2009-12-1
第三章
非均相物系分离
一、沉降速度
1、球形颗粒的自由沉降
2、阻力系数
3、影响沉降速度的因素
4、沉降速度的计算
5、分级沉降
二、降尘室
1、降尘室的结构
2、降尘室的生产能力
第一节
重力沉降
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混合物
均相混合物
非均相混合物
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
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 。
例如
固 体颗粒和气体构成的含尘气体
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
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非均相物系
分散相
分散物质
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
连续相
分散相介质
包围着分散相物质且处于连续
状态的流体
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
分离 机械分离
沉降
过滤不同的物理性质
连续相与分散相
发生相对运动的方式
分散相和连续相
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一、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 。
作用力
重力
惯性离心力
重力 沉降
离心沉降
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,
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重力 gdF
sg ?
? 3
6?
浮力 gdF
b ?
? 3
6?
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,
2
2u
AF d ??? 2
4 dA
??对球形颗粒
24
2
2 udF
d
??? ????
maFFF dbg ???
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adudgdgd ss ????????? 3
2
233
62466 ??? (a)
颗粒开始沉降的瞬间, 速度 u=0,因此阻力 Fd=0,a→max
颗粒开始沉降后, u↑→Fd ↑; u→ut 时, a=0 。
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
02466
2
233 ??? t
s
udgdgd ???????
3 )(4 ?? ?? ?? st dgu ——沉降速度表达式
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2,阻力系数 ξ
通过因次分析法得知, ξ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)
tRe
24??
? ?
?
??
18
2 ?
? st du —— 斯托克斯公式
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6.0Re
5.18
t
??
? ?
?
?? 6.0Re2 6 9.0 tgdu s
t
?? —— 艾伦公式
c) 滞流区或牛顿定律区 ( Nuton) ( 103< Ret< 2× 105)
44.0??
? ?
?
?? gdu s
t
?? 74.1 —— 牛顿公式
b)过渡区或艾伦定律区 ( Allen) ( 1< Ret<103)
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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 。
?
?
??
?
??
?
D
d
uu t
t
1.21
'
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3) 颗粒形状的影响
p
s S
S??球形度
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 。
pe Vd ?
3
6
? 3 6
Pe Vd ???
颗粒的 球形度愈小, 对应于同一 Ret值的 阻力系数 ξ愈大
但 φs值对 ξ的影响在滞流区并不显著, 随着 Ret的增大, 这种
影响变大 。
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4,沉降速度的计算
1) 试差法
假设沉降属于层流区
方法,? ?
?
??
18
2 ?
? st du
ut ??dut ?Re Ret
Ret< 1ut为所求
Ret> 1艾伦公式求 ut判断……公式适用 为止
2) 摩擦数群法
? ?
??
??
3
4 ?? s
t
gdu由 得 ? ?2
3
4
t
s
u
dg
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??? ??
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2
222
2Re
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?tudt ?? ? ?
2
3
2
3
4Re
?
???? gd s
t
??
? ?
3 2
?
??? gdk s ??令 32
3
4Re kt ??
因 ξ是 Ret的已知函数, ξRet2必然也是 Ret的已知函数,
ξ~ Ret曲线便可转化成 ξRet2~ Ret曲线 。
计算 ut时, 先 由已知数据 算出 ξRet2的值, 再 由 ξRet2~ Ret
曲线 查得 Ret值, 最后由 Ret反算 ut 。
?
?
du
tt Re?
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计算在一定介质中 具有某一沉降速度 ut的颗粒的直径,
令 ξ与 Ret-1相乘,
221 3)(4Re tst ug ????? ???
ξRet-1~ Ret关系绘成曲线, 由 ξRet-1值查得 Ret的值,
再根据 沉降速度 ut值计算 d。
t
t
ud ?
? Re?
无因次数群 K也可以 判别流型
? ?
?
??
18
2 gd
u st ?? ? ?2
3
18Re ?
??? gd s
t
?? 3K?
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当 Ret=1时 K=2.62,此值即为 斯托克斯区的上限
牛顿定律区的下限 K值为 69.1
例,试计算直径为 95μm,密度为 3000kg/m3的固体颗粒分
别在 20℃ 的空气和水中的自由沉降速度 。
解,1) 在 20℃ 水中的沉降 。
用试差法计算
先假设颗粒在滞流区内沉降,
? ?
?
??
18
2 gd
u st ??
附录查得, 20℃ 时水的密度为 998.2kg/m3,μ=1.005× 10-3Pa.s
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? ? ? ?
3
26
100 0 5.118
81.92.9 9 83 0 0 01095
?
?
??
????
tu sm /10797.9 3???
核算流型
?
?t
t
du?Re
3
36
100 0 5.1
2.9 9 8107 9 7.91095
?
??
?
????? 9244.0? 1<
原假设滞流区正确, 求得的沉降速度有效 。
2) 20℃ 的空气中的沉降速度
用摩擦数群法计算
20℃ 空气,ρ=⒈ 205 kg/m3,μ=⒈ 81× 10-5 Pa.s
根据无因次数 K值判别颗粒沉降的流型
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? ?
3 2?
??? gdK s ?? ? ? ? ?
? ?3 25
6
1081.1
81.9205.13 0 0 0205.11095
?
?
?
????
52.4?
2.61< K<69.1,沉降在过渡区 。 用艾伦公式计算沉降速度 。
? ?
4.1
6.0
4.1
4.0
4.1
14.16.14.11
154.0
??
?? ?
? st
dg
u sm /619.0?
5,分级沉降
含有两种直径不同或密度不同的混合物, 也可用沉降方法
加以分离 。
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例,本题附图所示
为一双锥分级器, 利
用它可将密度不同或
尺寸不同的粒子混合
物分开 。 混合粒子由
上部加入, 水经可调
锥与外壁的环形间隙
向上流过 。 沉降速度大于水在环隙处上升流速的颗粒进
入底流, 而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出 。
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利用此双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离 。 已
知:
粒子形状 正方体
粒子尺寸 棱长为 0.08~0.7mm
方铅矿密度 ρs1=7500kg/m3
石英密度 ρs2=2650kg/m3
20℃ 水的密度和粘度 ρ=998.2kg/m3
μ=1.005× 10-3 Pa·s
假定粒子在上升水流中作自由沉降, 试求,1) 欲得纯方铅矿
粒, 水的上升流速至少应取多少 m/s? 2) 所得纯方铅矿粒的
尺寸范围 。
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解,1)水的上升流速
为了得到纯方铅矿粒, 应使全部石英粒子被溢流带出,
应按 最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速 。
对于正方体颗粒, 先算出其当量直径和球形度 。
设 l代表棱长, Vp代表一个颗粒的体积 。
3 6 pe Vd
?
? 3 36 l?? m433 106 8 5.8)107.0(6 ?? ???? ?
p
s S
S??
2
2
6l
de?? 80 6.0
)107.0(6
1068 5.8
23
4
??? ?? ?
?
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用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度
2
2
2
2
3
)(4Re
?
???? gd se
t
??
14000)10005.1(3 81.92.998)2.9982650()10685.8(4 23
34
?? ????? ?
?
φs=0.806,查图 3-3的, Ret=60,则:
?
?
e
t
t du
Re?
4
3
10685.82.998
10005.160
?
?
??
???
sm /0 6 9 6.0?
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2) 纯方铅矿的尺寸范围
所得到的纯方铅矿粒 尺寸最小的沉降速度应等于 0.0696m/s
用摩擦数群法计算该粒子的当量直径 。
32
11
3
)(4Re
t
s
t u
g
?
???? ???
2 5 44.0
)0 6 96.0(2.9983
81.9)2.9987 5 00(10005.14
32
3
?
??
????? ?
φs=0.806,查图 3-3的, Ret=22,则:
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t
t
e ud ?
?Re?
0 69 6.02.9 98
100 05.122 3
?
??? ? m4101 8 2.3 ???
与此当量直径相对应的正方体的棱长为:
3
6
?
edl ??
3
4
6
10182.3
?
??
? m4105 6 5.2 ???
所得方铅矿的棱长范围为 0.2565~0.7mm。
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二、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
作沉降运动
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颗粒在降尘室的停留时间 ul??
颗粒沉降到室底所需的时间
tt uH??
t?? ?
为了满足除尘要求
tu
H
u
l ? ——降尘室使颗粒沉降的条件
Hb
Vu s??
ss V
lH b
Hb
V
l
??? ?
ts u
H
V
lH b ??
ts bluV ? ——降尘室的生产能力
降尘室的生产能力只与降尘室的 沉降面积 bl和颗粒的沉降
速度 ut有关, 而 与降尘室的高度无关 。
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3,降尘室的计算
降尘室的计算
设计型
操作型
已知气体处理量和除尘要求, 求
降尘室的大小
用已知尺寸的降尘室处理一定量
含尘气体时, 计算 可以完全除掉
的最小颗粒的尺寸, 或者计算要
求 完全除去直径 dp的尘粒时所能处
理的气体流量 。
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例,拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒 。 降尘室
的宽和长分别为 2m和 6m,气体处理量为 1标 m3/s,炉气温度为
427℃, 相应的密度 ρ=0.5kg/m3,粘度 μ=3.4× 10-5Pa.s,固体
密度 ρS=400kg/m3操作条件下, 规定气体速度不大于 0.5m/s,
试求:
1,降尘室的总高度 H,m;
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?
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解,1) 降尘室的总高度 H
smtVV S /564.2273 4272731273273 30 ??????
bu
VH S?
5.02
564.2
?? m564.2?
2) 理论上能完全出去的最小颗粒尺寸
bl
Vu s
t ? sm /2 14.062
5 64.2 ?
??
用试差法由 ut求 dmin。
假设沉降在斯托克斯区
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? ?g
ud
s
t
??
?
?
? 18m in ? ?
8 0 7.95.04 0 0 0
2 1 4.0104.318 5
??
???? ? m51078.5 ???
核算沉降流型
1182.0
1014.3
5.0214.01078.5Re
5
5
??
?
?????
?
?
?
?t
t
du
∴ 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
? ? ? ? ? ? smgdu s
t /103.0104.318
807.95.040001040
18 5
262
?
??
???????
?
?
?
??
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气体通过降沉室的时间为,s
u
H
t
1221 4.0 56 4.2 ????
直径为 40μm的颗粒在 12s内的沉降高度为:
muH t 2 3 4.1121 0 3.0' ????? ?
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:
%13.48%1 0 05 6 4.2 2 3 4.1
'
???HH
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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,
? ? ? ? ? ? smgdu s
t /1041.6104.318
807.95.04000101
18
3
6
252
?
?
?
???? ?????? ? ??
1??
t
S
bl u
Vn 1
104.662
5 6 4.2
3 ????? ?3.32?
取 33层
板间距为
1?? n
Hh m0 75 4.0
133
5 64.2 ?
??