第一節(jié)沉降分離原理及設(shè)備2023/6/3第一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一一：學習要求應重點掌握沉降、過濾過程的基本原理、計算方法、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性，并且能根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，合理選擇設(shè)備二：應重點掌握的內(nèi)容

1：應用流體力學原理分析顆粒相對于流體以及流體相對于顆粒床層的流動規(guī)律。2：沉降（重力、離心沉降）過程的基本原理、2023/6/3第二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一影響因素分析及強化措施，降塵室的設(shè)計，旋風分離器的選型。3：過濾操作的原理，影響因素分析及強化措施，恒壓過濾及其生產(chǎn)能力的計算、過濾常數(shù)的測定。三：學習方法

本章運用流體力學原理解決實際生產(chǎn)中的沉降、過濾和流態(tài)化問題。學習時要注意學會如何對復雜的工程問題進行簡化，使之變成用理論可以解決的問題。2023/6/3第三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一第三章

非均相物系分離及固體流態(tài)化一：顆粒相對于流體的流動二：重力沉降三：離心沉降

第一節(jié)

沉降分離原理及設(shè)備2023/6/3第四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一混合物均相混合物

非均相混合物

不存在相界面的混合物系。例如：互溶溶液及混合氣體存在相界面的混合物系。例如：懸浮液及含塵氣體2023/6/3第五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一非均相混合物分散相分散(物)質(zhì)

連續(xù)相分散(相)介質(zhì)

處于分散狀態(tài)的物質(zhì)如：包圍著分散相物質(zhì)且處于連續(xù)狀態(tài)的流體如：2023/6/3第六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一2023/6/3第七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一非均相混和物分離的應用：（1）收集分散物質(zhì)：回收催化劑顆粒。（2）凈化分散介質(zhì)：原油脫水。（3）環(huán)境保護：煙氣除塵。2023/6/3第八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分離機械分離沉降

過濾

連續(xù)相與分散相不同的物理性質(zhì)

發(fā)生相對運動的方式2023/6/3第九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一沉降：在力場中利用分散相和連續(xù)相之間的密度差異，使之發(fā)生相對運動而實現(xiàn)分離的操作過程。

作用力

重力沉降離心力沉降

是否受干擾自由沉降干擾沉降2023/6/3第十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一一：顆粒相對于流體的運動1：單顆粒的特性參數(shù)（形狀、大小、比表面積）球形顆粒非球形顆粒球形顆?！絛體積表面積比表面積球形顆粒的各有關(guān)特性均可用單一的參數(shù)表示2023/6/3第十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一①：顆粒的球形度Φs：顆粒形狀與球形的差異程度非球形顆粒球形顆粒Φs=1非球形顆粒Φs＜1；Φs

↑，則顆粒越接近于球形②：顆粒的當量直徑：體積當量直徑de比表面積當量直徑da2023/6/3第十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一A：體積當量直徑deB：比表面積當量直徑da與該顆粒體積相等的球體的直徑與該顆粒比表面積相等的球體的直徑③：顆粒的體積、表面積、比表面積：非球形顆粒必須有兩個參數(shù)才能確定其特征2023/6/3第十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一1）：固體球形顆粒在靜止流體中的受力分析重力↓浮力↑阻力（曳力）↑2：顆粒的自由沉降2023/6/3第十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一重力2023/6/3第十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一浮力2023/6/3第十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一阻力（曳力）2023/6/3第十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一合力2023/6/3第十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一2）：顆粒的運動情況開始沉降的瞬間，u=0，F(xiàn)d=0，a→max

；開始沉降后，u↑→Fd

↑（加速，但a逐漸減小）——加速階段（加速階段很短，在整個沉降過程中可忽略）a=0時，u→ut

（max)——勻速階段2023/6/3第十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一勻速階段中顆粒相對于流體的運動速度ut

稱為沉降速度?！杂沙两邓俣缺磉_式思考：沉降速度的方向和什么因素有關(guān)ρ、ρs的相對大小決定了初始加速度的方向，即沉降速度的方向3）：自由沉降速度2023/6/3第二十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一3：阻力系數(shù)（曳力系數(shù)）ξ因次分析知其關(guān)系見圖。2023/6/3第二十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一d——顆粒的粒徑；ρ、μ——流體的密度、黏度ut——顆粒和流體間的相對運動（三種情況）速度對于球形顆粒，按Ret值大致分為三個區(qū)：1)：滯流區(qū)或斯托克斯(stokes)定律區(qū)（10-4＜Ret<1）

；無形體阻力，只有表面阻力阻力和沉降速度的一次方成正比2023/6/3第二十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一——斯托克斯公式2）：過渡區(qū)或艾倫定律區(qū)（Allen）（1＜Ret<103）；形體阻力和表面阻力均不可忽略——艾倫公式阻力和沉降速度的1.4次方成正比2023/6/3第二十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一——牛頓公式阻力和沉降速度的二次方成正比3）：湍流區(qū)或牛頓定律區(qū)（Nuton）（103＜Ret＜2×105）

；只有形體阻力，無表面阻力3：影響沉降速度的因素1）：顆粒直徑

其它條件相同時，小顆粒后沉降。2023/6/3第二十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一其它條件相同時，密度大的顆粒先沉降。其它條件相同時，顆粒在空氣較在水中易沉降。2）：流體密度

3）：顆粒密度

4）：顆粒的體積濃度上述各種沉降速度關(guān)系式中，當顆粒的體積濃度小于0.2%時，理論計算值的偏差在1%以內(nèi)，但當顆粒濃度較高時，便發(fā)生干擾沉降，自由沉降的公式不再適用。2023/6/3第二十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一5）：器壁效應當器壁尺寸遠遠大于顆粒尺寸時，（例如在100倍以上）容器效應可忽略，否則需加以考慮。

6）：顆粒形狀的影響

球形度2023/6/3第二十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一對于非球形顆粒，雷諾準數(shù)Ret中的直徑要用體積當量直徑de代替。顆粒的φs愈小，對應于同一Ret值的阻力系數(shù)ξ愈大（思考：？）；但φs值對ξ的影響在滯流區(qū)并不顯著（思考：？），隨著Ret的增大，這種影響變大（思考：？）。2023/6/3第二十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一二：重力沉降1：沉降速度的計算假設(shè)沉降屬于層流區(qū)

Ret＜1

ut為所求Ret＞1艾倫公式求ut判斷流型公式適用為止1）：沉降速度的計算——試差法2023/6/3第二十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一2）：沉降速度的計算——摩擦數(shù)群法A：已知顆粒直徑求沉降速度使等式的一邊消去ut沉降體系一定數(shù)群ξRet2只和粒徑有關(guān)2023/6/3第二十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一令因ξ是Ret的函數(shù)，ξRet2必然也是Ret的函數(shù)，ξ～Ret曲線便可轉(zhuǎn)化成ξRet2～Ret

曲線?！两刁w系一定k只和粒徑有關(guān)沉降體系一定ξRet2和粒徑一一對應計算ut時，先由已知數(shù)據(jù)算出ξRet2的值，再由ξRet2——Ret曲線查得Ret值，最后由Ret反算ut2023/6/3第三十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一圖3-3ξRet2----RetξRet–1---Ret的關(guān)系曲線P1372023/6/3第三十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一B：已知沉降速度求顆粒直徑使等式的一邊消去d沉降體系一定，數(shù)群ξRet-1只和沉降速度一一對應ξRet-1～Ret關(guān)系繪成曲線，由ξRet-1值查得Ret的值，再根據(jù)沉降速度ut的值計算d。2023/6/3第三十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一————無因次數(shù)群K也可以判別流型滯流區(qū)沉降速度3）：沉降速度的計算——無因次判據(jù)法令——沉降體系一定k只和粒徑有關(guān)2023/6/3第三十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一當Ret=1時，K=2.62，即滯流區(qū)的上限同理，可得湍流區(qū)的下限是，K=69.1——斯托克斯公式——艾倫公式

——牛頓公式可根據(jù)K值選用相應的公式計算ut，避免用試差法2023/6/3第三十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一例3-1：直徑為80μm，密度為3000kg/m3的球球形顆粒在25℃的水中自由沉降；①：計算其沉降速度？②：如密度為1600kg/m3的球球形顆粒在25℃的水中以相同速度自由沉降，顆粒的直徑應是多少？25℃水ρ=996.9kg/m3，μ=0.8973×10-3Pas分析①三種方法均可計算ut，無因此判據(jù)法簡便計算無因次數(shù)群K值，判別顆粒沉降的流型

2023/6/3第三十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一沉降在層流區(qū)。用斯托克斯公式計算沉降速度。

分析②知ut，求粒徑用無因次數(shù)群法2023/6/3第三十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一球形顆粒Φs=1查得由2：重力沉降設(shè)備1）：降塵室集塵斗氣體入口氣體出口降塵室入口截面：矩形①：降塵室結(jié)構(gòu)及工作原理2023/6/3第三十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一含塵氣體凈化氣體顆粒降塵室操作示意圖隨氣體的水平流速u降塵室底面積（沉降面積）：含塵氣體積流量（生產(chǎn)能力）：含塵氣流通截面積：顆粒運動速度分解：顆粒沉降速度ut2023/6/3第三十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一含塵氣體凈化氣體顆粒的停留時間②：顆粒分離(沉降)條件顆粒的沉降時間③：生產(chǎn)能力：由底面積、沉降速度決定，與降塵室高度無關(guān)；多用扁平形狀或多層降塵室(層高40-100mm)2023/6/3第三十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一多層降沉室清潔氣流含塵氣流擋板隔板如降塵室設(shè)置n層水平隔板，則多層降塵室的生產(chǎn)能力變?yōu)闅怏w速度的選?。?/p>

說明：設(shè)計時，以所需分離的最小顆粒為基準2023/6/3第四十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一例3－2：用降塵室回收20℃空氣中所含的球形固體顆粒?？諝獾牧髁繛?m3/s，降塵室底面積為10m2，寬和高均為2m。已知固體的密度為1800kg/m3，20℃空氣ρ=1.205kg/m3，μ=1.81×10-5Pa.s；。求：（1）理論上能完全除去的最小顆粒直徑？（2）粒徑為40m的顆粒的回收百分率？（3）在原降塵室內(nèi)設(shè)置20層水平隔板后，可分離的最小顆粒直徑？；（4）如欲完全回收直徑為10m的塵粒，在原降塵室內(nèi)需設(shè)置多少層水平隔板？2023/6/3第四十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分析①求理論上能完全除去的最小顆粒直徑？而顆粒的粒徑和沉降速度是一一對應的求出能分離下來的最小沉降速度即可。能分離下來的最小沉降速度可求。此題即成為已知沉降速度求粒徑的問題，可解略計算結(jié)果：2023/6/3第四十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分析②粒徑為40m的顆粒的回收百分率？如顆粒在空氣中分布均勻，即在停留時間內(nèi)，其沉降距離，和降塵室高度之比既是其回收的百分率。此題即成為已知粒徑求沉降速度的問題，可解，略另分析：各粒徑顆粒的停留時間同，其回收率等于能回收的dmin的utmin和該粒徑的ut之比。在滯流區(qū)可解，略2023/6/3第四十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分析③在原降塵室內(nèi)設(shè)置20層水平隔板后，可分離的最小顆粒直徑設(shè)置隔板后：設(shè)置隔板前：設(shè)置隔板前、后，生產(chǎn)能力不變可解，略分析④：略2023/6/3第四十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一2）：沉降槽（增濃器）沉降槽利用重力沉降來提高懸浮液濃度或得到澄清液體的設(shè)備。加料分散自由沉降（清液）干擾沉降（增濃）沉降槽具有澄清液體和增濃懸浮液的雙重功能2023/6/3第四十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一3）：分級沉降（分級器）利用不同粒徑或不同密度的顆粒在流體中的沉降速度不同這一原理來實現(xiàn)它們分離的設(shè)備稱為分級器。沉降速度不同（原因?）的顆粒在向上流動的水流中，將水的速度調(diào)整到適當，沉降速度小于水流速度的那部分顆粒便被漂走分出重力沉降分級器2023/6/3第四十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一雙錐分級器混合粒子由上部加入，水經(jīng)可調(diào)錐與外壁的環(huán)形間隙向上流過。沉降速度大于水在環(huán)隙處上升流速的顆粒進入底流，而沉降速度小于該流速的顆粒則被溢流帶出。雙錐分級器2023/6/3第四十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一例題3-3：利用雙錐分級器對方鉛礦與石英兩種粒子混合物分離。已知：粒子形狀：球形。粒子尺寸：直徑為0.08~0.7mm。方鉛礦密度ρs1=7500kg/m3石英密度：ρs2=2650kg/m3。20℃水的密度ρ=996.9kg/m3，粘度μ=0.8973×10-3Pa·s假定粒子在上升水流中作自由沉降，試求：1）欲得純方鉛礦粒，水的上升流速至少應取多少m/s？（在塔設(shè)計時需計算極限空塔氣速，依據(jù)即在此?。?）所得純方鉛礦粒的尺寸范圍。2023/6/3第四十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分析①水的上升流速：為了得到純方鉛礦粒，應使全部石英粒子被溢流帶出(即相對速度為零)思考：按最大石英粒子還是最小石英粒子的自由沉降速度決定水的上升流速？此題即成為已知粒徑求沉降速度的問題，可解略分析②所得純方鉛礦的尺寸范圍：即能分離下來的最小粒徑問題此題即成為已知沉降速度求粒徑的問題，可解略2023/6/3第四十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一三：離心沉降：慣性離心力作用下實現(xiàn)的沉降適于分離兩相密度差較小，顆粒粒度較細的非均相物系。慣性離心力場與重力場的區(qū)別重力場離心力場方向力場強度作用力

重力加速度gut2/R

指向地心

沿旋轉(zhuǎn)半徑從中心指向外周Fg=mg

2023/6/3第五十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一2023/6/3第五十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一1：慣性離心力作用下的沉降速度1）：離心沉降速度慣性離心力=向心力=阻力=

平衡時：2023/6/3第五十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一

平衡時顆粒在徑向上相對于流體的運動速度ur便是此位置上的離心沉降速度。2）：離心沉降速度與重力沉降速度的比較表達式：重力沉降速度公式中的重力加速度改為離心加速度數(shù)值：重力沉降速度為定值（方向向下？、上？）離心沉降速度的大小隨顆粒在離心力場中的位置而變（方向沿半徑向外）。2023/6/3第五十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一阻力系數(shù)：層流時同重力沉降同重力沉降過渡流、湍流時阻力系數(shù)或沉降速度類似重力沉降，只需把場強度由g更換ut2/R即可。略3）：離心分離因數(shù)——衡量離心分離性能的參數(shù)同一顆粒在同一體系中所受離心力與重力之比2023/6/3第五十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一2：離心沉降設(shè)備①：主要組成:進氣管、外圓筒；內(nèi)圓筒；錐形筒標準旋風分離器是以D為參數(shù)，其他尺寸都與D成一定比例。1）：旋風分離器2023/6/3第五十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一②：工作原理外圓筒內(nèi)圓筒錐形筒切向入口關(guān)風器(防止空氣進入)含塵氣體固相凈化氣體外螺旋內(nèi)螺旋含塵氣體從切向入口進入。氣體受器壁約束，由上向下作外螺旋運動。顆粒被拋向器壁，氣固得以分離。分離器軸線附近區(qū)域，形成一低壓氣芯。在圓錐的底部附近，氣流由下向上做內(nèi)螺旋運動，經(jīng)上部出口管排出。固相沿內(nèi)壁落入灰斗2023/6/3第五十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一③：旋風分離器的主要性能

旋風分離器性能參數(shù)主要有氣體處理量，臨界粒徑、分離效率和氣體通過旋風分離器的壓力降Ⅰ：氣體處理量：旋風分離器的處理量由入口的氣速決定，入口氣體流量是旋風分離器最主要的操作參數(shù)。一般入口氣速ui在15～25m/s。旋風分離器的處理量

2023/6/3第五十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一Ⅱ：臨界粒徑dc：能夠分離出的最小顆粒直徑簡化條件（假設(shè)條件）：a）：顆粒與氣體在器內(nèi)等速運動，均為進口氣速b）：最大沉降距離是旋風分離器進氣口寬度Bc）：顆粒沉降處于stokes區(qū)沉降時間：

2023/6/3第五十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一設(shè)：氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)Nc，（一般取：3～5）則氣流運行距離氣體停留時間：

顆粒分離條件：即臨界粒徑隨分離器尺寸的增大而增大（和沉降距離有關(guān)區(qū)別重力沉降）；氣體處理量較大時可采取多個較小尺寸的分離器并聯(lián)操作。2023/6/3第五十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一Ⅲ：分離效率：ⅰ：總效率ⅱ：分級效率（粒級效率）兩者關(guān)系：2023/6/3第六十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一按假設(shè)情況：實際情況：A：離器壁近B：粒子聚結(jié)A：渦流B：重新?lián)P起2023/6/3第六十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分級效率曲線0102030405020406080100粒徑

di/μm分級效率ηi/%101.00.1粒徑比

di/d50分級效率ηi/%204060100標準旋風分離器的ηi與di/d50曲線2023/6/3第六十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一Ⅳ：壓力降（阻力）：是旋風分離器的經(jīng)濟指標對型式不同或尺寸比例不同的設(shè)備ξ的值也不同，要通過實驗測定，對于標準旋風分離器ξc=8.0（和尺寸無關(guān)）。旋風分離器的壓降一般在300～2000Pa內(nèi)。2023/6/3第六十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一

例3-4：用標準旋風分離器凈化含塵氣體，已知固體密度為1100kg/m3，氣體密度為1.2kg/m3，粘度為1.8×10-5Pa.s，流量為0.40m3/s，允許壓降2000Pa，試估算采用以下個方案時設(shè)備的臨界粒徑？①：一臺旋風分離器②：四臺相同的旋風分離器串聯(lián)③：四臺相同的旋風分離器并聯(lián)分析①：求臨界粒徑B=?ui=?2023/6/3第六十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一可求標準旋風分離器的尺寸都與D成一定比例。D可求→B可求分析②：四臺串聯(lián)時，每臺允許的壓降為總壓降的1/4，流量等于總流量，故尺寸和進口氣速均發(fā)生變化2023/6/3第六十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一分析③：四臺并聯(lián)時，每臺允許的壓降等于總壓降，流量等于總流量的1/4，故尺寸發(fā)生變化，但進口氣速不變。計算結(jié)果①：一臺dc=6.74μm；D=0.3960m②：四臺串聯(lián)dc=11.3μm;D=0.5598m③：四臺并聯(lián)dc=4.77μm;D=0.1980m說明：在處理量和壓降相同的條件下，若干小直徑分離器并聯(lián)運行，要比使用一個大直徑分離器要好的多2023/6/3第六十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一④：旋風分離器的類型Ⅰ：進口方式切線進口：結(jié)構(gòu)簡單，較常用旋風分離器切向進口B螺旋面進口：結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)計制造不方便軸向進口：常用于多管式旋風分離器2023/6/3第六十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一Ⅱ：常用形式標準型、CLT/A型、CLP型、擴散式等。標準型：結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、處理量大；適用于捕集密度大且顆粒尺寸大的粉塵。標準型旋風分離器2023/6/3第六十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一CLT/A型傾斜螺旋面進口，減小渦流影響。氣流阻力系數(shù)較低，ξ=5～5.5XLP/B型帶有旁室結(jié)構(gòu)，蝸殼式進氣口，可聚結(jié)被上旋流帶到頂部的細粒。ξ=4.8～5.82023/6/3第六十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一擴散型結(jié)構(gòu)上小下大，下設(shè)擋灰盤，可有效防止已沉降的細粒被重新卷起。2023/6/3第七十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一⑤：旋風分離器的選用a)根據(jù)具體情況選擇合適的型式，選型時應在高效率與低阻力者之間作權(quán)衡，一般長、徑比大且出入口截面小的設(shè)備效率高且阻力大，反之，阻力小效率低b)根據(jù)允許的壓降確定氣體在入口的流速ui

c)根據(jù)分離效率或除塵要求，求出臨界粒徑dC

d)根據(jù)ui和dc計算旋風分離器的直徑De)根據(jù)ui與D計算旋風分離器的處理量，再根據(jù)氣體流量確定旋風分離器的數(shù)目。f)校核分離效率與壓力降

2023/6/3第七十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期一

例：氣體中所含塵粒的密度為2000kg/m3，氣體的流量為5500標m3/h，溫度為500℃，密度為0.43kg/m3，粘度為3.6×10-5Pa.s，擬采用標準形式的旋風分離器進行除塵，要求分離效率不低于90%，且知相應的臨界粒徑不大于10μm，要求壓降不超過700Pa，試決定旋風分離器的尺寸與個數(shù)。

解