化工原理 第三章教材
合集下载
化工原理第三章 第三节
第三章 沉降与过滤
第三节 离心沉降
一、离心沉降速度
二、旋风分离器操作原理
三、旋风分离器的性能
四、旋风分离器的结构型
式与选用
2012-12-22
离心沉降： 依靠惯性离心力的作用使流体中的颗粒产生
沉降运动。
适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。 惯性离心力场与重力场的区别 重力场 力场强度 方向 作用力 重力加速度g 指向地心 Fg=mg 离心力场 ut2/R 沿旋转半径从中心指向外周
2012-12-22
图3－10 旋液分离器示意图
2012-12-22
旋液分离器的结构特点是直径小而圆锥部 分长，其进料速度约为2~10m/s,可分离的粒径 约为5~200μ m 。若料浆中含有不同密度或不 同粒度的颗粒,可令大直径或大密度的颗粒从底 流送出,通过调节底流量与溢流量比例，控制两 流股中颗粒大小的差别，这种操作成为分级。 用于分级的旋液分离器成为水力分粒器。
阻力系数为
24 Re
2
dr d p p 2 r d 18
（3－21）
2012-12-22
三、旋风分离器
旋风分离器的构造和操作原理
主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，中 央有一升气管。含尘气体从侧面的矩形进气管 切向进入器内，然后在圆筒内作自上而下的圆 周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁， 沿器壁落下，自锥底排出。由于操作时旋风分 离器底部处于密封状态，所以，被净化的气体 到达底部后折向上，沿中心轴旋转着从顶部的 中央排气管排出。
气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁
所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力以及气体旋转
所产生的动能损失造成了气体的压强降，
第三节 离心沉降
一、离心沉降速度
二、旋风分离器操作原理
三、旋风分离器的性能
四、旋风分离器的结构型
式与选用
2012-12-22
离心沉降： 依靠惯性离心力的作用使流体中的颗粒产生
沉降运动。
适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。 惯性离心力场与重力场的区别 重力场 力场强度 方向 作用力 重力加速度g 指向地心 Fg=mg 离心力场 ut2/R 沿旋转半径从中心指向外周
2012-12-22
图3－10 旋液分离器示意图
2012-12-22
旋液分离器的结构特点是直径小而圆锥部 分长，其进料速度约为2~10m/s,可分离的粒径 约为5~200μ m 。若料浆中含有不同密度或不 同粒度的颗粒,可令大直径或大密度的颗粒从底 流送出,通过调节底流量与溢流量比例，控制两 流股中颗粒大小的差别，这种操作成为分级。 用于分级的旋液分离器成为水力分粒器。
阻力系数为
24 Re
2
dr d p p 2 r d 18
（3－21）
2012-12-22
三、旋风分离器
旋风分离器的构造和操作原理
主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，中 央有一升气管。含尘气体从侧面的矩形进气管 切向进入器内，然后在圆筒内作自上而下的圆 周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁， 沿器壁落下，自锥底排出。由于操作时旋风分 离器底部处于密封状态，所以，被净化的气体 到达底部后折向上，沿中心轴旋转着从顶部的 中央排气管排出。
气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁
所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力以及气体旋转
所产生的动能损失造成了气体的压强降，
化工原理第三章
（3）环境保护与安全生产。例如,对排放的废气、废液中的 有害固体物质分离处理，使其达到规定的排放标准等。
第三章 非均相物系的分离
由于非均相混合物的连续相和分散相存在着较 大物理性质（如密度、黏度等）的差异，故可采用 机械方法实现两相的分离，其方法是使分散相和连 续相产生相对运动。常用的非均相混合物的分离方 法有沉降、过滤、湿法除尘和静电分离等，本章重 点介绍沉降和过滤的操作原理及设备。
从图中可以看出，对球形颗粒（ϕs＝1），曲线按 Re值大致分为三个区域，各区域内的曲线可分别用相应 的关系式表达如下：
层流区或斯托克斯区（10-4< Re<1）
第一节 沉 降 分 离
3. 颗粒沉降速度的计算
将式(3-8)、式（3-9）及式（3-10）分别代入式（3-5），并 整理可得到球形颗粒在相应各区的沉降速度公式，即
化工原理
第三章 非均相物系的分离
沉降分离 过滤 离心机
第三章 非均相物系的分离
知识目标
掌握沉降分离和过滤设备（包括沉降室、旋风分离器、过滤机） 的设计或选型。理解沉降分离和过滤的原理、过程的计算、影响沉 降分离的因素及恒压过滤过程的计算。熟悉典型过滤设备的特点与 生产能力的计算以及提高过滤设备生产能力的途径及措施。了解其 他分离设备的结构与选型。
图3-1 沉淀粒子的受力情况
第一节 沉 降 分 离
第一节 沉 降 分 离
静止流体中颗粒的沉降速度一般经历加速和恒速两个阶段。 颗粒开始沉降的瞬间，初速度u为零，使得阻力为零，因此加速 度a为最大值；颗粒开始沉降后，阻力随速度u的增加而加大，加 速度a则相应减小，当速度达到某一值ut时，阻力、浮力与重力 平衡，颗粒所受合力为零，使加速度为零，此后颗粒的速度不再 变化，开始做速度为ut的匀速沉降运动。
第三章 非均相物系的分离
由于非均相混合物的连续相和分散相存在着较 大物理性质（如密度、黏度等）的差异，故可采用 机械方法实现两相的分离，其方法是使分散相和连 续相产生相对运动。常用的非均相混合物的分离方 法有沉降、过滤、湿法除尘和静电分离等，本章重 点介绍沉降和过滤的操作原理及设备。
从图中可以看出，对球形颗粒（ϕs＝1），曲线按 Re值大致分为三个区域，各区域内的曲线可分别用相应 的关系式表达如下：
层流区或斯托克斯区（10-4< Re<1）
第一节 沉 降 分 离
3. 颗粒沉降速度的计算
将式(3-8)、式（3-9）及式（3-10）分别代入式（3-5），并 整理可得到球形颗粒在相应各区的沉降速度公式，即
化工原理
第三章 非均相物系的分离
沉降分离 过滤 离心机
第三章 非均相物系的分离
知识目标
掌握沉降分离和过滤设备（包括沉降室、旋风分离器、过滤机） 的设计或选型。理解沉降分离和过滤的原理、过程的计算、影响沉 降分离的因素及恒压过滤过程的计算。熟悉典型过滤设备的特点与 生产能力的计算以及提高过滤设备生产能力的途径及措施。了解其 他分离设备的结构与选型。
图3-1 沉淀粒子的受力情况
第一节 沉 降 分 离
第一节 沉 降 分 离
静止流体中颗粒的沉降速度一般经历加速和恒速两个阶段。 颗粒开始沉降的瞬间，初速度u为零，使得阻力为零，因此加速 度a为最大值；颗粒开始沉降后，阻力随速度u的增加而加大，加 速度a则相应减小，当速度达到某一值ut时，阻力、浮力与重力 平衡，颗粒所受合力为零，使加速度为零，此后颗粒的速度不再 变化，开始做速度为ut的匀速沉降运动。
化工原理(第四版)第三章 沉降与过滤
ut
4d p ( p )g 3
2020/9/15
4
（二）流体中颗粒运动的阻力(曳力)
Fd
Ap
u2
2
4
d p2
u2
2
——阻力系数（曳力系数）
f (Re)
Re d p ut
、——流体特性
dp、ut——颗粒特性
2020/9/15
5
2020/9/15
6
2020/9/15
——球形 圆盘形
2020/9/15
16
（二）沉降槽（增稠器） 1. 悬浮液的沉聚过程
2020/9/15
17
2. 沉降槽（增稠器）
2020/9/15
18
第三节 离心沉降
一、离心沉降速度 （一）沉降过程
合
切向速度 u 径向速度 ur 合成u合
2020/9/15
19
离心力：FC
m
u2 r
6
d
3 p
p
u2 r
径向向外
2020/9/15
28
第四节 过 滤
一、悬浮液的过滤
滤浆 滤饼 过滤介质
滤液
推动力：压力差，离心力，重力 阻 力：滤饼、过滤介质阻力
2020/9/15
29
（一）两种过滤方式 1. 滤饼过滤
2020/9/15
30
2. 深层过滤
2020/9/15
31
（二）过滤介质
类别： • 织物介质 • 多孔性固体介质 • 堆积介质 • 多孔膜：高聚物膜、无机膜
t
H ut
W
分离条件： t
即
LH
u ut
或
L u H ut
第三章沉降与过滤(化工原理王志魁版)
互不碰撞、互不影响。
浮力Fb
阻力Fd
p , 颗粒下沉
p
2020/8/3
重力Fg
2
重力：Fg
mg
6
d p3pg
浮 力 ：Fb
6
d p3 g
阻力：Fd
Ap
u2
2
4
d p2
u2
2
Fg Fb Fd ma
6
dp3pg
6
d
3 p
g
4
d p2
u2
2
6
d
3 p
pa
2020/8/3
3
重力沉降速度: 颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对 于流体的运动速度。
缺点： 清灰难； 隔板间距小，
颗粒易被扬起。
15
3. 临界颗粒直径
临界颗粒直径dpC——降尘室理论上能100%除去的 最小颗粒直径。
层流
ut
d
2 pc
(
p
18
)g
ut
H L
u
qV WL
d pc
18 ( p )g ut
18 qV ( p )g WL
2020/8/3
16
（二）沉降槽（增稠器） 1. 悬浮液的沉聚过程
b ui
rm——平均旋转半径
2020/8/3
23
沉降速度：
ur
dp2(p 18
)
ui2 rm
沉降时间：r
b ur
18brm d p2 ( p )ui2
停留时间： 2 rm n n——旋转圈数
ui
沉降分离条件： r
2020/8/3
24
b 临界颗粒直径：d pc 3 nui ( p )
化工原理_第三版_陈敏恒_课件_华东理工内部第03章
3.2 混合机理 3.2.1 搅拌器的两个功能 （1）总体流动 将流体输送到搅拌釜内各处 大尺度宏观混合。
（2）强剪切或高度湍动 产生剪切力场或旋涡 小尺度宏观混合，促进微观混合。 注意：流体不是靠桨叶直接打碎的，而是靠高剪 切力场撕碎的。
射流现象
作用 ①夹带 ②剪切, 脉动
3.2.2 均相液体的混合机理 （1）低黏度液体的混合 总体流动+高度湍动 最小液团尺寸为10μm量级 （2）高黏度及非牛顿流体的混合 多处于层流状态——混合机理主要依赖于 充分的总体流动。 3.2.3 非均相物系的混合机理 （1）液滴或气泡的分散
(3) 偏心安装 ——破坏循环回路 的对称性 (录像)
(4) 装导流筒——避免短路及死区
3.4 搅拌功率 3.4.1 混合效果与功率消耗 功率消耗 P =ρgHqV 增加功率——改善混合效果 能量合理有效利用——与桨形、尺寸选择有关 大尺度：qv大；小尺度：H大；→P大 对搅拌器,要求能消耗更多的功率（如设置挡 板）,以获得较好的搅拌效果。（与泵不同） 搅拌器设计：不是设法提高效率η，而是设法增 加功率P。尽管如此，搅拌装置仍存在能量的有 效利用。 如需要快速分布，要有大流量； 如需要高破碎度，要有高湍动。
（3）气泡尺度的分布 原理基本相同，但气液界面张力比液液界面 张力为大，气液密度差大，大气泡易浮升到液 面，因此分散更加困难。
（3）搅拌器的性能 3.3.1 常用搅拌器的性能 （1） 旋桨式搅拌器(录像) qV大，H小，轴向流出 叶片端速度5~15m/s 适于低黏度液体 μ<10Pa· s （2） 涡轮式搅拌器(录像) qV小，H大，径向流出 叶片端速度3~8m/s 适于中等黏度液体 μ<50Pa· s
1
3.4.3 搅拌功率的分配
化工原理第三章1沉降
实验装置与步骤
• 实验装置：沉降实验装置主要包括实验管、测量段、流量计、 压力计、搅拌器和数据采集系统等部分。实验管采用透明材料 制成，以便观察颗粒的沉降行为。测量段用于放置光学检测器 或摄像头，以便记录颗粒的沉降过程。流量计用于测量流体的 流量，压力计用于测量流体的压力，搅拌器用于保证流体的均 匀性。数据采集系统用于实时采集实验数据。
沉降的原理
由于颗粒或液滴受到重力 作用，它们会向气体的下 游方向移动，最终在某一 位置沉积下来。
沉降的分类
重力沉降、离心沉降和惯 性沉降。
重力沉降速度的计算
斯托克斯定律
颗粒在静止流体中的沉降速度与颗粒直径的平方成正 比，与流体粘度成反比。
修正的斯托克斯定律
考虑到颗粒形状、密度和流体粘度的影响，对斯托克 斯定律进行修正。
颗粒的密度
颗粒的密度是指颗粒的质量与其体积的比值。密度大的颗粒在流体中更容易下沉 ，而密度小的颗粒则更容易漂浮。
在化工生产中，密度差异是实现固液分离的重要依据之一。
颗粒的粒径和粒径分布
颗粒的粒径是指其直径或宽度，而粒 径分则是指颗粒群中不同粒径颗粒 的分布情况。
粒径和粒径分布对颗粒的沉降速度和 沉降效果有显著影响。在化工生产中， 控制颗粒的粒径和粒径分布对于提高 产品质量和生产效率具有重要意义。
数据分析
对处理后的数据进行统计分析，包括描述性统计、相 关性分析和回归分析等步骤。描述性统计主要是计算 平均值、中位数、标准差等统计量，相关性分析主要 是分析各因素之间的相关性，回归分析主要是建立数 学模型预测沉降速度。通过数据分析可以得出颗粒的 粒径、密度、流体粘度等因素对沉降速度的影响程度 和规律，为实际工业应用提供理论依据。
颗粒的流体阻力特性
化工原理第三章(概述、重力沉降)
2013-7-14
附录查得，水在20℃时 ρ＝998.2kg/m3，μ=1.005×10-3Pa.s
ut
95 10 3000 998.2 9.81 9.797 10
6 2
－3
18 1.005 10
3
(m / s )
核算流型：
Re d p ut
95 10 6 9.797 10 3 998.2 0.9244 2 3 1.005 10
3 d P g
2 d P u 2
4
2
0
由此可解出沉降速度：
ut
4 gd P P 3
——沉降速度基本计算式
2013-7-14
（1）颗粒从静止开始作沉降运动时，分为加速和匀 速两个阶段； （2）对于小颗粒，加速阶段时间很短，通常忽略， 可以认为沉降过程是匀速的。 （3）颗粒便作匀速运动时的速度 称为沉降速度。
和连续介质分别是什么？
2013-7-14
四、非均相物系的分离方法
一般可用机械方法加以分离，故又称机械分离。
常用的机械分离方法有：
（1）沉降分离法；
（2）过滤分离法；
（3）液体洗涤（湿法）分离法；
（4）静电除尘法；
（5）惯性力除尘法。
【说明】需根据分离对象确定分离方法。
2013-7-14
五、非均相物系分离的作用
去转化器
电除尘器
泡沫塔
二氧化硫除尘净化工艺流程简图
2013-7-14
水处理工艺流程图
2013-7-14
污水处理工艺流程图
2013-7-14
六、颗粒与流体相对运动时所受到的阻力
1、三种相对运动形式
附录查得，水在20℃时 ρ＝998.2kg/m3，μ=1.005×10-3Pa.s
ut
95 10 3000 998.2 9.81 9.797 10
6 2
－3
18 1.005 10
3
(m / s )
核算流型：
Re d p ut
95 10 6 9.797 10 3 998.2 0.9244 2 3 1.005 10
3 d P g
2 d P u 2
4
2
0
由此可解出沉降速度：
ut
4 gd P P 3
——沉降速度基本计算式
2013-7-14
（1）颗粒从静止开始作沉降运动时，分为加速和匀 速两个阶段； （2）对于小颗粒，加速阶段时间很短，通常忽略， 可以认为沉降过程是匀速的。 （3）颗粒便作匀速运动时的速度 称为沉降速度。
和连续介质分别是什么？
2013-7-14
四、非均相物系的分离方法
一般可用机械方法加以分离，故又称机械分离。
常用的机械分离方法有：
（1）沉降分离法；
（2）过滤分离法；
（3）液体洗涤（湿法）分离法；
（4）静电除尘法；
（5）惯性力除尘法。
【说明】需根据分离对象确定分离方法。
2013-7-14
五、非均相物系分离的作用
去转化器
电除尘器
泡沫塔
二氧化硫除尘净化工艺流程简图
2013-7-14
水处理工艺流程图
2013-7-14
污水处理工艺流程图
2013-7-14
六、颗粒与流体相对运动时所受到的阻力
1、三种相对运动形式
化工原理第三章_2012 - 打印版
一、非稳流的应用举例 例3-2见P122 【例 3-2】如附图所示，水由位于水箱底部、孔径 d 为 30mm 的泄 水孔排出。若水箱内水面上方保持 20mmHg 真空度，水箱直径 D 为1.0m，盛水深度1.5m，试求 p (1)能自动排出的水量及排水所需时间； (2)如在泄水孔处安装一内径与孔径相同的0.5m D 长的导水管（虚线所示），水箱能否自动排空 1.5m H 及排水所需时间（流动阻力可忽略不计。）
z1
1
A11
流体输送系统示意图 SCU.CE MPFL 2012/9/2
gH
u v 30000 2 11.792u 2 d 0.0532 1000 4 A12 4
9.53 / 3600
H 4.78(m)
SCU.CE MPFL 2012/9/2
•2
•2012/9/2
(2)
R?
1 2m
R( 0 ) g ( p2 gz2 ) ( p1 gz1 )
R (13600 1000) 9.81
得
R
1
Hg
水
1
P=10000Pa(表) d=0.027m
5m
假定R读数在U形管的右侧
( p1 16000 0 g ) ( p1 2 1000 9.81)
真
解：（1）设t 时刻水箱内水深度为H，孔口水 流速度为 u0 ，以孔口面为基准面，在水面 1-1 与孔口截面2-2间列柏努利方程，有:
2 u2 u p u gz11 11 gz2 2 2 gz 2 2
d
p11 p
p2=pa;p1=pa-p真
pa
A5
SCU.CE MPFL 2012/9/2
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）
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
A、受力分析
重力：Fg
mg
6
d
3 p
p
g
浮力：
Fb
m
p
g
6
d
3 p
g
曳力： Fd
Ap
1 u2
2
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：
Fg
Fb
Fd
m du
d
0
du
(p
)g
3
u2
d
p
4d p p
2. 沉降的等速阶段
u Fd
, du
d
某一时刻，du d
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
第三节 离心沉降
问题：为什么要进行离心沉降？
答：
小颗粒，Stocks 区, utc
除尘条件： r
t
即： AH H qV ut
临界条件： AH H qV ut
临界粒径 d pc ,临界沉降速度 utc
小颗粒，Stocks 区, utc
gd
2 pc
(
p
)
18
d pc
处理能力： qV Aut
18 V (p )g A
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。
Chongqing Technology and Business University
3 沉降与过滤
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。
讲解内容
➢ 概述 ➢ 颗粒的沉降运动 ➢ 沉降分离设备 ➢ 过滤原理及设备
第一节 概述
一、混合物的分类
均相混合物：物系内部各处物料性质均匀，且不存在相界面 非均相混合物：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
沉降分离：重力沉降，离心沉降
某些物理、化学过程：固体干燥
过 滤：
催化反应
固体流态化
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 颗粒对流体的作用力 流体对颗粒的作用力
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。
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。
Ut：可根据不同的情况，用公式求解。
2.过程数学描述
降尘室 : 底面积A LB,高H
含尘气 : 在流动截面上均匀分布 ,Vm3 / s
任一流体质点（颗粒）的停留时间（水平
）： r
L u
AH qV
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：
t
H ut
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，
(3) Re p 500,形体曳力 表面曳力, 0.44, Fd u2 ,服从平方定律
注意 计算阻力时 Ap应取颗粒的最大投影面 积.
第二节 重力沉降
一、静止流体中颗粒的自由沉降
前提 : P 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。
（3）流体以一定的速度向上运动
u ut ,颗粒向上运动 颗粒绝对速度 u p u ut u ut , 颗粒向下运动
u ut ,颗粒静止 ， 悬浮于流体中
D、沉降速度的计算与应用
1.计算
ut
4gd p ( p ) 3
方程组非线性，须试差求解
(d put )
方法：① 首先假设处于Stocks区,再校验Re p 2,否则， 假设 0.44,校验Re p 500,否则，Allen 区
)
2
1
]3
d
p
(3)处于Newton区时,ut
3.03gd p ( p
) ,与无关;(d
p 较大)
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 u t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u t 速度沉降
讨论
①什么是“能100%除下的最小颗粒？”及d pc
②降尘室有隔板与无隔板时的
d
之比
pc
无：V Autc
有： 1 V 2Au'tc来自tcgd2 pc
(
p
)
18
utc d pc 2 2 u'tc d ' pc 2 1
d ' pc
1 2 d pc
降尘室应设计 成扁平形状， 或在室内设置 多层水平隔板。
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/ D <0.1、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 ( P )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
A、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
气流速度和颗粒速度的关系
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。
gd
2 pc
(
p
)
18
细颗粒d p 或两密度差( p ) ,而改变因工艺而异 ut
离心沉降 : rw2代替g, r , w rw2 ut
一、离心分离因数
离心分离因数
:
Kc
rw 2 g
,同一颗粒所受的离心力
与重力之比
离心分离因数是表示离心力大小的指标
二、离心沉降速度
离心沉降速度：
ur
dr
)
18
7个变量，自由度为5
设计型：已知 : qV , p ,工艺要求 d pc , 选择， ， 求A
操作型：(1)已知 : A, p , ， ，d pc , 求处理能力 qV
(2)已知 : A, p , ， ，q V , 求d pc (3)由一种工况推算另一种 工况
例 5-3 降尘室空气处理能力的计算
0, Fg
Fb
Fd
0,此时u
ut
即：
(p p
)g
3 4d p p
ut 2
0
ut
4gd p ( p ) 3
ut 称为沉降速度或终端速 度
将的不同计算式代入即可 计算
(1)处于Stock s区时, ut
gd
2 p
( p 18
)
，(d
p
较小)
(2)处于Allen区时, ut
[
4
g
2( p 225
旋风分离器
B
含尘气体
清洁气体 排气管
B
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
排尘
3. 性能指标
（1）临界粒径
名称 阻力 曳力
感兴趣 阻力损失（外部问题） 阻力大小（内部问题）
区别 作用力的效果 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
析因分析 : Fd f (d p , ,u, )
研究表明：Fd
Ap
1 2
u 2
曳力系数 ( d pu )
是否是越多层越好？
(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）
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
A、受力分析
重力：Fg
mg
6
d
3 p
p
g
浮力：
Fb
m
p
g
6
d
3 p
g
曳力： Fd
Ap
1 u2
2
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：
Fg
Fb
Fd
m du
d
0
du
(p
)g
3
u2
d
p
4d p p
2. 沉降的等速阶段
u Fd
, du
d
某一时刻，du d
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
第三节 离心沉降
问题：为什么要进行离心沉降？
答：
小颗粒，Stocks 区, utc
除尘条件： r
t
即： AH H qV ut
临界条件： AH H qV ut
临界粒径 d pc ,临界沉降速度 utc
小颗粒，Stocks 区, utc
gd
2 pc
(
p
)
18
d pc
处理能力： qV Aut
18 V (p )g A
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。
Chongqing Technology and Business University
3 沉降与过滤
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。
讲解内容
➢ 概述 ➢ 颗粒的沉降运动 ➢ 沉降分离设备 ➢ 过滤原理及设备
第一节 概述
一、混合物的分类
均相混合物：物系内部各处物料性质均匀，且不存在相界面 非均相混合物：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
沉降分离：重力沉降，离心沉降
某些物理、化学过程：固体干燥
过 滤：
催化反应
固体流态化
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 颗粒对流体的作用力 流体对颗粒的作用力
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。
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。
Ut：可根据不同的情况，用公式求解。
2.过程数学描述
降尘室 : 底面积A LB,高H
含尘气 : 在流动截面上均匀分布 ,Vm3 / s
任一流体质点（颗粒）的停留时间（水平
）： r
L u
AH qV
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：
t
H ut
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，
(3) Re p 500,形体曳力 表面曳力, 0.44, Fd u2 ,服从平方定律
注意 计算阻力时 Ap应取颗粒的最大投影面 积.
第二节 重力沉降
一、静止流体中颗粒的自由沉降
前提 : P 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。
（3）流体以一定的速度向上运动
u ut ,颗粒向上运动 颗粒绝对速度 u p u ut u ut , 颗粒向下运动
u ut ,颗粒静止 ， 悬浮于流体中
D、沉降速度的计算与应用
1.计算
ut
4gd p ( p ) 3
方程组非线性，须试差求解
(d put )
方法：① 首先假设处于Stocks区,再校验Re p 2,否则， 假设 0.44,校验Re p 500,否则，Allen 区
)
2
1
]3
d
p
(3)处于Newton区时,ut
3.03gd p ( p
) ,与无关;(d
p 较大)
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 u t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u t 速度沉降
讨论
①什么是“能100%除下的最小颗粒？”及d pc
②降尘室有隔板与无隔板时的
d
之比
pc
无：V Autc
有： 1 V 2Au'tc来自tcgd2 pc
(
p
)
18
utc d pc 2 2 u'tc d ' pc 2 1
d ' pc
1 2 d pc
降尘室应设计 成扁平形状， 或在室内设置 多层水平隔板。
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/ D <0.1、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 ( P )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
A、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
气流速度和颗粒速度的关系
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。
gd
2 pc
(
p
)
18
细颗粒d p 或两密度差( p ) ,而改变因工艺而异 ut
离心沉降 : rw2代替g, r , w rw2 ut
一、离心分离因数
离心分离因数
:
Kc
rw 2 g
,同一颗粒所受的离心力
与重力之比
离心分离因数是表示离心力大小的指标
二、离心沉降速度
离心沉降速度：
ur
dr
)
18
7个变量，自由度为5
设计型：已知 : qV , p ,工艺要求 d pc , 选择， ， 求A
操作型：(1)已知 : A, p , ， ，d pc , 求处理能力 qV
(2)已知 : A, p , ， ，q V , 求d pc (3)由一种工况推算另一种 工况
例 5-3 降尘室空气处理能力的计算
0, Fg
Fb
Fd
0,此时u
ut
即：
(p p
)g
3 4d p p
ut 2
0
ut
4gd p ( p ) 3
ut 称为沉降速度或终端速 度
将的不同计算式代入即可 计算
(1)处于Stock s区时, ut
gd
2 p
( p 18
)
，(d
p
较小)
(2)处于Allen区时, ut
[
4
g
2( p 225
旋风分离器
B
含尘气体
清洁气体 排气管
B
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
排尘
3. 性能指标
（1）临界粒径
名称 阻力 曳力
感兴趣 阻力损失（外部问题） 阻力大小（内部问题）
区别 作用力的效果 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
析因分析 : Fd f (d p , ,u, )
研究表明：Fd
Ap
1 2
u 2
曳力系数 ( d pu )
是否是越多层越好？