沉降过程与操作

学习情境4沉降过程与操作

学习要求

知识目标：

1. 了解重力沉降及离心沉降基本知识。

2. 掌握旋风分离器、油水分离设备工作原理。

能力目标：

1. 能使旋风分离器平稳运行。

2. 能使油水分离设备平稳运行。

学习情境4.1常压塔顶回流罐的油水分离

【教学内容】

化工生产中需要将混合物加以分离的情况横多，大致说来，混合物可分为两大类，即均相混合物和非均相混合物，详细内容下表。

均相：内部各处均匀不存在相界面的物系称为均相物系。如溶液、混合气体及少量混合液体。

非均相：由具有不同物理性质（如密度和粒径）的分散物质和连续介质所组成的物系称非均相物系。

均相物系的分离属于传质内容，均相物系中的“固一固”物系不在讨论之列；非均相

物系可以借助沉降、过滤、筛分等手段，利用物系中两相间的物性（如p或d）差，实现

两相间的相对运动达到分离的目的。这些属于机械分离，操作遵循流体力学的基本规律。

在非均相物系中，处于分散状态的物质称“分散相”；包围它的物质称“连续相”

（即分散介质）。

沉降是将混合物置于力场中，在力场作用下，使分散相与连续相发生相对运动，密度大的物质定向地移向收集面，实现分离。

力场沉降类型物系

重力场重力沉降

自由沉降

气一固、液一固气一液、液一液

干扰沉降

离心力场离心沉降同上

电场电沉降

电除尘器

颗粒极微者

电捕焦油器

固一固物系往往要借助流体，使固固两相间的运动产生速度差。在这里我们重点学习重力沉降，其沉降方向垂直向下。

沉降速度

㈠球形颗粒的自由沉降

自由沉降一一颗粒沉降中不受外界的任何影响。

将一粒表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体中，颗粒p S＞液体的p ,于是颗粒受到的力分别为：重力Fg、浮力Fb、阻力Fd,其作用方向如图示。

当颗粒和流体的种类确定后，仅于p s、d和p有关的重力及浮力便为常量；阻力则

随着颗粒运动的速度的变化而变化。

直径为d的颗粒，所受三力表示为（向下为正）：j

三力之和，使颗粒产生加速度： a =du/d 0

图4-1受力分析

从颗粒沉降达到等速阶段， 理论上讲需要很长的时间，

但达到0.99u t 需时很短，固可

以忽略加速段，认为颗粒始终在等速

U t 下运动。

在 a=0, u=u t ,

E 也是雷诺数 Re （ Re t =du t p /卩）的函数：

1. 滞流区（斯托克斯定律区，

10-4

E =24/Re t

（3-3）

3

2. 过渡区（艾伦区，1

E =18.5/

（Re t 06

）

（3-4 ）

3. 湍流区（牛顿定律区，103

）

E =0.44

（3-5 ）

4. 湍流边界层区（Re>2X 105

）

E =0.10

将（3-3 ）至（3-5 ）代入（3-2 ），得到不同Re 区域相应u t 的计算式:

1. 湍流区 u t =d2 （ p s - p ） g/18 卩

萨0已匡—）时

2. 过渡区

'

『'

片“74运亟

3. 湍流区

J ’

不同u t 下，流体对颗粒产生的流阻会有不同的影响：

整理后得：「一」I

(3-1 )

尹*-必■尹右詈。u i

4 起（口 - Q ）

(3-2 )

上式显示：（p s- p ） f 、d f U t f 。