概述重力沉降.ppt
第5章 沉降与过滤,主要内容：本章着重介绍沉降的基本原理及相关的计算、有关设备的结构特点及设计计算；结合过滤在工业上的多方面应用，本章还介绍了过滤操作的特点及其相关计算，以及典型的过滤设备。重点内容：重力沉降的基本原理，重力沉降速度的定义及其计算，降尘室的工艺计算；离心沉降的基本原理，离心沉降速度及其计算，旋风分离器的特点及计算；过滤的基本原理，过滤的基本方程式及恒压、恒速计算。,第一节 概述,化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多，概括有以下三方面：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。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。,混合物分为两类，即均相混合物（物系内部各处均匀且无相界面，如：石油、空气）和非均相混合物。非均相混合物包括：固体颗粒的混合物（颗粒间为气体分隔）、由固体颗粒与液体构成的悬浮液、由不互溶液体构成的乳浊液、由固体颗粒（或液滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）等。悬浮液（固-液混合物）:过滤 乳浊液（液-液混合物）:离心分离 含尘气体、含雾气体（气-液、气-固混合物）:沉降 固、固分离:筛分、分级沉降,在非均相混合物中，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）称为分散相或分散物质，包围着分散物质而处于连续状态的流体称为连续相或分散介质。悬浮在空气中的粉尘：分散相粉尘 连续相空气由于分散相和连续相具有不同的物理性质（如：尺寸不同、密度不同），可用机械方法分离。例如：气体中所含的灰尘可以用重力、离心力或在电场中将其除去，悬浮液可以通过过滤的方式分离成液体和滤渣两部分，大小不等及密度不同的颗粒构成的混合物可以用分级沉降的方法分开，大小不同的颗粒用筛子亦可分开。,一、非均相物系的分离,在流体与颗粒组成的非均相物系中，考察流体(连续相)与颗粒间（分散相）的相对运动。三种情况：颗粒静止，流体对其绕流；流体静止，颗粒作沉降运动；两者都动但具有一定的相对速度。可假设颗粒静止，流体以一定的速度对之作绕流；或流体静止，颗粒在流体中运动，分析流体对颗粒的作用力。,流体绕过颗粒的流动分析 曳力与阻力的关系？当流体以一定速度绕过颗粒流动时，流体与颗粒之间产生一对大小相等、方向相反的作用力，将流体作用于颗粒上的力称为曳力，而将颗粒作用于流体上的力称为阻力。,二、流体与颗粒间的相对运动,图为流体流过固体时，固体表面的受力情况。一般，总曳力由形体曳力和表面曳力两部分组成。工程上大都将形体曳力和表面曳力合在一起，即研究总曳力。,形体曳力和表面曳力的影响因素各是什么？答：组成总曳力的两部分力中，为压力改变所导致的曳力，主要取决于颗粒的形状和位向，称为形体曳力；而 则是由于流体和颗粒表面的摩擦所导致的曳力，主要由颗粒表面积的大小决定，称为表面曳力。,工程上大都将形体曳力和表面曳力合在一起，即研究总曳力（总曳力FD与流体的、u有关），经因次分析用下式表示：Ap：颗粒在运动方向的投影面积；：曳力系数，无因次,曳力系数流体沿一定方位绕过形状一定的颗粒时，影响曳力的因素可表示为：FD=F(l、u)其中 l为颗粒的特征尺寸，对于光滑球体，l 即为颗粒的直径dp。应用因次分析可以得出关系式：,随着Rep增大，球面上边界层脱体，形成尾流（旋涡），形体曳力增大，见图aRep500，形体曳力为主，=0.44，曳力与流速平方成正比Rep2105 尾流区收缩，由0.44突降至0.1左右，见图b,第二节 重力沉降 目的：从含有固体颗粒的流体中将固体和液体分离开基本原理：利用流体和颗粒之间的密度差，在地球引力的作用下使颗粒与流体之间产生相对运动，从而实现两者的分离。沉降的分类：重力沉降和离心沉降。一、重力沉降速度的计算(1)单个球形颗粒的自由沉降 单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散较好而颗粒互不接触、互不碰撞的条件下沉降，称为沉降速度。,颗粒在流体中的流动在力场中，流体中的颗粒受到三个力的作用：(1)质量力,通常为重力。其大小可表示为：重力场Fg=mg 球形颗粒 m=dp3p/6(2)浮力Fb，依阿基米德定律，浮力在数值上等于同体积流体在力场中所受的场力，故 重力场 Fb=mg/P(3)曳力FD,颗粒在力场中的运动过程可分为几个阶段？分为两个阶段：加速段和恒速段。随着颗粒运动速度的增大，颗粒所受的曳力也不断增大，必存在某一时刻使颗粒所受的诸力之和为零，从此时起，颗粒将在流体中作匀速运动，这时颗粒的运动速度称为终端速度。,stokes区:（1）utd2 说明同一物系，大颗粒易沉降；（2）ut1/在同一物系，不同的操作条件（t不同）气-固 tut 液-固 tut 所以：高温对气-固分离不利，对液-固分离有利。（3）ut（p-）流体的密度对分离影响不大。,采用试差法：,假设流型,选择公式,计算,计算,验算,（2）计算颗粒的沉降速度,检验Re值是否在假设的流型区域，如果计算的Re值不在，则应另选用其它区域的计算式求ut。符合于所用计算式的流型范围为止。,例一直径为0.1mm、密度为2200kg/m3的玻璃球在20的水中沉 降，试求其沉降速度。解：先假设流型层于层流区，ut=6.5410-3m/s校核流型Re=1.442故属于层流区，与假设相符。当已知沉降速度，求颗粒直径时，也需要用类似的试差法计算,（3）影响沉降速度的其他因素 A)非球形颗粒的自由沉降球形度影响颗粒的沉降速度。当Rep相同时，颗粒的球形度越小，其沉降速度也越小。B)大小不均匀颗粒的沉降为使颗粒与流体达到规定分离程度，在计算沉降速度时，应以能够达到规定分离程度的最小颗粒的沉降速度为准。C)影响沉降速度的其他因素主要要考虑端效应和壁效应、颗粒浓度（干扰沉降）、气泡和液滴及分子运动的影响。,干扰沉降 当流体中颗粒的含量较大时，颗粒沉降时彼此影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降时一方面由于大量颗粒向下沉降而使流体被置换而产生显著的向上运动，造成颗粒沉降速度小于自由沉降速度，另一方面，大量颗粒的存在，也使流体的表观密度和表观粘度（即混合物的密度和粘度）都增大，所有这些因素都使颗粒的沉降速度减小。壁效应和端效应当颗粒直径与容器直径D相比不算太小时，容器壁面会对颗粒的沉降产生影响，使其受到较大的曳力。一般dp/D 0.01时，就显出器壁的影响，使沉降速度减小。流体分子运动的影响当颗粒直径小到可与流体分子的平均自由程相比拟时（如23m以下），颗粒作不定向和随机性运动，它们可穿过流体分子的间隙，使沉降速度大于斯托克斯定律计算的数值。另一方面，细颗粒的沉降将受流体分子碰撞的影响，当颗粒直径小于0.1m时，布朗运动的影响起主要作用，难以用重力沉降法除去流体中的颗粒。,气泡和液滴的运动 液滴与气泡在流动中会变形和产生内部循环流动。它们在流动时受到形体曳力的作用而有压扁的趋向，而表面张力的存在则有会使其保持球形状。当颗粒尺寸较小（如小于0.5mm左右）时，由于单位体积的表面能很大，几乎保持球形，则可用前述计算公式来求沉降或浮升速度；当颗粒尺寸较大时，由于液滴或气泡在曳力作用下的变形及其内部的流体产生循环运动的影响，都将影响到曳力系数和沉降速度，因此，就与刚性的固体颗粒有所不同，前述公式不再适用，应该参阅有关资料来考虑。,重力沉降设备（降尘室；沉降槽）基本特征：体积大。利用重力沉降分离气固非均相混合物时，称为降尘室，分离液固非均相混合物时，称为沉降槽。1.降尘室 作用：分离气体中尘粒的重力沉降设备。操作：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来，否则将被气体带出。,二、重力沉降设备,这是一个大空箱，含尘气体从一端进入，以流速u水平通过降尘室，尘埃以自由沉降速度ut 向室底沉降，只要能保证气体在室内停留时间足够长，以便颗粒达到室底面，便能在出口得到净化的气体。,假设降尘室的底面积和高分别用A、H表示。气体在降尘室的水平通过速度为u,m/s 降尘室的生产能力(含尘气体在室内的体积流量)为qV,m3/s 任一颗粒在室内的停留时间为：r=AH/qV 位于降尘室最高点颗粒沉到室底所需时间：t=H/ut 颗粒在降尘室中能被分离下来的条件为：沉降条件 r t 或 AH/qV H/ut 或qVA ut,为什么降尘室多做成扁平状？理论上降尘室的生产能力只与降尘室的长度、宽度及沉降速度ut有关，与降尘室高度无关。因此不必将设备做得太高。所以降尘室一般采用扁平的几何形状，也可在室内加多层隔板，形成多层降尘室。常用的隔板间距为40-100mm,qV=(n+1)A底 ut n为隔板数解题时，由qV、A底可求出能分离的最小颗粒直径dmin,降尘室特点：结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，一般作预除尘用,适用于除去粒度50m的粗颗粒。,注意：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。b.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诺数处于层流区，防止将已沉降下来的颗粒重新卷起。一般降尘室内气体速度应不大于3m/s，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（如淀粉、炭黑等），气体速度应低于1m/s。,2、沉降槽：利用重力沉降分离悬浮液的设备称为沉降槽。沉降槽通 常只能用于分离出不很细的颗粒，得到的是清液与含50%左右固体颗粒的增稠液，所以这种设备也称为增稠器。,增稠器有澄清液体和增稠悬浮液的的双重功能，清夜产率取决于增稠器的直径，颗粒的停留时间取决于进口管以下增稠器的深度,连续式沉降槽的结构及操作：沉降槽有间歇式和连续式两类，连续式沉降槽是一个大直径的浅槽，料浆由位于中央且伸入液面下的圆筒进料口送至液面以下，经一水平挡板折流后沿径向扩展，使速度减缓。随着颗粒的沉降，液体缓慢向上流动，经溢流堰流出得到清液。颗粒则向下沉至底部形成沉淀层，由缓慢转动的耙将其排出。沉降槽一般用于大流量、低浓度悬浮液的处理（如污水处理）。沉降槽中颗粒的沉降可分两个阶段第一阶段在沉降槽的上部，在此区域内，颗粒浓度较低，可近似按自由沉降处理，第二阶段处于沉降槽的下部，随着颗粒浓度的增大，颗粒浓度的影响以及颗粒对流体性质的影响明显加大，属于干扰沉降。,思考：(1)一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律沉降，若空气温度由升至，则其沉降速度将_。(2)在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间_，气流速度_，生产能力_。(3)在滞流(层流)区，颗粒的沉降速度与颗粒直径_次方成正比；在湍流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的_次方成正比。(4)重力沉降速度随着颗粒直径的增加而_。(5)同一粒子在水中呈层流沉降，则在空气中必也是层流沉降_；(6)在长为m，高为m的降尘室中，颗粒的沉降速度为ut m/s，气体通过降尘室的水平流速为u m/s，则颗粒能(7)在降尘室内分离的条件是：_。（8）若降尘室高度增大，则沉降时间，气流速度，生产能力。（增加、下降、不变）,
