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1、第三章 非均相物系分离 第二节 沉降分离 一、重力沉降原理 1、自由沉降 2、干扰沉降 二、重力沉降分离设备 1、降尘室 2、沉降槽 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 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
2、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 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 一)自由沉降 1）球形颗粒的自由沉降 设颗粒的密度为s，直径为d，流体的密度为， 定义：单个颗粒在无限大流体中的沉降过程。 一、重力沉降原理 重力 浮力 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 ： (a) 颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降
3、后，u Fd ；u u0 时，a=0 。 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度u0 称为沉降速度。 当a=0时，u=u0，代入（a）式 沉降速度表达式 2)阻力系数 通过因次分析法得知，值是颗粒与流体相对运动时 的雷诺数Re0的函数。 对于球形颗粒的曲线，按Re0值大致分为三个区： a) 层流区或斯托克斯(stokes)定律区（10 4Re02） 斯托克斯公式 艾伦公式 c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（500Re0 2105） 牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（2Re0500） 3)影响沉降速度的因素 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
4、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。 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。 颗粒形状的影响 对于球形颗粒，s=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度 s值愈低。 对于非球形颗粒，雷诺准数Re0中的直径要用当量直径de代替 颗粒的球形度愈小，对应于同一Re0值的阻力系数愈大 但s值对的影响在层流区并不显著，随着Re0的增大，这种影 响变大。 球形度 与物体相同体积的球体的表面积和物体的表 面积的比 4)常用沉降速度的计算 试差法 假设沉降属于层流
5、区 方法： u0 Re0 Re02 u0为所求 Re02 艾伦公式 求u0 判断 公式适 用为止 例：试计算直径为30m，密度为2000kg/m3的固体颗粒在空 气中做自由沉降时的沉降速度。空气的密度为1.2kg/m3，黏 度为0.0185mPas 解：用试差法计算 分析：先假设颗粒在滞流区内沉降 ， 由已知条件：空气的密度为1.2kg/m3，黏度为0.0185mPas 核算流型 若原假设滞流区正确，求得的沉降 速度有效。 例 颗粒大小的确定 已测得密度为 =1630kg/m3的塑料珠在20 的CCl4液体中的沉降速度为1.710-3m/s， 200C时CCl4的密度 =1590kg/m3，黏
6、度为 =1.0310-3Pas，求此塑料珠的直径。 二、干扰沉降 颗粒之间距离很小的沉降称为干扰沉降。 干扰沉降的速度可用自由沉降速度的计算方法计 算，但要根据颗粒浓度对所用的流体密度及黏度进 行校正。 用上述方法计算干扰沉降的速度比自由沉降要小 一）降尘室 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u0 作沉降运动 二、重力沉降分离设备 颗粒在降尘室的停留时间 颗粒沉降到室底所需的时间 为了满足除尘要求 降尘室使颗粒沉降的条件 降尘室的生产能力 说明 含尘气体的最大处理量与某一粒径对应的，
7、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； 完全被分离出的最小颗粒直径 说明 最大的气体处理量还与降尘室底面积和颗粒的沉降速度 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若干层，称为多层降尘室。隔板 的间距应考虑出灰的方便。 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。 例3-3 降尘室高2m，宽2m，长5m，用
8、于矿石焙烧炉炉 气的除尘。操作条件下气体的流量为25000m3/h，密度为 0.6kg/m3，黏度为0.03mPas。试求： 1）能完全除去的氧化铁灰尘（密度为4500kg/m3）的最小 直径； 2）粒径为60微米的氧化铁灰尘被除去的百分数； 3）若将上述降尘室用隔板分隔成2层（不考虑隔板的厚度 ），如需完全除去的尘粒直径相同，则含尘气体的处理量 为多大？反之，若生产能力相同，则完全除去的尘粒的最 小颗粒直径为多大？ 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=0.5kg/m3，粘度=3.410-5Pa.
9、s，固体密度 S=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，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40m的颗粒的回收百分率； 4. 欲使粒径为10m的颗粒完全分离下来，需在降尘室内设置 几层水平隔板？ 解：1）降尘室的总高度H 2）理论上能完全除去的最小颗粒尺寸 用试差法由u0求dmin。 假设沉降在斯托克斯区 核算沉降流型 原假设正确 3、粒径为40m的颗粒的回收百分率 粒径为40m的颗粒定在层流区 ，其沉降速度 气体通过降沉室的时间为： 直径为40m的颗粒在12s内的沉降高度为： 假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则
10、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40m的颗粒被回收的百分率为： 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10m的颗粒的沉降必在层流区， 取33层 板间距为 补充说明： 为使气体分布均匀，降尘室进出口通常都做成锥形； 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； 为保证分离效率，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 获大于100微米的粗颗粒。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。 例
11、：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。 二）分级器 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。 水力分级器 三）沉降槽 从悬浮液中分离出清液而留下稠厚沉渣的重 力沉降设备称为沉降槽。 颗粒在重力或离心力场中都可发生沉降过程 。利用离心力比利用重力要有效得多，因为颗粒 的离心力由旋转而产生，转速越大，则离心力越 大；而颗粒所受的重力却是固定的。 因此，利用离心力作用的分离设备不仅可以 分离出比较小的颗粒，而且设备的体积也可缩小 很多。 三、离心沉降原理 旋风分离器 优点：构造简单，分离因数较高； 离心分离因数指粒子所在位置上的惯性 离心力场强度与重力场强度之比。 缺点：对气流的阻力较大，处理有磨蚀 性的颗粒时易被磨损。 一般分离气体中直径5微米以上的粒子。 四、离心沉降分离设备
