沫液等。3V=6d体积：2Sd表面积：2366SdVdd比表面积：1.球形颗粒球形颗粒的尺寸由直径d确定。其他参数均可表示为d的函数3.2.1颗粒的特性2、非球形颗粒3366ppeeVVdd体积当量直径de：形状系数：spSS又称球形度，表征颗粒的形状与球形的差异程度。非球形颗粒可用当量直径及形状系数来表示其特性。6/ppsepSadV36peVd2//psesSSd体积：表面积：比表面积：相当于球形颗粒表面积2ed颗粒实际表面积3.3重力沉降在重力场中，利用连续相与分散相的密度差异，使之发生相对运动而实现非均相混合物分离的操作过程，称为重力沉降。1.沉降速度球形颗粒的自由沉降单颗粒（或充分分散、互不干扰的颗粒群）在流体中借助于重力而产生沉降，称自由沉降。duFmd0Fa、加速运动阶段：b、等速运动：静止流体中颗粒的沉降过程沉降颗粒的受力情况重力沉降速度ut：如图示。球形颗粒：ρs，d。流体密度为ρ重力：36gsFdg36bFdg222242duduFA浮力：阻力：223()4264()3tsstuddgdgu0F匀速段：——重力沉降速度2.阻力系数ζ：Re,,ttssduff图3-2ξ—Ret关系曲线ζ～Ret的关系式：24Ret0.618.5Ret2()18stdgu0.6()0.27Resttdgu()1.74stdgu(1)层流区或（Stokes)阻力区，10-4＜Ret≤1：(2)过渡区或艾仑区，1＜Ret＜103：(1)层流区：(2)过渡区：(3)湍流区(3)湍流区或牛顿区，103＜Ret＜2×105：ζ=0.44对应各区沉降速度ut的计算公式如下：——Stokes公式——Allen公式——Newton公式3.影响沉降速度的因素B、干扰沉降：若上述条件不能成立，则为干扰沉降，此时，沉降速度较自由沉降时小。A、自由沉降条件：①颗粒为球形。②颗粒彼此相距甚远，互不干扰（混合物中颗粒的体积百分率不超过0.1）。③忽略容器壁面对颗粒的滞阻作用（D容器100d）。④颗粒直径不宜太小，若d2～3μm，则易受流体介质分子运动的影响（分子的布朗运动）而影响沉降。颗粒的体积浓度、器壁效应、颗粒形状的影响。4.沉降速度的计算试差过程为：首先假设Ret区域(层流区、过渡区或湍流区)，选用相应的ut计算式计算出ut，用此ut计算Ret，再检验假设的Ret区域是否正确，如果与假设不符，则应重新假设、计算，直至计算结果与假设一致为止。（1）试差法注意：区别流体的流速u与颗粒沉降速度ut。ut取决于颗粒和流体两相的性质，与流体的流动与否无关。而颗粒运动的绝对速度up则与流体的流动状态直接相关。24()3stdgu22222Rettdu3224()Re3stdg1234()Re3sttgu（2）摩擦数群法22222Rettdu2Ret若已知d，求ut，可先求，查图3-3得到Ret，反算出ut。1Rettdu因：因：即：ReRettttdudu24()3stdguReRettttduud即：若已知ut，求d，可以先求，查图3-3得到Ret，反算出d。1Ret例3-2计算直径为90μm、密度为3000kg/m3的固体颗粒在20℃水中的沉降速度。解：由附录五查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pa·s。（1）试差法：假设颗粒在层流区内沉降。沉降速度为：22633()1890103000998.29.818.79310/181.00510stdgums核算：63390108.79310998.2Re0.829711.00510ttdu结论：原假设成立，ut即为所求。沉降速度为：（2）摩擦数群法32236234()Re349010998.23000998.29.8018.8631.00510stdg查图3-3，得：Ret=0.78336Re1.005100.788.7310/9010998.2ttumsd应用举例：1、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。练习题：用落球法测定某液体的粘度，将待测液体置于玻璃容器中，测得直径为6.35mm的钢球在此液体中沉降200mm所需的时间为7.32s。已知钢球的密度为7900kg/m3，液体密度为1300kg/m3，计算液体的粘度。（答案：μ=5.31Pa·s·）2、颗粒大小的测定。已测得密度为ρs=1630kg/m3的塑料珠在20℃的CCI4液体中的沉降速度为1.71×10-3m/s。20℃时的CCI4密度ρ=1590kg/m3，粘度μ=1.03×10-3Pa·S，求此塑料珠的直径。解：设小珠沉降处于斯托克斯定律区，则：33418181.03101.70102.8310163015909.81tsudmg校核：4332.83101.70101590Re0.74411.0310ttdu假设成立，计算有效，小珠直径约为0.283mm。2.重力沉降设备（1）降尘室依靠重力沉降从气流中分离出固体颗粒的设备称为降尘室。水平运动：停留时间：lu垂直运动：沉降时间：ttHu尘粒在降尘室内的运动情况分离条件：t则降尘室的生产能力：含尘气体通过降尘室的体积流量，m3/s。stttlVuHbuHbbluAuH底ttlHluuuuH或如图示。降尘室长、宽、高分别为：、b、H。l讨论：（1）降尘室的性能指标结论：降沉室的生产能力仅与降尘室的底面积及沉降速度有关，与降尘室的高度无关。sttVbluAu底生产能力：1stVnblu①生产能力：多层降尘室''tduHHH③分级效率——直径为dp的颗粒能被分离出来的百分数。d（2）降尘室的应用及优、缺点：适宜于从气流中分离粗颗粒（d75μm）或作预处理。优点：结构简单，流体阻力小。缺点：体积庞大，分离效率低。②dmin——临界粒径，即降尘室所能全部捕集的最小颗粒直径。ssttVVlHHHuuuullbHbl2min,min18sstdgVublmin1818sssVuHdgblgl相关计算问题:1、设计型问题：给定生产任务，即待处理的气体流量Vs，并已知有关物性（μ、ρ、ρs）及要求全部除去的最小颗粒尺寸dmin，计算所需降尘室面积。2、操作型计算：降尘室底面积一定，可根据物系性质及要求全部除去的最小颗粒尺寸dmin，核算降尘室的处理能力；或根据物系性质及气体处理量计算能够全部除去的最小颗粒尺寸dmin。例：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？解：（1）据题意，由附录查得，20℃的常压空气，ρ=1.2kg/m3，μ=1.81×10-5Pa·S设100%除去的最小颗粒沉降处于斯托克斯区，则其沉降速度为：262min5251018001.29.81()0.034/18181.8110stdgums校核：6min525100.0341.2Re0.05611.8110ttdu320.0340.068/stVAums底假设成立。气体处理量为：（2）当均匀设置n块水平隔板时，实际降尘面积为(n+1)A底，所以，气体处理量为：'3(1)1020.0340.68/stVnAums底可见：采用多层降尘室，其生产能力可提高至原来的(n+1)倍。二、沉降槽三、分级器分级：利用颗粒的沉降速度不同将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗分，或将不同密度的颗粒进行分类。双锥分级器小结：本次课重点掌握重力沉降速度的计算。作业：教材P196第2、4题。