高等教育机械分离和固体流态化.pptx

第三章第三章非均相物系的分离和固体流态化非均相物系的分离和固体流态化化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求；原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求；原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求；原料需经过分离提纯或净化后才符合加工要求；从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副从反应器送出的反应产物一般都与尚未反应的原料及副产物混在一起，也要从其中分离出纯度合格的产品及将未产物混在一起，也要从其中分离出纯度合格的产品及将未产物混在一起，也要从其中分离出纯度合格的产品及将未产物混在一起，也要从其中分离出纯度合格的产品及将未反应的原料送回反应器或另行处理。反应的原料送回反应器或另行处理。反应的原料送回反应器或另行处理。反应的原料送回反应器或另行处理。生产中的废气、废液在排放前，应将其中所含的有害物生产中的废气、废液在排放前，应将其中所含的有害物生产中的废气、废液在排放前，应将其中所含的有害物生产中的废气、废液在排放前，应将其中所含的有害物尽量除去，以减轻环境污染，并有可能将其变为有用之物尽量除去，以减轻环境污染，并有可能将其变为有用之物尽量除去，以减轻环境污染，并有可能将其变为有用之物尽量除去，以减轻环境污染，并有可能将其变为有用之物混合物混合物分为两类，即分为两类，即均相混合物均相混合物（物系内部各处均匀且（物系内部各处均匀且无相界面，如：石油、空气）和无相界面，如：石油、空气）和非均相混合物非均相混合物。3.1概述概述3.1 3.1 概述概述物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物物系中存在相界面的混合物就是非均相混合物 非均相混合物非均相混合物分分散散相相或或分分散散物物质质：处处于于分分散散状状态态的的物物质质（如如分分散散在在流流体体中中的的固固体颗粒、液滴、气泡等）体颗粒、液滴、气泡等）连连续续相相或或分分散散介介质质：包包围围着着分分散散相相而而处处于于连连续续状状态态的的物物质质（如如气气态态非非均均相相混混合合物物中中的的气气体体、液液态态非均相混合物中的液体）。非均相混合物中的液体）。非均相混合物非均相混合物非均相混合物非均相混合物包括：包括：包括：包括：固体颗粒的混合物固体颗粒的混合物固体颗粒的混合物固体颗粒的混合物（颗粒间为气（颗粒间为气（颗粒间为气（颗粒间为气体分隔）、由固体颗粒与液体构成的体分隔）、由固体颗粒与液体构成的体分隔）、由固体颗粒与液体构成的体分隔）、由固体颗粒与液体构成的悬浮液悬浮液悬浮液悬浮液、由不互、由不互、由不互、由不互溶液体构成的溶液体构成的溶液体构成的溶液体构成的乳浊液乳浊液乳浊液乳浊液、由固体颗粒（或液滴）与气体、由固体颗粒（或液滴）与气体、由固体颗粒（或液滴）与气体、由固体颗粒（或液滴）与气体构成的构成的构成的构成的含尘气体（或含雾气体）含尘气体（或含雾气体）含尘气体（或含雾气体）含尘气体（或含雾气体）等。等。等。等。悬浮液（固悬浮液（固-液混合物）液混合物）:过滤过滤乳浊液（液乳浊液（液-液混合物）液混合物）:离心分离离心分离含尘气体、含雾气体（气含尘气体、含雾气体（气-液、固液、固-气混合物）气混合物）:沉降沉降(重力、离心力重力、离心力)固、固分离固、固分离:筛分、分级沉降筛分、分级沉降2.非均相混合物的分离方法非均相混合物的分离方法3.非均相分离的目的：非均相分离的目的：收集分散物质；收集分散物质；净化分散介质；净化分散介质；环境保护与安全生产。环境保护与安全生产。4.非均相分离的基本方法：非均相分离的基本方法：机械分离机械分离筛分、沉降、过滤、离心筛分、沉降、过滤、离心电磁法电磁法磁选、静电、（除尘）、电磁化磁选、静电、（除尘）、电磁化物理化学法物理化学法浮选、吸咐浮选、吸咐3.2颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性3.2.1颗粒的特性：颗粒的特性：表示颗粒大小的几何参数：大小（尺寸）、形状、表面积表示颗粒大小的几何参数：大小（尺寸）、形状、表面积（或比表面积）。（或比表面积）。1.单个颗粒的性质单个颗粒的性质1）球形颗粒（）球形颗粒（形状规则的颗粒形状规则的颗粒,尺寸由直径尺寸由直径d确定。确定。）比表面积比表面积:体积体积:表面积表面积:2.2.非球形颗粒：非球形颗粒：用当量直径和形状系数表示其特性用当量直径和形状系数表示其特性（1 1）球形度）球形度 （3 35 5）颗粒的表颗粒的表面积面积与该颗粒体与该颗粒体积相等的球积相等的球体的表面积体的表面积非球形颗粒非球形颗粒 球形颗粒球形颗粒 一、颗粒的特性一、颗粒的特性 (2)(2)颗粒的当量直径：颗粒的当量直径：体积当量直径体积当量直径d deVeV，即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径为非，即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径为非球形颗粒的等体积当量直径。球形颗粒的等体积当量直径。表面积当量直径表面积当量直径des，即将表面积等于颗粒表面积的球形颗粒的，即将表面积等于颗粒表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等表面积当量直径。直径定义为非球形颗粒的等表面积当量直径。比表面积当量直径比表面积当量直径dea，即将比表面积等于颗粒比表面积的球形，即将比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径。颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径。1)颗粒的大小（粒度）颗粒的大小（粒度）粒度尺寸的表示：粒度尺寸的表示：粗颗粒：粗颗粒：mm细颗粒：筛孔号表示细颗粒：筛孔号表示超细颗粒：超细颗粒：m2、颗粒群的特性、颗粒群的特性常用筛分的方法测得粒度分布，再求其相应的平均特性常用筛分的方法测得粒度分布，再求其相应的平均特性参数参数颗粒粒度测量：筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、颗粒粒度测量：筛分法、沉降法、比表面法、显微镜法、电阻变化法、光的散射与衍射法等。电阻变化法、光的散射与衍射法等。颗粒的筛分尺寸颗粒的筛分尺寸筛分筛分是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度是用单层或多层筛面将松散的物料按颗粒粒度分成两个或多个不同粒级产品的过程分成两个或多个不同粒级产品的过程。将筛分所得结果在表或图上表示，可直观地表示出将筛分所得结果在表或图上表示，可直观地表示出颗粒群的粒径分布颗粒群的粒径分布:用表格表示：用表格表示：筛孔尺寸筛孔尺寸每层筛上颗粒质量。每层筛上颗粒质量。用图表示：用图表示：各层筛网上颗粒的筛分尺寸各层筛网上颗粒的筛分尺寸质质量分率量分率标准筛：标准筛：例如例如200目的筛子即指长度为目的筛子即指长度为1英寸的英寸的筛网上有筛网上有200个筛孔。个筛孔。所以筛号越大，筛孔越小。所以筛号越大，筛孔越小。筛号筛号(目数目数)：每英寸边长的筛孔数目每英寸边长的筛孔数目筛过量：筛过量：通过筛孔的颗粒量通过筛孔的颗粒量筛余量：筛余量：截留于筛面上的颗粒量截留于筛面上的颗粒量进行筛分分析时，将几个筛子按筛孔大小的次序从上到进行筛分分析时，将几个筛子按筛孔大小的次序从上到下叠置起来，筛孔尺寸最大的放在最上面，筛孔尺寸最下叠置起来，筛孔尺寸最大的放在最上面，筛孔尺寸最小的放在最下面，在它底下放一无孔的底盘。小的放在最下面，在它底下放一无孔的底盘。将称量过的颗粒样品放在上部筛子上，有规则地摇动一将称量过的颗粒样品放在上部筛子上，有规则地摇动一定时间，较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。定时间，较小的颗粒通过各个筛的筛孔依次往下落。称量各层筛网上的颗粒量，即得筛分分析的基本数据。称量各层筛网上的颗粒量，即得筛分分析的基本数据。筛析操作完成后，应检查各粒级的质量总和与取样量的筛析操作完成后，应检查各粒级的质量总和与取样量的差值（损失），其值不应超过差值（损失），其值不应超过1 12%2%，否则没有代表性，否则没有代表性，应重新取样筛析。应重新取样筛析。筛分筛分 分分布布函函数数F Fi i定定义义为为第第i i层层筛筛网网的的筛筛过过量量占占样样品品总总量量的的质质量量分分数数，以以d dpipi为为横横坐坐标标，F Fi i为为纵纵坐坐标标得得到到的的曲曲线线即为分布函数曲线。即为分布函数曲线。分布函数频率函数图 颗粒的分布函数曲线和频率函数曲线2）颗粒的平均粒径）颗粒的平均粒径 颗粒群的平均粒径有不同的表示法，但对于流体与颗颗粒群的平均粒径有不同的表示法，但对于流体与颗粒之间的相对运动过程，主要涉及流体与颗粒表面间的相粒之间的相对运动过程，主要涉及流体与颗粒表面间的相互作用，即颗粒的比表面积起重要作用，因此通常用互作用，即颗粒的比表面积起重要作用，因此通常用等比等比等比等比表面积当量直径表面积当量直径表面积当量直径表面积当量直径来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平来表示颗粒的平均直径，则混合颗粒的平均比表面积均比表面积d dm m。x xi i第第i i层筛网上颗粒的质量分率层筛网上颗粒的质量分率 d di i=(d=(di-1i-1+d+di i)/2)/23）颗粒的密度）颗粒的密度单位体积内粒子的质量称为单位体积内粒子的质量称为密度密度，其单位为，其单位为kg/m3。若粒子的体积不包括颗粒之间空隙，则称为粒子的若粒子的体积不包括颗粒之间空隙，则称为粒子的真密度，真密度，用用S表示；表示；若粒子所占体积包括颗粒之间空隙，则称为若粒子所占体积包括颗粒之间空隙，则称为堆积密堆积密度或表观密度度或表观密度，用，用b表示。表示。设计颗粒贮存设备时，应以堆积密度为准。设计颗粒贮存设备时，应以堆积密度为准。1.床层的空隙率床层的空隙率：单位体积颗粒床层中空隙的体：单位体积颗粒床层中空隙的体积，即：积，即：床层空隙率是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中床层空隙率是颗粒床层的一个重要特性，它反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。装填方法、床层直径、所处的位置等有关。一般颗粒床层的空隙率为一般颗粒床层的空隙率为0.470.470.70.7。测量床层的空隙率的方法：测量床层的空隙率的方法：充水法和称量法。充水法和称量法。3.2.2、颗粒床层的特性、颗粒床层的特性2.床层的比表面积床层的比表面积ab单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表单位体积床层中颗粒的表面积称为床层的比表面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面面积。若忽略因颗粒相互接触而减小的裸露面积，则床层的比表面积积，则床层的比表面积b与颗粒的比表面积与颗粒的比表面积的关系为：的关系为：b=(1-)床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即：即：颗粒的堆积密颗粒的堆积密度度kg/mkg/m3 3颗粒的真颗粒的真实密度实密度kg/mkg/m3 3床层中某一床层截面上空隙所占的截面积（即流体可床层中某一床层截面上空隙所占的截面积（即流体可以通过的截面积）与床层截面积的比值称为床层的自以通过的截面积）与床层截面积的比值称为床层的自由截面积。由截面积。对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所对于乱堆的颗粒床层，颗粒的定位是随机的，所以可认为堆成的以可认为堆成的床层各向同性床层各向同性，即从各个方位看，颗，即从各个方位看，颗粒的堆积都是相同的。对于这样的床层，其床层截面粒的堆积都是相同的。对于这样的床层，其床层截面积在数值上与床层空隙率相等。积在数值上与床层空隙率相等。同样，由于壁效应的影响，壁面附近的床层自由截面同样，由于壁效应的影响，壁面附近的床层自由截面积较大。当积较大。当D/dD/dp p较小时，必须考虑壁效应。较小时，必须考虑壁效应。3.床层的自由截面积床层的自由截面积3.2.3流体通过床层流动的压降1.固定床的床层简化模型（数学模型法）固定床的床层简化模型（数学模型法）流体通过固定床的阻力在数值上应等于床层中流体通过固定床的阻力在数值上应等于床层中所有颗粒所受曳力的总和。所有颗粒所受曳力的总和。确定流体通过床层阻力的方法：确定流体通过床层阻力的方法：实验方法实验方法。目前比较通用的是采用数学模型化的方法：目前比较通用的是采用数学模型化的方法：即把流体通过颗粒床层的流动看成是即把流体通过颗粒床层的流动看成是通过具有一通过具有一组平行细管、当量直径为组平行细管、当量直径为dede的床层的流动的床层的流动。认为。认为流体通过床层的阻力与通过这些小管的阻力相等。流体通过床层的阻力与通过这些小管的阻力相等。模型化方法的优点：模型化方法的优点：用简化的模型来代替床层内的真实流动，便于用数用简化的模型来代替床层内的真实流动，便于用数用简化的模型来代替床层内的真实流动，便于用数用简化的模型来代替床层内的真实流动，便于用数学方法来处理，然后再通过实验加以校正。学方法来处理，然后再通过实验加以校正。学方法来处理，然后再通过实验加以校正。学方法来处理，然后再通过实验加以校正。设床层内为乱堆颗粒，床层各向同性，壁效应设床层内为乱堆颗粒，床层各向同性，壁效应设床层内为乱堆颗粒，床层各向同性，壁效应设床层内为乱堆颗粒，床层各向同性，壁效应和端效应可忽略不计，仿照流体在管道中流动的和端效应可忽略不计，仿照流体在管道中流动的和端效应可忽略不计，仿照流体在管道中流动的和端效应可忽略不计，仿照流体在管道中流动的情况，将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。情况，将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。情况，将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。情况，将实际颗粒床层简化为下面的简单模型。a.a.颗粒床层由许多平行的细管组成，孔道长度颗粒床层由许多平行的细管组成，孔道长度le与床与床层高度层高度L成正比；成正比；b.b.孔道内表面积之和等于全部颗粒的表面积，孔道内孔道内表面积之和等于全部颗粒的表面积，孔道内全部流动空间等于床层空隙的容积。全部流动空间等于床层空隙的容积。实际床层实际床层简化模型简化模型假定：假定：虚拟细管的当量直径 de以以1m3床层体积为基准，则床层流动空间为床层体积为基准，则床层流动空间为，每，每1m3床层的颗粒表面的比表面即床层的比表面积床层的颗粒表面的比表面即床层的比表面积ab=a(1-）（3-9）流体通过固体颗粒床层（固定床）的压降流体通过固体颗粒床层（固定床）的压降 流体通过固定床的压力降主要有两方面：流体通过固定床的压力降主要有两方面：一是流体与颗粒表面间的摩擦作用产生的压力降。一是流体与颗粒表面间的摩擦作用产生的压力降。二二是是流流动动过过程程中中，孔孔道道截截面面积积突突然然扩扩大大和和突突然然缩缩小以及流体对颗粒的撞击产生的压力降。小以及流体对颗粒的撞击产生的压力降。2流体通过床层压降的数学描述流体通过床层压降的数学描述根据前述简化模型，流体通过一组平行细管流动根据前述简化模型，流体通过一组平行细管流动的压降为：的压降为：式中：式中：pf流体通过床层的压降，流体通过床层的压降，Pa;Pa;L L床层高度，床层高度，m m；d debeb床层流道的当量直径，床层流道的当量直径，m m；u u1 1流体在床层内的实际流速，流体在床层内的实际流速，m/sm/s；u1与按整个床层截面计算的空床流速与按整个床层截面计算的空床流速u的关系为：的关系为：（3-10）（3-11）（3-12）3模型参数的实验测定模型参数的实验测定（1）康采尼（）康采尼（Kozeny）的实验结果）的实验结果康采尼通过实验发现，在流速较低，床层雷诺数康采尼通过实验发现，在流速较低，床层雷诺数Reb 2的滞留情况下，模型参数的滞留情况下，模型参数可较好的符合下式：可较好的符合下式：式中式中称为康采尼常数，其值可取作称为康采尼常数，其值可取作5.0，Reb的定义为的定义为（3-13）（3-14）（3-15）（2）欧根（Ergun）的实验结果欧根在较宽的Reb范围内进行实验，获得如下关联式3.3沉降分离沉降分离沉降涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系沉降涉及由颗粒和流体组成的两相流动体系,属属于流体相对于颗粒的绕流问题。于流体相对于颗粒的绕流问题。流固之间的相对运动有三种情况，即：流固之间的相对运动有三种情况，即：流体静止流体静止，固体颗粒作沉降运动；，固体颗粒作沉降运动；固体静止固体静止，流体对固体作绕流；，流体对固体作绕流；流体和固体都运动流体和固体都运动，但二者保持一定的相对速，但二者保持一定的相对速度。度。只要相对速度相同，只要相对速度相同，上述三种情况并无本质区别。上述三种情况并无本质区别。沉降运动发生的前提条件是固体颗粒与流体之间存在沉降运动发生的前提条件是固体颗粒与流体之间存在密密度差度差，同时有外力场存在。，同时有外力场存在。外力场有重力场和离心力场外力场有重力场和离心力场，沉降：沉降：颗粒物质受重力、离心力、或其他电、磁力而从分颗粒物质受重力、离心力、或其他电、磁力而从分散介质中分离的过程称为沉降。散介质中分离的过程称为沉降。发生的沉降过程分别称为发生的沉降过程分别称为重力沉降重力沉降和和离心沉降离心沉降。重力沉降：重力沉降：分离颗粒较大的物质分离颗粒较大的物质离心沉降：离心沉降：粒度较小的物质粒度较小的物质3.3.1重力沉降分离 将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，若将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，若颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落（一）球形颗粒的自由沉降（一）球形颗粒的自由沉降1沉降速度沉降速度1)颗粒沉降的基本假定颗粒沉降的基本假定颗粒为球形颗粒为球形各颗粒沉降时互不干扰（自由沉降，反之为干扰沉降）各颗粒沉降时互不干扰（自由沉降，反之为干扰沉降）容器壁效率忽略容器壁效率忽略分子布朗热运动对沉降无影响分子布朗热运动对沉降无影响图3-1 沉降颗粒的受力情况 颗粒沉降过程受力：颗粒沉降过程受力：重力：重力：阻力：阻力：浮力：浮力：阻力系数或阻力系数或曳力系数曳力系数分析颗粒运动情况：分析颗粒运动情况：加速度最大加速度最大阻力阻力加速度加速度加速度加速度=0=0加速段加速段匀速段匀速段由此可得由此可得沉降速度沉降速度：式中式中u ut t颗粒的自由沉降速度，颗粒的自由沉降速度，m/sm/s；d d颗粒直径，颗粒直径，m m；r rs s，r r分别为颗粒和流体的密度，分别为颗粒和流体的密度，kg/mkg/m3 3；g g-重力加速度，重力加速度，m/sm/s2 2;2.阻力系数阻力系数根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：滞流区或斯托克斯定律区滞流区或斯托克斯定律区（10-4Ret1)过渡区或艾仑定律区（过渡区或艾仑定律区（1Ret103）湍流区或牛顿定律区湍流区或牛顿定律区（103Ret2105）将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒雷诺数范围内将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒雷诺数范围内ut的计算式：的计算式：湍流区湍流区过渡区过渡区滞流区滞流区3）影响沉降速度的因素（2 2）颗粒的体积浓度）颗粒的体积浓度当颗粒体积较高时当颗粒体积较高时,便发生干扰沉降便发生干扰沉降（3 3）器壁效应器壁效应（4 4）颗粒形状的影响颗粒形状的影响当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，否则需加以考虑否则需加以考虑同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些。颗粒的沉降快一些。（1 1）流体的粘度）流体的粘度在滞流沉降区内，由流体粘性引起的表面摩擦力占主要地位。在滞流沉降区内，由流体粘性引起的表面摩擦力占主要地位。（1）试差法）试差法由于在计算出由于在计算出u ut t之前之前ReRet t的大小未知，因此要通过试的大小未知，因此要通过试差确定应该选取的计算公式。差确定应该选取的计算公式。4）沉降速度的计算）沉降速度的计算（2）摩擦数群法）摩擦数群法该法是将该法是将与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两与雷诺数的关系曲线加以转换，使其两个坐标轴之一变成不包含个坐标轴之一变成不包含u ut t的无量纲数群，进而便可的无量纲数群，进而便可得得u ut t假设沉降属假设沉降属于某一流型于某一流型 计算沉计算沉降速度降速度 核算核算ReRet t 又因为:上两式相乘可消去ut，即:再令:得到:（3）无因次判别因子 由：由：在斯托克斯定律区，在斯托克斯定律区，ReRet t11，则，则K K2.622.62，同理，将式同理，将式3-333-33代入雷诺准数定义式，由代入雷诺准数定义式，由ReRet t=1000=1000可得可得牛顿定律区的下限值为牛顿定律区的下限值为69.169.1。因此，因此，K K2.622.62为为斯托克斯定律区斯托克斯定律区，2.622.62K K69.169.169.1为为牛顿定律区牛顿定律区。图3-2 关系曲线 阻力系数阻力系数Re0关系图关系图1)降尘室降尘室 作用：作用：分离气体中尘粒的重力沉降设备。分离气体中尘粒的重力沉降设备。操作：操作：在气体从降尘室入口流向出口的过程在气体从降尘室入口流向出口的过程中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降。如颗粒在到达降尘室出口前已沉向下沉降。如颗粒在到达降尘室出口前已沉到室底的集尘斗内，则颗粒从气体中分离出到室底的集尘斗内，则颗粒从气体中分离出来，否则将被气体带出。来，否则将被气体带出。2.重力沉降设备重力沉降设备 2.重力沉降设备重力沉降设备这是一个大空箱，含尘气体从这是一个大空箱，含尘气体从一端进入，以流速一端进入，以流速u水平通过水平通过降尘室，尘埃以自由沉降速度降尘室，尘埃以自由沉降速度ut向室底沉降，只要能保证气向室底沉降，只要能保证气体在室内停留时间足够长，以体在室内停留时间足够长，以便颗粒达到室底面，便能在出便颗粒达到室底面，便能在出口得到净化的气体。口得到净化的气体。重力沉降分离设备(1)(1)单层降尘室单层降尘室（1）工作原理工作原理气体入室气体入室减速减速颗粒的沉降运动颗粒的沉降运动&随气体运动随气体运动沉降运动时间沉降运动时间50m的粗颗粒。的粗颗粒。a.设计时颗粒直径的选择：以上分析是基于颗粒在降尘室顶端能被分离的条件，显然，在此条件下，处于其他位置的同直径颗粒也都能被除去。由于所处理的气体中粉尘颗粒的大小不均，因此，作设计时应以所需分离的最小颗粒直径为基准。注意：b.气体速度的选择气体速度的选择：降尘室中的气体流速不能过高，应保证气体流动的雷降尘室中的气体流速不能过高，应保证气体流动的雷诺数处于诺数处于层流区层流区，防止将已沉降下来的颗粒重新卷起。，防止将已沉降下来的颗粒重新卷起。一般降尘室内一般降尘室内气体速度应不大于气体速度应不大于3m/s，具体数值应根，具体数值应根据要求除去的颗粒大小而定，对于易扬起的粉尘（如据要求除去的颗粒大小而定，对于易扬起的粉尘（如淀粉、炭黑等），气体速度应低于淀粉、炭黑等），气体速度应低于1m/s。降尘室结构简单、阻力小，但体积庞大、分离效率降尘室结构简单、阻力小，但体积庞大、分离效率低，只适合于分离直径在低，只适合于分离直径在75m以上的粗粒，以上的粗粒，一般作一般作预除尘用。预除尘用。例题例题2 2 采用降尘室回收常压炉气中所含球采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为形固体颗粒。降尘室底面积为1010，高宽，高宽均为均为2m2m。操作条件下气体密度为。操作条件下气体密度为0.75kg/m0.75kg/m3 3，粘度为，粘度为2.62.6 1010-5-5PaPa s s，颗粒密度为，颗粒密度为3000 3000 kg/mkg/m3 3。气体体积流量为。气体体积流量为3m3m3 3/s/s。试求：。试求：（1 1）可完全回收的最小颗粒直径；）可完全回收的最小颗粒直径；(2)(2)粒径为粒径为40 40 m m的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率.（3 3）如将降尘室改为多层以完全回收）如将降尘室改为多层以完全回收1010 m m的颗粒，求多层降尘室的层数。的颗粒，求多层降尘室的层数。解：解：(1)理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径由式由式3-22可知，在降尘室中能够完全被分离出来可知，在降尘室中能够完全被分离出来的最小颗粒的沉降速度为的最小颗粒的沉降速度为由于粒径为待求参数，沉降雷诺准数由于粒径为待求参数，沉降雷诺准数Ret和判断因子和判断因子K都都无法计算无法计算故需故需采用试差法采用试差法。假设沉降在滞流区，则可用假设沉降在滞流区，则可用斯托克斯公式斯托克斯公式求最小颗粒直求最小颗粒直径，即径，即=6.9110-5m=3/10=0.3msRet=0.5981原设在滞流区沉降正确，求得的最小粒径有效。原设在滞流区沉降正确，求得的最小粒径有效。2)40m颗粒的回收百分率颗粒的回收百分率假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体的停留假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体的停留时内颗粒的沉降高度与降尘室高度之比即为该尺寸颗时内颗粒的沉降高度与降尘室高度之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。粒被分离下来的分率。核算沉降流型核算沉降流型由于各种尺寸颗粒在降尘室内的由于各种尺寸颗粒在降尘室内的停留时间均相同停留时间均相同，故故40m颗粒的回收率也可用其沉降速度颗粒的回收率也可用其沉降速度ut与与69.1m颗粒的沉降速度颗粒的沉降速度ut之比来确定，之比来确定，在斯托克斯定律区则为在斯托克斯定律区则为回收率回收率=ut/ut=(d/dmin)2=(4069.1)2=0.335即回收率为即回收率为33.5。(3)需设置的水平隔板层数需设置的水平隔板层数多层降尘室中需设置的水平隔板层多层降尘室中需设置的水平隔板层数用式数用式3-22a计算计算。由上面计算可知，由上面计算可知，l0m颗粒的沉降必在滞流区，颗粒的沉降必在滞流区，可用斯托克斯公式计算沉降速度，即可用斯托克斯公式计算沉降速度，即=6.2910-3ms，取47层n=ut=隔板间距为h核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚度所占的空间，则核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚度所占的空间，则气体的流速为气体的流速为0.75ms.0.042u=0.082m=1774所以Re即气体在降尘室的流动为滞流，设计合理。即气体在降尘室的流动为滞流，设计合理。有有一一降降尘尘室室，长长、宽宽、高高分分别别为为1164m，沿沿沉沉降降室室高高度度的的中中间间加加一一层层隔隔板板。现现需需使使用用此此降降尘尘室室处处理理常常压压下下的的烟烟气气。已已知知烟烟气气处处理理量量为为12500标标准准m3/h，烟烟气气的的温温度度为为150，密密 度度 为为 0.85kg/m3,粘粘 度度 为为 2.510-5Pa.s。问问此此降降尘尘室室能能否否沉沉降降密密度度为为1600kg/m3,直径为直径为35m以上的尘粒？以上的尘粒？例例题题3Vs=V0T/T0=12500423/273=19368.13m3/h=5.38m3/s（2）求求utu=Vs/A=5.38/(46)=0.224m/sUt(uH/L)=0.224(4/2)/11=0.041m.s-1（3）求）求dp设为层流沉降设为层流沉降,则则dp=(180.022510-30.041)/(1600-0.85)9.8070.5=32.510-6m=32.5m验算：验算：Rep=(32.510-60.0410.85)/(0.022510-3)=0.051假设正确假设正确（4）因为）因为32.535，所以此降尘室能除去直径为，所以此降尘室能除去直径为35m以上的尘粒。以上的尘粒。（1）求求Vs2)沉降槽沉降槽沉沉降降槽槽是是利利用用重重力力沉沉降降来来提提高高悬悬浮浮液液浓浓度度并并同同时时得得到到澄澄清清液液体体的的设设备备。所所以以，沉沉降降槽槽又又称称为为增增浓浓器器和和澄澄清清器器。沉降槽可间歇操作也可连续操作。沉降槽可间歇操作也可连续操作。间间歇歇沉沉降降槽槽通通常常是是带带有有锥锥底底的的圆圆槽槽。需需要要处处理理的的悬悬浮浮液液在在槽槽内内静静置置足足够够时时间间后后，增增浓浓的的沉沉渣渣由由槽槽底底排排出出，清清液液则由槽上部排出管抽出。则由槽上部排出管抽出。连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽，连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽，如图如图3-6所示。所示。悬悬浮浮液液经经中中央央进进料料口口送送到到液液面面以以下下0.31.0处处，在在尽尽可可能能减减小小扰扰动动的的情情况况下下，迅迅速速分分散散到到整整个个横横截截面面上上，液液体体向向上上流流动动，清清夜夜经经由由槽槽顶顶端端四四周周的的溢溢流流堰堰连连续续流出，称为流出，称为溢流溢流；固固体体颗颗粒粒下下沉沉至至底底部部，槽槽底底有有徐徐徐徐旋旋转转的的耙耙将将沉沉渣渣缓缓慢慢地地聚聚拢拢到到底底部部中中央央的的排排渣渣口口连连续续排排出出。排排出出的的稠浆称为稠浆称为底流底流。2)沉降槽沉降槽连续沉降槽的直径，小者为数米，大者可达数百米；连续沉降槽的直径，小者为数米，大者可达数百米；连续沉降槽连续沉降槽适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细适合于处理量大，浓度不高，颗粒不太细的悬浮液，常见的污水处理就是一例。的悬浮液，常见的污水处理就是一例。经沉降槽处理后的沉渣内仍有约经沉降槽处理后的沉渣内仍有约50%的液体。的液体。沉降槽有沉降槽有澄清液体和增浓悬浮液澄清液体和增浓悬浮液的双重功能。的双重功能。为了获得澄清液体，沉降槽必须有足够大的横截面为了获得澄清液体，沉降槽必须有足够大的横截面积，以保证任何瞬间液体向上的速度小于颗粒的沉积，以保证任何瞬间液体向上的速度小于颗粒的沉降速度。降速度。为了把沉渣增浓到指定的稠度，要求颗粒在槽中有为了把沉渣增浓到指定的稠度，要求颗粒在槽中有足够的停留时间。足够的停留时间。所以沉降槽的加料口以下的增浓段必须有足够的高所以沉降槽的加料口以下的增浓段必须有足够的高度，以保证压紧沉渣所需要的时间。度，以保证压紧沉渣所需要的时间。在沉降槽的增浓段中，大都发生颗粒的干扰沉降，在沉降槽的增浓段中，大都发生颗粒的干扰沉降，所进行的过程称为所进行的过程称为沉聚过程沉聚过程。为为了了在在给给定定尺尺寸寸的的沉沉降降槽槽内内获获得得最最大大可可能能的的生生产产能能力力，应尽可能提高应尽可能提高沉降速度沉降速度。向向悬悬浮浮液液中中添添加加少少量量电电解解质质或或表表面面活活性性剂剂，使使颗颗粒粒发发生生“凝聚凝聚”或或“絮凝絮凝”；改改变变一一些些物物理理条条件件（如如加加热热、冷冷冻冻或或震震动动），使使颗颗粒粒的粒度或相界面积发生变化，都有利于提高沉降速度；的粒度或相界面积发生变化，都有利于提高沉降速度；沉沉降降槽槽中中的的装装置置搅搅拌拌耙耙，除除能能把把沉沉渣渣导导向向排排出出口口外外，还还能能减减低低非非牛牛顿顿型型悬悬浮浮物物物物系系的的表表观观粘粘度度，并并能能促促使使沉淀物的压紧，从而加速沉聚过程。沉淀物的压紧，从而加速沉聚过程。3)分级器分级器 利利用用重重力力沉沉降降可可将将悬悬浮浮液液中中不不同同粒粒度度的的颗颗粒粒进进行行粗粗略略的的分分离离，或或将将两两种种不不同同密密度度的的颗颗粒粒进进行行分分类类，这这样样的的过过程程统统称称为为分分级级，实实现现分分级级操操作作的的设设备备称称为为分分级器。级器。a.平流沉降平流沉降:风车分离稻谷（丰实谷粒、半丰粒、瘪壳、稻草叶、风车分离稻谷（丰实谷粒、半丰粒、瘪壳、稻草叶、茸毛叶）茸毛叶）b.竖流沉降：竖流沉降：3.3.2离心沉降离心沉降依靠依靠惯性离心力惯性离心力作用下实现的沉降过程称为离心沉降。作用下实现的沉降过程称为离心沉降。对对于于两两相相密密度度差差较较小小，颗颗粒粒较较细细的的非非均均相相物物系系，在在离离心力场中可得到较好的分离。心力场中可得到较好的分离。通通常常，气气固固非非均均相相物物质质的的离离心心沉沉降降是是在在旋旋风风分分离离器器中中进进行行，液液固固悬悬浮浮物物系系的的离离心心沉沉降降可可在在旋旋液液分分离离器器或或离离心机中进行。心机中进行。离心沉降原理离心沉降原理离心沉降利用沉降设备使流体和颗粒旋转，在离心沉降利用沉降设备使流体和颗粒旋转，在离离心力作用下心力作用下，由于流体和颗粒间存在，由于流体和颗粒间存在密度差密度差，所，所以颗粒沿径向与流体产生以颗粒沿径向与流体产生相对运动相对运动，从而使颗粒，从而使颗粒和流体和流体分离分离。由于在高速旋转的流体中，颗粒所受的由于在高速旋转的流体中，颗粒所受的离心力比离心力比重力大得多重力大得多，且可依需要调节，所以其，且可依需要调节，所以其分离效果分离效果好于重力沉降好于重力沉降。1.惯性离心力作用下的沉降速度惯性离心力作用下的沉降速度当流体围绕某一中心轴作圆周运动时，便形成了惯性当流体围绕某一中心轴作圆周运动时，便形成了惯性离心力场。在与转轴距离为离心力场。在与转轴距离为R、切向速度为、切向速度为uT的位置上，的位置上，惯性离心力场强度为惯性离心力场强度为(即离心加速度即离心加速度)。显然，惯性离心力场强度不是常数，随位置及切显然，惯性离心力场强度不是常数，随位置及切向速度而变，向速度而变，其方向其方向是沿旋转半径从是沿旋转半径从中心指向外中心指向外周周。重力场强度重力场强度g(即重力加速度即重力加速度)基本上可视作常基本上可视作常数，数，其方向指向地心。其方向指向地心。惯性离心力场中颗粒在径向上也受到惯性离心力场中颗粒在径向上也受到三个力的作用三个力的作用，即即惯性离心力惯性离心力;向心力向心力(与重力场中的浮力相当，其方与重力场中的浮力相当，其方向为沿半径指向旋转中心向为沿半径指向旋转中心);阻力阻力(与颗粒径向运动方向与颗粒径向运动方向相反，其方向为沿半径指向中心相反，其方向为沿半径指向中心)。惯性离心力惯性离心力=向心力向心力=阻力阻力=球形颗粒的直径为球形颗粒的直径为d、密度为、密度为s s;流体密度为流体密度为，颗粒与中心轴的距，颗粒与中心轴的距离为离为R，切向速度为，切向速度为uT;ur代表颗粒与流体在径向上的相代表颗粒与流体在径向上的相对速度，对速度，ms。如果上述如果上述三个力达到平衡三个力达到平衡，则，则-平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur，便是它在此位置上的离心沉降速度。上式对便是它在此位置上的离心沉降速度。上式对ur求解得求解得比较式比较式3-33与式与式3-20可以看出，颗粒的离心沉降可以看出，颗粒的离心沉降速度速度ur与重力沉降速度与重力沉降速度ut具有相似的关系式，具有相似的关系式，若将重力加速度若将重力加速度g改为离心加速度改为离心加速度则式则式320便变为式便变为式3-33。=0(3-33)二者又有明显的二者又有明显的区别区别，首先，离心沉降速度，首先，离心沉降速度ur不是不是颗粒运动的绝对速度，而是绝对速度在颗粒运动的绝对速度，而是绝对速度在径向上的分量径向上的分量;且方向不是向下而是沿且方向不是向下而是沿半径向外半径向外；再者，离心沉降速度再者，离心沉降速度ur不是恒定值不是恒定值，随颗粒在离心，随颗粒在离心力场中的位置力场中的位置(R)而变，而重力沉降速度而变，而重力沉降速度ut则是恒定的则是恒定的.离心沉降时，如果颗粒与流体的相对运动属于滞流离心沉降时，如果颗粒与流体的相对运动属于滞流,阻力系数阻力系数也可用式也可用式321表示，于是得到表示，于是得到(3-34)式式3-34与式与式324相比可知，同一颗粒在同种介质中相比可知，同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为比值比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比，称为场强度与重力场强度之比，称为离心分离因离心分离因数数。分离因数是离心分离设备的分离因数是离心分离设备的重