1、4 顆粒的沉降顆粒的沉降化工原料核心PPT課件4 顆粒的沉降顆粒的沉降混合物混合物均相混合物：所需分離的物質在同一相中，不能用機械均相混合物：所需分離的物質在同一相中，不能用機械 的方法分離；的方法分離；非均相混合物：具有一個以上的相，可以用機械的方非均相混合物：具有一個以上的相，可以用機械的方 法分離。相界面兩側的物質性質不同。法分離。相界面兩側的物質性質不同。固體固體固體：固體混合物固體：固體混合物固體固體液體：懸浮液液體：懸浮液固體固體氣體：含塵氣體氣體：含塵氣體液體液體氣體：含霧氣體氣體：含霧氣體液體液體液體：乳濁液液體：乳濁液非均相混合物非均相混合物4 顆粒沉降顆粒沉降（Sedime

2、ntation） 根據沉降作用力可分為：重力沉降、離心沉降根據沉降作用力可分為：重力沉降、離心沉降根據沉降粒子間相互影響程度可分為：自由沉降和干擾沉降根據沉降粒子間相互影響程度可分為：自由沉降和干擾沉降4.1 重力沉降重力沉降（Gravitational sedimentation） （1）球形顆粒的自由沉降速度）球形顆粒的自由沉降速度 以重力的方向為正方向以重力的方向為正方向 Fb 浮力浮力 Fd 阻力阻力 Fg 重力重力maFFFF bdg阻力阻力浮力）浮力）（重力（重力什么情況下顆粒在流體中會發生沉降過程？什么情況下顆粒在流體中會發生沉降過程？ 4.1 重力沉降重力沉降（Gravitat

3、ional sedimentation） 直徑為直徑為d、顆粒密度為、顆粒密度為s的球形顆粒在密度為流體中的重的球形顆粒在密度為流體中的重力和浮力分別為：力和浮力分別為： gdFs3g6 重力：重力：（N）gdF 3b6 浮力：浮力：（N） t u u0加速段加速段勻速段勻速段 顆粒做勻速運動，沉降速度恒定不變，該速度稱為顆粒做勻速運動，沉降速度恒定不變，該速度稱為自由自由沉降速度沉降速度。達到恒定的沉降速度時，合力為：。達到恒定的沉降速度時，合力為： 042662203s3 madugdgdF 42220dduF 阻力：阻力：（N）阻力系數阻力系數4.1 重力沉降重力沉降（Gravitati

4、onal sedimentation）042662203s3 madugdgdF 34s0gdu （球形顆粒的自由沉降速度）（球形顆粒的自由沉降速度）（2）阻力（曳力）系數（）阻力（曳力）系數（Drag coefficient） 與流體的流動阻力系數類似，阻力（曳力）系數與顆粒與流體的流動阻力系數類似，阻力（曳力）系數與顆粒沉降雷諾數有關，即沉降雷諾數有關，即)(Re0f 00Redu 注意：注意：其中其中d為顆粒直徑，為顆粒直徑，u0為顆粒的沉降速度，為顆粒的沉降速度，、分別分別為流體的密度與粘度。為流體的密度與粘度。 4.1 重力沉降重力沉降（Gravitational sedimenta

5、tion） 通過實驗得到曳力系數與雷諾數的關系繪成算圖通過實驗得到曳力系數與雷諾數的關系繪成算圖,將他們將他們回歸成關聯式為：回歸成關聯式為： 過渡區（過渡區（Allen區，區， 2 Re0 500） 6 . 00Re5 .18 6 . 000Re269. 0 sgdu湍流區（牛頓區，湍流區（牛頓區， 500 Re0 200000后，后，驟然下降，在驟然下降，在Re0 =(310)105范圍內范圍內可近似取可近似取= 0.1。 層流區（層流區（Stokes區，區，Re0 2或或0.3） 0Re24 18s20gdu （Stokes定律）定律）4.1 重力沉降重力沉降（Gravitational

6、 sedimentation）補充：補充： 我國的陳文清發現，在氣流干燥、噴霧干燥器內，我國的陳文清發現，在氣流干燥、噴霧干燥器內， 1 Re0 500都在阿侖區，但將實驗值代入阿侖公式，發現其平都在阿侖區，但將實驗值代入阿侖公式，發現其平均誤差高達均誤差高達15.5%，他將實驗值擬合成，他將實驗值擬合成）（可推廣到（可推廣到3000Re5 . 01000Re1Re5 .26000 x 式中式中iiiRx)Re(ln050 R0=0.9178336， R1=-0.0782483， R2=2.89410-3， R3=9.54717810-3， R4=1.34771910-3， R5=-6.945

7、25510-34.1 重力沉降重力沉降（Gravitational sedimentation）（3）沉降速度（）沉降速度（Settling velocity）的計算）的計算圖解法：圖解法： 由于沉降速度未知，雷諾數無法計算，因此圖解法需要試由于沉降速度未知，雷諾數無法計算，因此圖解法需要試差計算。差計算。公式法：公式法： 將以上阻力系數關系式代入自由沉降速度的計算式中可得將以上阻力系數關系式代入自由沉降速度的計算式中可得到計算沉降速度的公式。由于沉降速度未知，雷諾數無法計算到計算沉降速度的公式。由于沉降速度未知，雷諾數無法計算，因此公式法也需要試差計算。，因此公式法也需要試差計算。 計算過程

8、：計算過程：假設沉降處于層流區假設沉降處于層流區Stokes定律求定律求u0核算核算Re0若若Re0 2，則用相應的公式求，則用相應的公式求u0核算核算Re04.1 重力沉降重力沉降（Gravitational sedimentation）因次分析法：因次分析法： 通過實驗整理數據得到：通過實驗整理數據得到：ArAr6 . 018Re0 阿基米德準數阿基米德準數 23 gdArs Ar與沉降顆粒和流體的性質、分離要求有關，根據已知與沉降顆粒和流體的性質、分離要求有關，根據已知條件計算條件計算Ar ，然后由上式計算，然后由上式計算Re0 ，由，由Re0直接計算沉降速直接計算沉降速度度u0 ，不需

9、要試差和校核。，不需要試差和校核。 4.1 重力沉降重力沉降（Gravitational sedimentation）（4）其它因素對沉降速度的影響）其它因素對沉降速度的影響 以上的沉降過程為在重力作用下球形顆粒的自由沉降：以上的沉降過程為在重力作用下球形顆粒的自由沉降： 顆粒為球形；顆粒為球形； 顆粒沉降時彼此相距較遠，互不干擾；顆粒沉降時彼此相距較遠，互不干擾； 容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略；容器壁對沉降的阻滯作用可以忽略； 顆粒直徑不能小到受流體分子運動的影響。顆粒直徑不能小到受流體分子運動的影響。 在實際情況中還需考慮以下因素的影響：在實際情況中還需考慮以下因素的影響： 干擾沉降；干

10、擾沉降； 端效應；端效應； 分子運動；分子運動； 非球形；非球形； 液滴或氣泡的運動液滴或氣泡的運動 。4.2 降塵室降塵室 B Vs u0 u L H顆粒在降塵室中的運動顆粒在降塵室中的運動 顆粒能夠沉降到集塵斗中有什么條件呢？顆粒能夠沉降到集塵斗中有什么條件呢？ 顆粒在降塵室中的沉降時間小于停留時間時，顆粒在流體顆粒在降塵室中的沉降時間小于停留時間時，顆粒在流體離開降塵室前即可沉降到降塵室的底部。離開降塵室前即可沉降到降塵室的底部。 0t 其中：其中：sstVBHLBHVLuL 停留時間：停留時間：氣流速度氣流速度m/s氣流流率氣流流率m3/st t與設備尺寸及處理量有關，與顆粒性質無關；

11、與設備尺寸及處理量有關，與顆粒性質無關； 沉降時間沉降時間 00uH 0與流體、顆粒的性質、分離要求及降塵室的高度有關。與流體、顆粒的性質、分離要求及降塵室的高度有關。 4.2 降塵室降塵室 注意：注意：當某直徑的顆粒滿足當某直徑的顆粒滿足t t0時，它能夠被完全（時，它能夠被完全（100%）地分離；當某直徑的顆粒滿足）地分離；當某直徑的顆粒滿足t t0時，它不是不能時，它不是不能被分離，仍然可以被分離，只不過是不能被完全分離。被分離，仍然可以被分離，只不過是不能被完全分離。討論：討論： （1 1）降塵室的生產能力：）降塵室的生產能力： ts BHLHBuV 停留時間最短為停留時間最短為t t

12、=0 =H/u0，即最大生產能力為，即最大生產能力為Vs=BLu0 ；故生產能力與降塵室的底面積；故生產能力與降塵室的底面積BL有關而與降塵室的高度無有關而與降塵室的高度無關，因此，降塵室多制成扁平型或多層。關，因此，降塵室多制成扁平型或多層。 （2）降塵室生產能力與設備高度無關，）降塵室生產能力與設備高度無關，那么降塵室的高那么降塵室的高度是否越小越好呢？度是否越小越好呢？ 4.2 降塵室降塵室H時，根據時，根據 0uHuL 若若u不變，則不變，則L，生產能力，生產能力Vs=BLu0；為保證生產能力；為保證生產能力不變，必須不變，必須B；降塵室變得短而寬，氣體進入降塵室還未穩；降塵室變得短而

13、寬，氣體進入降塵室還未穩定就離開降塵室了，氣體在降塵室內的分布不均勻造成分離定就離開降塵室了，氣體在降塵室內的分布不均勻造成分離能力下降；所以在降塵室的前后均有漸縮和漸擴裝置；能力下降；所以在降塵室的前后均有漸縮和漸擴裝置； 若若L不變，不變，u，生產能力不變；若流速太大，則沉降，生產能力不變；若流速太大，則沉降后的顆粒被重新揚起，分離效率后的顆粒被重新揚起，分離效率，故應保證氣體流動維持層，故應保證氣體流動維持層流狀態，一般流狀態，一般u 3m/s，易揚起的物料，易揚起的物料u 10m（75m效果效果較好）。較好）。 4.2 降塵室降塵室 （4）t t0在設計中是確定降塵室主要結構尺寸的依據

14、在設計中是確定降塵室主要結構尺寸的依據，在操作中是確定所能完全分離最小顆粒直徑的判據。當，在操作中是確定所能完全分離最小顆粒直徑的判據。當Stoches定律適用時，顆粒在降塵室中作自由沉降，處理量為定律適用時，顆粒在降塵室中作自由沉降，處理量為Vs時能分離出的顆粒的最小直徑時能分離出的顆粒的最小直徑dmin為：為：02min018)(AVgduss 降塵室底面積降塵室底面積0min)(18AVgdss 4.3 懸浮液的沉聚過程懸浮液的沉聚過程 懸浮液的沉聚過程一般出現：清液區、等濃度區、變濃懸浮液的沉聚過程一般出現：清液區、等濃度區、變濃度區和沉聚區。若顆粒不均勻，則不出現等濃度區。度區和沉聚

15、區。若顆粒不均勻，則不出現等濃度區。 懸浮液的沉聚過程各個區的濃度增大，顆粒間沉降的相懸浮液的沉聚過程各個區的濃度增大，顆粒間沉降的相互干擾作用也增大。由于濃度增大，顆粒相互間絮凝成絮狀互干擾作用也增大。由于濃度增大，顆粒相互間絮凝成絮狀下沉，沉降速度增大，屬于干擾沉降，無法從理論上計算沉下沉，沉降速度增大，屬于干擾沉降，無法從理論上計算沉降速度、沉降時間，只能由實驗來測定。降速度、沉降時間，只能由實驗來測定。 4.4 沉降槽沉降槽（Settling tank） 4.4 沉降槽沉降槽（Settling tank） 用于分離懸浮液，連續操作。其生產能力與降塵室一樣用于分離懸浮液，連續操作。其生產

16、能力與降塵室一樣與底面積有關，與沉降槽高度無關。與底面積有關，與沉降槽高度無關。 懸浮液中加入電解質、絮凝劑等添加劑有利于絮凝現象懸浮液中加入電解質、絮凝劑等添加劑有利于絮凝現象的發生，提高沉降速度；另外，提高懸浮液溫度也可提高沉的發生，提高沉降速度；另外，提高懸浮液溫度也可提高沉降速度。降速度。 不論是降塵室還是沉降槽，都是利用重力作用的原理達不論是降塵室還是沉降槽，都是利用重力作用的原理達到分離的目的，對一定的分離體系，分離要求一定，則沉降到分離的目的，對一定的分離體系，分離要求一定，則沉降速度確定，其分離能力有限，分離直徑大于速度確定，其分離能力有限，分離直徑大于10 m的顆粒較為的顆粒

17、較為適合，但對小于適合，但對小于10 m顆粒的分離重力沉降無法實現，則改用顆粒的分離重力沉降無法實現，則改用離心沉降。離心沉降。 4.5 離心沉降離心沉降（Centrifugal sedimentation ）r1r2ArCBuruut顆粒在旋轉流體中的運動顆粒在旋轉流體中的運動rumma2tr 離離心心力力顆粒的切線速度顆粒的切線速度旋轉半徑旋轉半徑離心加速度離心加速度若顆粒為球形：若顆粒為球形：ruds2t3)(6 作作用用力力顆粒密度顆粒密度流體密度流體密度242r2ud 阻力阻力當作用力等于阻力時，可得離心沉降速度當作用力等于阻力時，可得離心沉降速度urrudruduss2t22tr1

18、8)(3)(4 相對運動為層流相對運動為層流4.5 離心沉降離心沉降（Centrifugal sedimentation ）r = 0.5m，ut = 10m/s時，時，4 .20/2tC gruK重重力力離離心心力力分分離離因因數數 注意：注意：離心沉降與重力沉降的類比。顆粒離心沉降的速離心沉降與重力沉降的類比。顆粒離心沉降的速度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒和流體同時做度方向是由圓心沿徑向指向外周，但由于顆粒和流體同時做圓周運動，顆粒的實際運動軌跡是一個半徑逐漸擴大的螺旋圓周運動，顆粒的實際運動軌跡是一個半徑逐漸擴大的螺旋線。離心沉降速度并不是顆粒的實際運動速度，只是其在徑線。離心

19、沉降速度并不是顆粒的實際運動速度，只是其在徑向上的分量。向上的分量。 旋風分離器用于分離氣體中的固體顆粒旋風分離器用于分離氣體中的固體顆粒旋液分離器用于分離液體中的固體顆粒旋液分離器用于分離液體中的固體顆粒 重力沉降重力沉降 離心沉降離心沉降 降塵室用于分離氣體中的固體顆粒降塵室用于分離氣體中的固體顆粒沉降槽用于分離液體中的固體顆粒沉降槽用于分離液體中的固體顆粒 4.6 旋風分離器（旋風分離器（Cyclone separators） （1 1）結構與工作原理）結構與工作原理 4.6 旋風分離器（旋風分離器（Cyclone separators）（2 2）分離性能）分離性能 旋風分離器能夠分離出

20、的顆粒大小是它的主要性能之一。旋風分離器能夠分離出的顆粒大小是它的主要性能之一。 臨界直徑臨界直徑dc（Critical diameter） 假設：假設： a、顆粒與氣體在旋風分離器內的切線速度、顆粒與氣體在旋風分離器內的切線速度ut恒定，與所在位恒定，與所在位置無關，且等于進口處的速度置無關，且等于進口處的速度ui； b、顆粒沉降過程中所穿過的氣流最大厚度等于進口寬度、顆粒沉降過程中所穿過的氣流最大厚度等于進口寬度B； c、顆粒與氣流的相對運動為層流。、顆粒與氣流的相對運動為層流。 顆粒在旋風分離器中能被完全分離，其沉降時間必須不大顆粒在旋風分離器中能被完全分離，其沉降時間必須不大于停留時間

21、于停留時間 0t 停留時間停留時間沉降時間沉降時間 臨界直徑臨界直徑：當沉降時間與停留時間相等時所能完全分離：當沉降時間與停留時間相等時所能完全分離的顆粒直徑為最小直徑。的顆粒直徑為最小直徑。 4.6 旋風分離器（旋風分離器（Cyclone separators）r0uB 離心沉降時間為：離心沉降時間為： imtmt22uNruNr 旋轉半徑的平均值旋轉半徑的平均值停留時間：停留時間： m2i22t2r1818rudruduss 2is2m018udBr 2is2cmim182udBruNr c0t,dd 時時 isc9uNBd 4.6 旋風分離器（旋風分離器（Cyclone separators）討論討論： B，D，dc，效率，效率；在生產能力相同條件下，有；在生產能力相同條件下，有一臺大旋風分離器和若干臺小旋風分離器（進口氣速一樣）一臺大旋風分離器和若干臺小旋風分離器（進口氣速一樣），應采用哪種方案？，應采用哪種方案？ ui，dc，效率，效率，但阻力，但阻力；旋風分離器的進口氣速旋風分離器的進口氣速應適當選擇，不宜太高也不宜太低。應適當選擇，不宜太高也不宜太低。 dc不僅與顆粒和氣體的性質有關，而且與旋風分離器不僅與顆粒和氣體的性質有關，而且與旋風分離器的結構和處理量有關。處理量越大、顆粒密度越大、進口越的結構和處理量有關。處理量越大、顆粒密度越大、進口越窄、長徑比越大