化工原理第三章(概述、重力沉降).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第一节 概述,1、混合物的分类,2、非均相物系的特点,3、非均相物系的组成,4、非均相物系的分离方法,第二节 重力沉降,1、沉降速度,2、沉降设备,3、悬浮液的沉聚,第三章,沉降与过滤,2025/12/5 周五,一、混合物的分类,工业上一般,按相态,将混合物可分为,均相物系,（,即均相混合物,）,与,非均相物系,（,即非均相混合物,）,。,【,均相物系,】,分散得十分均匀，达到,分子分散水平,的物系。如：乙醇,水溶液，空气等。,【,非均相物系,】,含有,二个或二个以上的相,的混合物。,第一节 概 述,2025/12/5 周五,【,非均相物系的主要种类,】,【,固体混合物,】,二种或二种以上不同固体物质的混合物，如各种矿石；,【,液固混合物,】,如液相反应产生固体沉淀形成的悬浮液，泥浆等；,【,气固混合物,】,如燃煤锅炉烟道气；,【,液液混合物,】,如乳浊液（油水混合物）；,【,气液混合物,】,如水雾。,2025/12/5 周五,二、非均相物系的特点,（,1,）体系内包含,一个以上的相,；,（,2,）相界面,两侧物质的性质,（,物理性质，如密度等,）,完全不同,；,【,例如,】,如由固体颗粒与液体构成的,悬浮液,、由固体颗粒与气体构成的,含尘气体,等,。,2025/12/5 周五,三、非均相物系的组成,【,分散相,】,处于,分散状态的那一相,；,【,分散物质,】,处于,分散状态的那种物质,，如,分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡,。,【,连续相,】,包围着分散相物质且处于,连续状态的那一相,；,【,连续相介质,】,处于,连续状态的那种物质,，如,分气固混合物的,气体,，悬浮液中的,液体,。,2025/12/5 周五,悬浮在水中的固体颗粒,【,问题,】,指出分散相、连续相、分散物质和连续介质分别是什么？,2025/12/5 周五,四、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。,2025/12/5 周五,五、非均相物系分离的作用,（1）,回收分散物质,；（从催化反应器中回收催化剂颗粒）,（2）,净制连续介质,；（二氧化硫气体除尘）,（3）,保护环境,。（污水处理、除去烟道气中的粉尘等）,2025/12/5 周五,催化剂再生器,催裂化反应器,分馏塔,澄清罐,催化裂化工艺流程图,旋风分离器,旋液分离器,2025/12/5 周五,焙烧炉,降尘室,旋风分离器,电除尘器,泡沫塔,硫铁矿,空气,去转化器,二氧化硫除尘净化工艺流程简图,2025/12/5 周五水处理工艺流程图,2025/12/5 周五,污水处理工艺流程图,2025/12/5 周五,六、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,流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下,三种情况,：,【,绕流,】,颗粒静止，流体运动；,【,沉降,】,流体静止，颗粒运动；,【,颗粒与流体都运动,】,颗粒运动，流体运动。,2025/12/5 周五,颗粒静止，流体对其做绕流,流体运动方向,2025/12/5 周五,固体颗粒运动方向,2025/12/5 周五,流体运动方向,固体颗粒运动方向,2025/12/5 周五,2、阻力的两种类型表皮阻力和形体阻力,【,表皮阻力,】,当颗粒,速度,很小,时,流体对球的运动阻力主要是,粘性摩擦,，所产生的阻力,（,曳力,）,；,2025/12/5 周五,【,形体阻力,】,当颗粒,速度,较大,时,，便有旋涡出现，即发生,边界层分离,，所产生的阻力,（,曳力,）,。,颗粒受到流体的总阻力,F,d,表皮阻力,形体阻力,P,1,P,2,2025/12/5 周五,【,特点,】,阻力,F,d,与流体密度,、粘度,、相对运动速度,u,有关，而且受颗粒的形状与运动方向的影响，问题较为复杂。至今，,只有几何形状简单的少数情况才可以得到理论计算式,。,3、阻力的计算,【,例如,】,粘性流体,对,球体,的,低速绕流,（也称,爬流,）时,可用,斯托克斯,（,Stokes公式计算，即：,2025/12/5 周五,当,相对运动速度较大时,，,Sokes,定律不成立。因此，对一般流动条件下的球形颗粒及其其他形状的颗粒，,F,d,的数值尚需通过实验解决,。,对,球形颗粒,，经,分析,并整理后可得：,式中,形状阻力系数；,A,颗粒在运动方向上的投影面积；,u,颗粒与流体的相对运动速度。,阻力计算的经验公式,2025/12/5 周五,4、阻力（曳力）系数,【,规律,】,目前尚无法通过理论分析获得阻力系数计算关系式，但,大量的,实验,证明：,阻力（曳力）系数,是,雷诺数及球形度,的函数，即：,【,获取方法,】,当,球形度一定,时，,阻力（曳力）系数,获取方法有如下两种：,（,1,）查取,Re,关系曲线图,；,（,2,）使用,经验公式,。,2025/12/5 周五,Re,关系曲线图,【,步骤,】,（,1,）根据颗粒的球形度找到对应的曲线；,（,2,）根据,Re,找到曲线上的一点；,（,3,）由该点查得,；,2025/12/5 周五,何谓球形度,【,定义,】,与物体相同体积的球体的表面积和物体的表面积之比。,S,与物体相同体积的球体的表面积；,S,P,物体的表面积。,2025/12/5 周五,有关说明,（,1,）此处的雷诺数,Re,是指：,计算,Re,时，,d,P,应为足以表征颗粒大小的长度,（,特性尺寸,），对球形颗粒而言，就是它的,直径,。,（,2,）此处的区域（如层流区）范围与流动型态的区域范围并不相同。,2025/12/5 周五,【,阻力系数,计算的经验公式,】,【,应用前提,】,球形颗粒,。,根据不同的雷诺数范围（区域）内的,阻力系数,的变化情况，,可用如下经验公式计算,阻力系数,：,（1）层流区,：,10,4,Re,2,，,Stokes,定律区,2025/12/5 周五,Re,关系曲线图,层流区,过渡区,湍流区,2025/12/5 周五,（3）湍流区,：,500,Re,2,10,5,，,Newton,定律区,（2）过渡区,：,2,Re,500,，,Allen,定律区,【,说明,】,（,1,）查,Re,关系曲线图,，准确但复杂；,（,2经验公式计算简便，但是有误差。,2025/12/5 周五,第二节 重力沉降,一、什么是沉降？,【,定义,】,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。,分类,重力,离心力,重力,沉降,离心沉降,2025/12/5 周五,二、沉降速度,1、球形颗粒的自由沉降速度,【,定义,】,单个颗粒,在流体中沉降，或者,颗粒群,在流体中分散得较好而颗粒在,互不接触、互不干扰,的条件下沉降。,（,1,）什么是自由沉降,2025/12/5 周五,（,2,）自由沉降速度基本计算式,重力场中，,球形颗粒作自由（,向下,）沉降时，,颗粒的,受力情况,：,设颗粒的密度为,P,，直径为,d,P,，,流体的密度为,，则：,2025/12/5 周五,当,颗粒在流体中做,匀速运动,（,a,0,）,时，,颗粒所受,合力为零,，,即：,由此可解出,沉降速度,：,沉降速度基本计算式,2025/12/5 周五,有关说明,（,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,。,2025/12/5 周五,（,3,）各种情况下的自由沉降速度计算式,层流区,：(,Re,2,）,斯托克斯（,Stokes,）,定律,【,说明沉降操作中所涉及的颗粒一般都很小，通常,Re,在2以内，故该式很,常用,。,2025/12/5 周五,过渡区,（,Allen,区）,2,Re500,代入,沉降速度基本计算式,后可得到：,阿伦（,Allen,),公式,2025/12/5 周五,湍流区,（,Newton,区）,500,Re2,10,5,代入,沉降速度基本计算式,后可得到：,牛顿（,Newton,）,公式,2025/12/5 周五,（,4,）自由沉降速度的影响因素,颗粒的密度,P,颗粒的直径,d,P,流体的密度,流体的粘度,2025/12/5 周五,（,5,）自由沉降速度计算的具体方法,如果事前能够上,确认沉降处在哪个区,，则直接就用该区的公式进行计算；,如果,不能确定,流动处在哪个区，可采用,两种方法,：,【,试差法,】A.,假定,流动所在的区域；,B.,用相应的公式,计算,沉降速度,u,t,；,C.,计算,雷诺数,Re,是否与假定条件一致（,验算,），否则重新假定。,2025/12/5 周五,【,准数判别法,】,如果,不能确定,流动处在哪个区，亦可采用以下方法,先确定区域,。,通过实验整理数据可得到：,其中：,阿基米德准数,2025/12/5 周五,（,1,）根据已知条件计算,Ar,；,（,2,）然后计算,Re,；,（,3,）根据,Re,确定,区域,；,（,4,）选用相应的计算公式,计算,出沉降速度。,【,准数判别法的具体计算步骤,】,2025/12/5 周五,【,解,】,（1）,在20水中的沉降,。,由于不知沉降处在哪个区，故用,试差法,计算；,先假设颗粒在层流区内沉降，用,斯托克斯,公式计算：,【,例,】,试计算直径为,95,m,，,密度为,3000,kg/m,3,的固体颗粒分别在,20,的,空气,和,水,中的自由沉降速度,。,2025/12/5 周五,附录查得，水在,20,时,998.2kg/m,3,，,=1.005,10,-3,Pa.s,核算流型：,故原,假设,层流区,正确,，求得的沉降速度有效。,2025/12/5 周五,（2）在,20,的空气中的沉降,用,阿基米德准数,判断沉降区域：,查得20,空气：,=1.205 kg/m,3,，,=1.8110,-5,Pa.s,计算,阿基米德准数,：,2025/12/5 周五,据阿伦公式：,由此可知，,沉降速度,为：,计算,雷诺准数,：,由于,2,Re,500,，,故知,沉降处在过渡区。,2025/12/5 周五,3、非自由沉降速度的确定,（1）颗粒的体积浓度（,分数,）,上述各种沉降速度关系式中，当颗粒的,体积浓度,（,分数,）,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。,【,注意,】,干扰沉降速度比自由沉降速度小。,2025/12/5 周五,（2）器壁效应,容器的壁面会增加颗粒沉降时的曳力，使,实际颗粒的沉降速度较自由沉降时的计算值要小,；,当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时（例如在,100,倍以上,），器壁效应可忽略，否则需加以考虑。并按下式进行修正：,2025/12/5 周五,（3）颗粒形状的影响,如果颗粒,是非球形,的，可采用两种方法处理。,【,方法一,】,根据球形度及雷诺数查取阻力系数,；,用,沉降速度,基本计算式,计算沉降速度。,2025/12/5 周五,非球形颗粒阻力系数,的查取,2025/12/5 周五,仍采用球形颗粒的公式计算沉降速度，但所有计算中的颗粒直径,d,p,要用,当量直径,d,pe,代替,。如：,非球形颗粒的,当量直径,为：,颗粒的体积,【,方法二,】,【,非球形颗粒的当量直径,】,2025/12/5 周五,二、重力沉降分离设备,1、分级器,将密度不同的颗粒分离的设备,【,分离原理,】,利用,不同密度的颗粒,在流体中的,沉降速度不同,这一原理来实现它们之间的,分离,。,【,分离对象,】,不同种类（,密度不同,）的固体颗粒，工业上的,选矿,便是利用此原理。,2025/12/5 周五,选矿工艺流程图,2025/12/5 周五,【,说明,】1,、2、3号分级器,直径逐渐增大,而三者中上升水流量均相同，所以水在三者中,流速逐渐减小,。,【,分级器的结构,】,2025/12/5 周五,（,1,）将沉降速度（,密度,）不同的两种颗粒倾倒到,向上流动,的水流中；,（,2,）,水的速度调整到在两者的沉降速度之间,；,（,3,）沉降速度（,密度,）较小的那部分颗粒便被漂走分出，沉降速度（,密度,）较大的则被截留下来。,【,分级原理,】,2025/12/5 周五,【,例如,】,石英和方铅矿,的混合球形颗粒在水力分级器中进行分离。两者的密度分别为,2650,kg/m,3,和,7500,kg/m,3,。,纯方铅矿,方铅矿及大颗粒石英,小石英颗粒,2025/12/5 周五,1,2,3,2025/12/5 周五,面粉分级器工艺流程图,【,说明,】,利用面粉,颗粒大小,与,蛋白质含量,之间的关系，将面粉按蛋白质含量高（低颗粒大小）分成几种不同部分。,2025/12/5 周五,2025/12/5 周五,2、降尘室,分离气固混合物的设备,（1）降尘室的构造,含尘气体入口,降尘室,净化气体出口,尘粒出口,2025/12/5 周五,降尘室实物图,2025/12/5 周五,降尘室,2025/12/5 周五,（,2,）降尘室的工作原理,L,H,水平运动速度,沉降速度,如果气体的,停留时间,（,L/,u,）,颗粒的沉降时间,（,H/,u,t,）,，尘粒便可分离出来。,结论,2025/12/5 周五,（,3,）降尘室的性能及工艺参数,降尘室的工艺参数及性能指标主要有以下几项：,临界粒径,（分离效果）；,临界沉降速度,；,最大处理量,（生产能力）。,2025/12/5 周五,层流区临界粒径计算式,能被除去的最小颗粒直径临界粒径（,d,pc,）,【,定义,】,对于一定的设备（,L,、,W,、,H,）、,一定的处理量（,q,Vs,）,下，,能100被除去的最小颗粒直径,称为,临界粒径,。一般情况下可推得：,能被完全（,100%,）除去的最小颗粒尺寸不仅与颗粒和气体的,性质,有关，还与,处理量,和降尘室,底面积,有关。,结论,2025/12/5 周五,【,层流区临界粒径计算式的推导,】,由,L/,u,（停留时间）,H/,u,t,（沉降时间）,斯托克斯（,Stokes,）,定律,层流区临界粒径计算式,2025/12/5 周五,临界沉降速度,【,定义,】,能,100被除去的最小颗粒,所对应的沉降速度称为,临界沉降速度,，用,u,tc,表示。,由,L/,u,（停留时间）,H/,u,tc,（沉降时间）,则有,其中,q,Vs,以气体体积流量表示的处理量，,m,3,/s,；,A,0,降尘室的底面积，,m,2,；,W,降尘室的宽度，,m。,2025/12/5 周五,【,临界沉降速度的计算,】,层流区临界沉降速度计算式,【,方法,】,临界沉降速度可根据,临界粒径,计算获取。,一般情况下，因为考虑的是最小颗粒直径，沉降速度很小，所以可以认为,沉降运动处于层流区,。据斯托克斯公式：,2025/12/5 周五,最大处理量,降尘室的生产能力,由式,可知：,最大处理量计算式,【,定义,】,对于一定的沉降设备和分离要求，所能处理的最大含尘气体量，,m,3,/s,。,2025/12/5 周五,几点说明,含尘气体的,最大处理量是与,某一粒径,对应,的，是指这一粒径及大于该粒径的颗粒都能100%被除去时的最大气体量（,粒径越大，处理量越大,）；,最大的气体处理量不仅与粒径相对应，还与降尘室底面积（,A,0,）有关，底面积越大处理量越大，但,处理量与高度无关,。为此，,降尘室都做成扁平形,；,为提高气体处理量，室内以水平隔板将降尘室分割成若干层，称为,多层降尘室,。,2025/12/5 周五,常用的隔板间距为,40,100mm,2025/12/5 周五,含尘气体,净化气体,隔板,调节阀门,2025/12/5 周五,（,4,）降尘室的计算,【,降尘室的计算类型,】,设计型计算与操作型计算。,设计型计算,（,由生产任务确定设备尺寸,）,已知气体处理量,q,Vs,和除尘要求,d,pc,，,求降尘室的大小。,（长度和宽度）,2025/12/5 周五,【,例,】,某降尘室长,3,米，在常压下处理,2500,m,3,/h,含尘气体，设颗粒为球形，密度为,2400,kg,/m,3,，气体密度为,1,kg,/m,3,，粘度为,210,-5,Pa.s,，现要求该降尘室能够除去的最小颗粒直径为,410,-5,m,，计算降尘室宽度为多少？,例题解答,2025/12/5 周五,【,解,】,据：,设降尘室内颗粒沉降时处于,层流区,（斯托克斯定律区），即：,已知：,d,Pc,410,5,m,P,2400kg,/m,3,1kg,/m,3,210,5,Pa.s,2025/12/5 周五,故假设成立，计算结果有效。,已知,q,Vs,2500kg,/h,L,3m,因此降尘室的宽度为：,2025/12/5 周五,操作型计算,、用,已知尺寸,（,WL,）,的降尘室处理一定量,q,Vs,含尘气体时，计算,可以完全除掉的最小颗粒的尺寸,（临界粒径,d,pc,）,；,2025/12/5 周五,、用,已知尺寸,（,WL,）,的降尘室处理含尘气体时，计算要求,完全除去直径,d,pc,的尘粒时所能处理的气体流量,（最大处理量,q,Vs,）,。,式中：,2025/12/5 周五,【,例,】,有一降尘室,长为,4m,，宽为,2m,，高为,2.5m,，内部用隔板分成,25,层,。进入降尘室的炉气密度为,0.5kg,/m,3,，粘度为,0.035cP,，尘粒密度为,4500kg,/m,3,。现用此降尘室分离,100m,以上的颗粒，试求可处理的,炉气流量,。,例题解答,2025/12/5 周五,【,解,】,设沉降处在斯托克斯区。,依题意知,P,=4500kg/m,3,=0.5kg/m,3,d,PC,=10010,6,m,=0.03510,3,Pa.s,据,而,故假设成立，计算有效。,2025/12/5 周五,据,q,Vs,=A,0,u,tc,WLu,tc,已知,L=4m W=2m,故,每层,可处理的炉气流量为：,q,Vs,=240.7,5.6(m,3,/s),降尘室共有,25,层，则处理的,总炉气流量,为：,（,q,Vs,）,总,5.625,140,（,m,3,/s,）,2025/12/5 周五,（,5,）有关降尘室的几点说明,气体在降尘室内,流通截面上的均布,非常重要，分布不均必然有部分气体在室内,停留时间过短,，其中所含颗粒来不及沉降而被带出室外。为使气体均布，降尘室,进、出口,通常都,做成锥形,；,2025/12/5 周五,降尘室实物图,锥形进、出口,2025/12/5 周五,为防止操作过程中已被除下的尘粒又被气流重新卷起，降尘室的,操作气速往往很低,（,一般不超过,3m/s,）,；,为保证分离效率（临界粒径小），,室底面积也必须较大,。因此，降尘室是一种,庞大而低效的设备,；,通常只能捕获,粒径大于50,m,的粗颗粒。要将更细小的颗粒分离出来，就必须采用,更高效,的除尘设备（如,旋风除尘器,、,电除尘器,等）。,2025/12/5 周五,焙烧炉,降尘室,旋风分离器,电除尘器,泡沫塔,硫铁矿,空气,去转化器,二氧化硫除尘净化工艺流程简图,2025/12/5 周五,3、增稠器（沉降槽、澄清器）,【,定义,】,通过沉降的方法,分离悬浮液,（,液固混合物,）,的设备。,（1）沉降槽的作用,提高悬浮液,浓度（,增稠器,）,；,得到,澄清液体（,澄清器,）,。,（,2,）沉降槽的分类,分为,间歇沉降槽,和,连续沉降槽,。,工业过程中一般采用,连续沉降槽,。,2025/12/5 周五,底部略成锥状的大直径,圆槽,；,直径,小者为数米，大者可达数百米；,高度,为2.54,m,；,槽底有一个徐徐转动的,搅拌耙,，由顶部的电机通过减速机带动。通常小槽耙的,转速,为1,r/min,，大槽的约为0.1,r/min,左右。,（,3,）连续沉降槽的构造,2025/12/5 周五,连续沉降槽结构示意图,2025/12/5 周五,园槽,锥形底部,2025/12/5 周五,料井,转耙,澄清器的内部结构,2025/12/5 周五,澄清器的倒喇叭形料井,【,说明,】,料浆,进入倒喇叭形料井后，,流速减小,，以免将沉降到底部的固体颗粒卷入液相中。,2025/12/5 周五,电机,变速齿轮,进料管,通常小槽耙的,转速,为1,r/min,，大槽的约为0.1,r/min,左右。,2025/12/5 周五,（,3,）沉降槽的工作原理,料浆经,料井,送到液面以下,0,.3,1.0,m,处。迅速分散到整个横截面上；,液体向上流动,，清液经由槽顶端四周的,溢流堰,连续流出，称为,溢流,；,固体颗粒下沉,至底部，槽底的,转耙,将沉渣缓慢地聚拢到底部中央的,排渣口,连续排出。排出的,稠浆称为底流,。,2025/12/5 周五,（,4,）沉降槽的特点,【,优点,】,结构简单，操作连续，处理量大且增稠物的浓度均匀。,【,缺点,】,设备庞大，占地面积大，分离效率底。,【,应用,】,连续沉降槽适用于,处理量大而浓度不高,，且,颗粒不甚细微,的悬浮料浆，如,烧碱生产中的盐水精制过程,就是一例。经过这种设备处理后的,沉渣中还含有约,59%,的液体,。,2025/12/5 周五,（,5,）絮凝剂及其作用,液固混合物的两种类型,【,悬浮液,】,颗粒直径较大，采用各种沉降设备即可分离；,【,溶 胶,】,颗粒直径较小，通常小于,1,m,。,通常情况下难以沉降，须加入,絮凝剂,方可进行分离。,2025/12/5 周五,絮凝剂的作用,【,作用,】,使细小颗粒发生,凝聚,。,【,凝聚,】,胶体颗粒失去稳定性的过程称为,脱稳过程,。脱稳即意味着,液体中原来均匀分散的固体微粒（,溶胶,）结合成了较大的颗粒,，从液体中沉淀下来。这种现象即称为凝聚。,2025/12/5 周五,絮凝剂的种类,凡能,促进溶胶中微粒凝聚的物质,皆可作为絮凝剂，常用的絮凝剂有以下几种：,A.,电解质,：如明矾、三氯化铝等；,B.,高分子化合物,：如聚丙烯酰胺等；,C.,表面活性剂,。,2025/12/5 周五,化盐桶,精制折流槽,澄清槽,原盐,粗盐水,砂滤器,聚丙烯酰胺,盐水生产工艺流程简图,清盐水,至电解槽,化盐水,2025/12/5 周五,