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1、第三章 非均相物系分离 通过本章学习，掌握沉降和过滤过程的原理、计算方法、典型设备的结构特性，能够根据生产工艺的要求，合理选择设备。学习目的与要求2024/9/14第三章第三章 非均相物系分离非均相物系分离一、沉降速度一、沉降速度1、球形颗粒的自由沉降、球形颗粒的自由沉降2、阻力系数、阻力系数3、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素4、沉降速度的计算、沉降速度的计算5、分级沉降、分级沉降二、降尘室二、降尘室1、降尘室的结构、降尘室的结构2、降尘室的生产能力、降尘室的生产能力第一节第一节 重力沉降重力沉降2024/9/14混合物混合物 均相混合物均相混合物 非均相混合物非均相混合物 物物系系内
2、内部部各各处物物料料性性质均均匀匀而而且且不不存在相界面存在相界面的混合物。的混合物。例如：互溶溶液及混合气体例如：互溶溶液及混合气体物物系系内内部部有有隔隔开开两两相相的的界界面面存存在在且且界界面面两两侧的的物物料料性性质截截然然不不同同的的混混合物。合物。例如例如固固体体颗粒和气体构成的含粒和气体构成的含尘气体气体固体固体颗粒和粒和液体构成的液体构成的悬浮液浮液 不不互溶液体构成的乳互溶液体构成的乳浊液液 液体液体颗粒和气体构成的含粒和气体构成的含雾气体气体2024/9/14非均相物系非均相物系分散相分散相 ( (分散物分散物质) ) 处于分散状于分散状态的物的物质 如如：分分散散于于流
3、流体体中中的的固固体体颗粒粒、液滴或气泡液滴或气泡 连续相相( (分散相介分散相介质) ) 包包围着着分分散散相相物物质且且处于于连续状状态的流体的流体 如：气如：气态非均相物系中的气体非均相物系中的气体 液液态非均相物系中的非均相物系中的连续液体液体 分离分离机械机械分离分离 沉降沉降 过滤 不同的物理性不同的物理性质 连续相与分散相相与分散相发生相生相对运运动的方式的方式 分散相和分散相和连续相相 2024/9/14 一、重力沉降一、重力沉降 沉降沉降 在在某某种种力力场中中利利用用分分散散相相和和连续相相之之间的的密密度度差差异异，使之使之发生相生相对运运动而而实现分离的操作分离的操作过
4、程。程。 作用力作用力 重力重力 惯性离心力性离心力 重力沉降重力沉降离心沉降离心沉降 1 1 1 1、沉降速度、沉降速度、沉降速度、沉降速度 1 1 1 1）球形）球形）球形）球形颗颗粒的自由沉降粒的自由沉降粒的自由沉降粒的自由沉降2024/9/14重力重力 浮力浮力 阻力阻力(a)2024/9/14颗粒开始沉降的瞬粒开始沉降的瞬间，速度，速度u=0，阻力阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降后，粒开始沉降后，u Fd ；u ut 时，a=0 。等速等速阶段中段中颗粒相粒相对于流体的运于流体的运动速度速度ut 称称为沉降速度。沉降速度。当当a=0时，u=ut，代入（代入（a）式式沉降速度表达式
5、沉降速度表达式2024/9/14 a) 滞流区或斯托克斯滞流区或斯托克斯(Stokes)定律区（定律区（10 4Ret1） 斯托克斯公式斯托克斯公式2、阻力系数、阻力系数 2024/9/14Ret0.1250.2200.6000.8061.0002024/9/14艾艾伦公式公式 c) 湍流区或牛湍流区或牛顿定律区（定律区（Nuton）（）（103Ret 2105） 牛牛顿公式公式 b) 过渡区或艾渡区或艾伦定律区（定律区（Allen）（）（1Ret103） 2024/9/143、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素 1 1）颗粒的体粒的体积浓度度 当当颗粒粒浓度度较高高时，由由于于颗粒粒间相
6、相互互作作用用明明显，发生生干干扰沉降沉降，自由沉降的公式不再适用。，自由沉降的公式不再适用。2 2）器壁效）器壁效应 当当器器壁壁尺尺寸寸远远大大于于颗粒粒尺尺寸寸时，容容器器效效应可可忽忽略略，否否则需加以考需加以考虑。 2024/9/143）颗粒形状的影响）颗粒形状的影响 球形度球形度对于于球球形形颗粒粒，s=1，颗粒粒形形状状与与球球形形的的差差异异愈愈大大，球球形形度度s值愈低。愈低。对于非球形于非球形颗粒，粒，颗粒粒的的球球形形度度愈愈小小，对应于于同同一一Ret值的的阻阻力力系系数数愈愈大大，如如图3-2所示。所示。2024/9/144 4 4 4、沉降速度的、沉降速度的、沉降速
7、度的、沉降速度的计计算算算算 1 1 1 1）试试差法差法差法差法 假假设沉降属于沉降属于层流区流区 方法：方法：ut Ret Ret1 ut为所求所求Ret1 艾艾伦公式公式求求ut判断判断公式适公式适用用为止止2)2)2)2)摩擦数群法摩擦数群法摩擦数群法摩擦数群法 由由得得2024/9/14 Ret曲曲线转化成化成 Ret2Ret曲曲线。 计算算ut时，先先由由已已知知数数据据算算出出Ret2的的值，再再由由Ret2Ret曲曲线查得得Ret值，最后由最后由Ret反算反算ut 。2024/9/14图3-3 及 关系曲线2024/9/14 计算在一定介算在一定介质中中具有某一沉降速度具有某一
8、沉降速度ut的的颗粒的粒的直径直径，无因次数群无因次数群K判判别流型流型 K2.62斯托克斯区斯托克斯区2.62K69.1牛牛顿定律区定律区2024/9/14例例：试计算算直直径径为95m，密密度度为3000kg/m3的的固固体体颗粒粒分分别在在20的空气和水中的自由沉降速度。的空气和水中的自由沉降速度。解：解：1）在）在20水中的沉降。水中的沉降。用用试差法差法计算算先假先假设颗粒在滞流区内沉降粒在滞流区内沉降 ，附附录查得得,20,20时水的密度水的密度为kg/m3,=1.00510-32024/9/14核算流型核算流型 原假原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。滞流区正确，求得的沉降速度
9、有效。2） 20的空气中的沉降速度的空气中的沉降速度用摩擦数群法用摩擦数群法计算算20空气：空气：=205 kg/m3，=8110-5根据无因次数根据无因次数K值判判别颗粒沉降的流型粒沉降的流型 2024/9/142.612.61K69.169.1，沉降在，沉降在过渡区。渡区。用艾用艾伦公式公式计算沉降速度。算沉降速度。 2024/9/14例：例：本本题附附图所示所示为一双一双锥分分级器，利器，利用它可将密度不同或用它可将密度不同或尺寸不同的粒子混合尺寸不同的粒子混合物分开。混合粒子由物分开。混合粒子由上部加入，水上部加入，水经可可调锥与外壁的与外壁的环形形间隙隙向向上上流流过。沉沉降降速速度
10、度大大于于水水在在环隙隙处上上升升流流速速的的颗粒粒进入底流，而沉降速度小于入底流，而沉降速度小于该流速的流速的颗粒粒则被溢流被溢流带出。出。5 5 5 5、分、分、分、分级级沉降沉降沉降沉降2024/9/14利利用用此此双双锥分分级器器对方方铅矿与与石石英英两两种种粒粒子子混混合合物物分分离离。已已知：知：粒子形状粒子形状正方体正方体粒子尺寸粒子尺寸棱棱长为mm方方铅矿密度密度s1=7500kg/m3石英密度石英密度s2=2650kg/m32020水的密度和粘度水的密度和粘度3 =1.00510-3 Pas假假定定粒粒子子在在上上升升水水流流中中作作自自由由沉沉降降，试求求：1 1）欲欲得得
11、纯方方铅矿粒粒，水水的的上上升升流流速速至至少少应取取多多少少m/s？2）所所得得纯方方铅矿粒粒的的尺寸范尺寸范围。2024/9/14解：解：1)1)水的上升流速水的上升流速分析：分析：纯方方铅矿粒粒对于正方体于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。粒，先算出其当量直径和球形度。设l代表棱代表棱长，Vp代表一个代表一个颗粒的体粒的体积。全部石英粒子被溢流全部石英粒子被溢流带出出u水水=utmaxutd最大的石英粒子的沉降速度最大的石英粒子的沉降速度2024/9/14用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度s=0.806，查图3-33-3，Ret=60，则：202
12、4/9/142 2）纯方方铅矿的尺寸范的尺寸范围所所得得到到的的纯方方铅矿粒粒m/s 用用摩摩擦擦数数群群法法计算算该粒粒子子的的当当量量直直径。径。s=0.806，查图3-33-3，Ret=22，则：2024/9/14与此当量直径相与此当量直径相对应的正方体的棱的正方体的棱长为：所得方所得方铅矿的棱的棱长范范围为mm。2024/9/14二、降尘室二、降尘室1、降尘室的结构、降尘室的结构 2 2 2 2、降、降、降、降尘尘室的生室的生室的生室的生产产能力能力能力能力 降降尘室的生室的生产能力能力Vs降降尘室所室所处理的含理的含尘气体的体气体的体积流量，流量，m3/s。降降尘室内的室内的颗粒粒运
13、运动 以速度以速度u随气体流随气体流动 以速度以速度ut作沉降运作沉降运动2024/9/142024/9/14颗粒在降粒在降尘室的停留室的停留时间 颗粒沉降到室底所需的粒沉降到室底所需的时间 为了了满足除足除尘要求要求 降降尘室使室使颗粒沉降的条件粒沉降的条件降降尘室的生室的生产能力能力 降降尘室室的的生生产能能力力只只与与降降尘室室的的沉沉降降面面积bl和和颗粒粒的的沉沉降降速度速度ut有关有关，而，而与降与降尘室的高度无关室的高度无关。 2024/9/14 对设置置了了n层水水平平隔隔板板的的降降尘室室，其其生生产能能力力为 图3-5 多层除尘室1-隔板 2、6-调节闸阀 3-气体分配道
14、4-气体集聚道 5-气道 7-清灰口2024/9/143、降尘室的计算、降尘室的计算 降降尘室的室的计算算 设计型型操作型操作型已已知知气气体体处理理量量和和除除尘要要求求，求求降降尘室的大小室的大小 用用已已知知尺尺寸寸的的降降尘室室处理理一一定定量量含含尘气气体体时，计算算可可以以完完全全除除掉掉的的最最小小颗粒粒的的尺尺寸寸，或或者者计算算要要求求完完全全除除去去直直径径dp的的尘粒粒时所所能能处理的气体流量。理的气体流量。2024/9/14 例例：拟采采用用降降尘室室除除去去常常压炉炉气气中中的的球球形形尘粒粒。降降尘室室的的宽和和长分分别为2m和和6m,气气体体处理理量量为1标m3/
15、s，炉炉气气温温度度为427，相相应的的密密度度3，粘粘度度=3.410-5Pa.s，固固体体密密度度S=400kg/m3，m/s，试求：求：1降降尘室的室的总高度高度H，m；2理理论上能完全分离下来的最小上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；粒尺寸；3. 粒径粒径为40m的的颗粒的回收百分率；粒的回收百分率；4. 欲欲使使粒粒径径为10m的的颗粒粒完完全全分分离离下下来来，需需在在降降尘室室内内 设置几置几层水平隔板？水平隔板？2024/9/14解：解：1）降）降尘室的室的总高度高度H2 2）理）理论上能完全除去的最小上能完全除去的最小颗粒尺寸粒尺寸 用用试差法由差法由ut求求dmin。假假设沉降
16、在斯托克斯区沉降在斯托克斯区 2024/9/14核算沉降流型核算沉降流型 原假原假设正确正确 3、粒径、粒径为40m的的颗粒的回收百分率粒的回收百分率粒径粒径为40m的的颗粒的沉降必定在滞流区粒的沉降必定在滞流区 ，其沉降速度，其沉降速度 2024/9/14气体通气体通过降降尘室的室的时间为： 直径直径为40m的的颗粒在粒在12s内的沉降高度内的沉降高度为： 假假设颗粒粒在在降降尘室室入入口口处的的炉炉气气中中是是均均匀匀分分布布的的，则颗粒粒在在降降尘室室内内的的沉沉降降高高度度与与降降尘室室高高度度之之比比约等等于于该尺尺寸寸颗粒被分离下来的百分率。粒被分离下来的百分率。直径直径为4040m的的颗粒被回收的百分率粒被回收的百分率为：2024/9/144 4、水平隔板、水平隔板层数数 由由规定需要完全除去的定需要完全除去的最小粒径最小粒径求沉降速度求沉降速度， 再再由生由生产能力和底面能力和底面积求得多求得多层降降尘室的室的水平隔板水平隔板层数数。 粒径粒径为1010m的的颗粒的沉降必在滞流区，粒的沉降必在滞流区，取取3333层 板板间距距为 2024/9/14
