化工原理课件(天大版) 第三章 非均相系分离

2.564m
2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸
Vs 2.564 ut 0.214m / s bl 2 6
用试差法由ut求dmin。
假设沉降在斯托克斯区
18ut 18 3.4 10 5 0.214 d min 5.78 10 5 m s g 4000 0.5 9.807
颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑；u →ut 时，a=0 。
(a)
颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max
等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式
3 3 2 u t d s g d g d 0 6 6 4 2
生产能力 s BHu BLut A底 ut V
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
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u<3m/s，较 易扬起灰尘的，可取u<1.5m/s。 L
u
气体
B
ut
H
多层降尘室
2
——斯托克斯公式
b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret<103）
18.5 0 .6 Re t
ut 0.269 gd s Re t 0.6

——艾伦公式
c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105）
0.44
ut 1.74 d s g
分散相
分散物质 非均相物系 连续相
处于分散状态的物质
如：分散于流体中的固体颗粒、
液滴或气泡
包围着分散相物质且处于连续 状态的流体 连续相介质 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体
连续相与分散相 机械 分散相和连续相 分离 分离 不同的物理性质 发生相对运动的方式
沉降
过滤
3.2 颗粒及颗粒床层的特性
2
因ζ是Ret的已知函数， ζ Ret2必然也是Ret的已知函数， ζ ～Ret曲线便可转化成 ζ Ret2～Ret曲线。 计算ut时，先由已知数据算出ζ Ret2的值，再由ζ Ret2～Ret 曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut 。
Re t ut d
ζRet2
Ret
ζRet
计算在一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，

——牛顿公式
3、影响沉降速度的因素
1）颗粒的体积浓度
在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓
度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒 浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降
，自由沉降的公式不再适用。
2）器壁效应 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上） 容器效应可忽略，否则需加以考虑。




4.52
2.61＜K<69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。
ut
1 .6 1 1.4 d 1.4 0.154 g
s
1.4
1 1. 4

0 .4
1.4
0. 6
0.619m / s
5. 重力沉降设备
1. 降尘室
1）降尘室的结构 2）降尘室的生产能力
降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流 量，用Vs表示，m3/s。 降尘室内的颗粒运动 以速度u 随气体流动 以速度ut
Ret＜1 Ret＞1
4 gd s 得 由 ut 3
4dg s 2 3ut
Re t 2
d 2 ut 2 2
2

4d 3 s g Re t2 3 2
令 k d 3 s g 2
4 3 Re t k 3
颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ζ愈大 但φs值对ζ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种 影响变大。
4、沉降速度的计算
1）试差法
方法： 假设沉降属于层流区
d 2 s ut 18
Re t du
ut
Ret
ut为所求 公式适 用为止 2) 摩擦数群法 …… 判断 求 ut 艾伦公式
作沉降运动
降尘室
气体 进口 气体 出口
思考1： 为什么气体进入降尘室 后，流通截面积要扩大？ 思考2：为什么降尘室要做成扁平的？
停留时间
沉降时间
集灰斗 降尘室
L B
L u H t ut
气体
u
H
若 t
则表明，该颗粒能在 降尘室中除去。
ut
颗粒在降尘室中的运动
思考3：要想使某一粒度的 颗粒在降尘室中被100%除 去，必须满足什么条件？
核算沉降流型
Re t
du t

5.78 10 5 0.214 0.5 0.182 1 5 3.14 10
∴原假设正确
3）粒径为40μm的颗粒的回收百分率 粒径为40μm的颗粒定在滞流区 ，其沉降速度
u t
d s g 4000 0.5 9.807 0.103m / s 40 10 18 18 3.4 10 5
颗粒，或作为预分离设备。
2. 增稠器（沉降槽）
加料 清液溢流 水平 挡板 耙 稠浆 连续式沉降槽 清液
3. 分级器
而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照 流体流动阻力的计算式写为 ：
Fd A
u 2
2
2 对球形颗粒A d 4
2
2 u Fd d 4 2 Fg Fb Fd ma
3 3 2 u 2 3 d s g d g d d sa 6 6 4 2 6
2 6 2


气体通过降沉室的时间为：
L 6 12 s u 0 .5
直径为40μm的颗粒在12s内的沉降高度为：
0.103 12 1.234m H ut
'
假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗 粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗 粒被分离下来的百分率。 直径为40μm的颗粒被回收的百分率为：
2
4dg ( s ) ut 3
——沉降速度表达式
2、阻力系数ζ
通过因次分析法得知，ζ值是颗粒与流体相对运动时的 雷诺数Ret的函数。 对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区： a) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 –4＜Ret<1）
24 Re t
d s ut 18
颗粒的特性及描述 ★
3.3 沉降分离 3.3.1 重力沉降
沉降在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异 ，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。 重力 重力 沉降 离心沉降
作用力
惯性离心力
1、沉降速度
1）球形颗粒的自由沉降
设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，
重力 浮力
3 Fg d s g 6 3 Fb d g 6
第三章 非均相系的分离
3.1概述
混合物
均相混合物 物系内部各处物料性质均匀而且不 存在相界面的混合物。
例如：互溶溶液及混合气体
非均相混合物 物系内部有隔开两相的界面存在且 界面两侧的物料性质截然不同的混 合物。 固体颗粒和气体构成的含尘气体 例如 固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体
思考5：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数为多少？ <100% 粒径比dmin大的颗粒，被除去的百分数为多少？ 100%
d 2 s g ut 18 思考 2：为什么降尘室要做成扁平的？
L H u ut
能够满足 100%除去某粒度颗粒时的气体处理量--------生产能力
H ' 1.234 100% 48.13% H 2.564
4）水平隔板层数 由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度， 再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。 粒径为10μm的颗粒的沉降必在滞流区，
d s g 4000 0.5 9.807 6.41 103 m / s 1 10 ut 18 18 3.4 10 6
2．理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；
3. 粒径为40μm的颗粒的回收百分率；
4. 欲使粒径为10μm的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内设 置几层水平隔板？
解：1）降尘室的总高度H
273 t 273 427 VS V0 1 2.564m 3 / s 273 273
VS 2.564 H bu 2 0 .5
H t ut
L
d 2 s g ut 18
思考 4： 能够被 100%除去的最小颗粒， 必须满足什么条件？
t
d min
L H 即 u ut
u
气体
B
ut
H
18 Hu g s L
18 VS g s A底
颗粒在降尘室中的运动
ut ut d 1 2.1 D
'
3）颗粒形状的影响 S 球形度 s Sp
对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形 度φs值愈低。 对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代
替。
6 3 d e V p d e 3 VP 6
颗粒在降尘室中的动
多层降尘室 ★
n 层隔板的多层降 尘室生产能力：
Vs (n 1)blu t