化工原理 第三章

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：Fg mg
浮力： Fb

6
d3 ppg

6 d3 p g
m
p
g
1 2 曳力： Fd Ap u 2
实验测定： ~ Re p
对于球形颗粒
Rep＜2
2≤Rep＜500
( 1)
Stokes区 Allen区
24 Ret

10 Re
500≤Rep＜2×105 Newton 区
0.44
说明 (1) Re p 2, Fd u, 服从一次方定律
( 2) Re p , 边界层开始脱体，形体曳力增大
18
18 V ( p )g A
qV Aut
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。
讨论
d pc ①什么是“能100%除下的最小颗粒？”及
②降尘室有隔板与无隔板时的 无：V 之比 d pc
Autc
2 gd pc ( p )
有： 1 V Au'tc 2
沉降分离：重力沉降，离心沉降 某些物理、化学过程：固体干燥
固体流态化 催化反应
过
滤：
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
u
（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 （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 u t
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
(
p 3 2 即： ( )g ut 0 p 4d p p
ut
4 gd 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, u t
2 gd p ( p )
18
， (d p 较小)
1 3
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 分散物质（分散相）+分散介质（连续相） 气态非均相物系：含尘气体，含雾气体
(3) Re p 500 , 形体曳力 表面曳力, 0.44, Fd u 2 , 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
前提 : P
重力沉降
一、静止流体中颗粒的自由沉降
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
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。
(2)处于Allen区时, u t [
4g 2 ( p ) 2 225
] dp
(3)处于Newton区时, u t
3.03 gd 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 t沉降
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, u tc
2 gd pc ( p )
18
细颗粒d p 或两密度差( p ) , 而改变因工艺而异 u t
离心沉降 : rw 2 代替g , r , w rw 2 u t
相邻颗粒的运动改变了原来单个颗粒周 ① 干扰沉降： 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
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
L AH r 任一流体质点（颗粒）的停留时间（水平 ）： u 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：
H t ut
u tc
18
u tc 2 2 u ' tc d ' pc 1
d pc
2
降尘室应设计 成扁平形状， 或在室内设置 多层水平隔板。
d ' pc
1 2
d pc
是否是越多层越好？
③能降下60%的颗粒粒径
H 0 .6 H r u tc u 't
d'p ?
u 't 0. 6 u tc
方法：①
4 gd p ( p ) 3
d p ut
方程组非线性，须试差求解
)

首先假设处于Stock s 区, 再校验 Re p 2, 否则， 假设 0.44, 校验 Re p 500 , 否则，Allen 区
② 无因次判据：K
2. 影响的
u t 因素与应用
2 gd p ( p )
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
液态非均相物系：悬浮液
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
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。
1. 研究内容：流-固物系发生相对运动的规律 涉及流固物系发生相对运动的化工过程：
一、离心分离因数
rw 2 离心分离因数 : K c ,同一颗粒所受的离心力与重力之比 g
离心分离因数是表示离心力大小的指标
二、离心沉降速度
dr 离心沉降速度： u r d 4d p ( p ) 3 r 2
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
2
2 u T 加速度改为离心加速度 r 或 r 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
颗粒对流体的作用力
流体对颗粒的作用力
阻力
曳力
阻力损失（外部问题）
阻力大小（内部问题）
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, )
Leabharlann Baidu
1 2 研究表明： Fd Ap u 2 d p u 曳力系数 ( )
沉降方向不是向下，而是沿半径向外
小颗粒沉降时一般处于斯托克斯区，故
dr d
d p ( p )
2
18
r 2
三、旋风分离器
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
旋风分离器
旋风分离器.swf
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
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
若在Stock s 区, u t
18
p , u t
d p , u t , d p 影响最大， 尤其注意
, u t
, u t , 气 : T
液 : T
问题
气体先冷后除尘，还是相反？ 液体先冷后除尘，还是相反？
E、其它因素对沉降速度的影响

d'p d pc
0 .6
④ 温度对降尘室生产能力的影响
AH V r V G不变，T H u t t ut
除尘能力
3、过程计算
小颗粒：
qV Autc
2 gd pc ( p )
u tc
7个变量，自由度为5
18
设计型： 已知 : qV , p , 工艺要求d pc , 选择， ， 求A
的尾气处理。
旋风分离器结构和工作原理：
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。 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。
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，
除尘条件： 即： 临界条件：
r t
AH H qV ut
AH H 临界粒径d pc , 临界沉降速度utc qV ut
2 gd pc ( p )
小颗粒，Stocks 区, u tc
d pc
处理能力：
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
清洁气体 排气管
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
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
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；
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
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：
du Fg Fb Fd m 0 d
p du 3 ( )g u2 d p 4d p p
2. 沉降的等速阶段
u Fd ,
du du 某一时刻， 0, Fg Fb Fd 0, 此时u ut d d
(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