1、學習情境4沉降過程與操作學習要求知識目標：1 .了解重力沉降及離心沉降基本知識。2 .掌握旋風分離器、油水分離設備工作原理。能力目標：1 .能使旋風分離器平穩運行。2 .能使油水分離設備平穩運行。學習情境4.1常壓塔頂回流罐的油水分離【教學內容】化工生產中需要將混合物加以分離的情況橫多，大致說來，混合物可分為兩大類，即 均相混合物和非均相混合物，詳細內容下表。混 合 物均相氣態空氣、天然氣液態乙醇一水、石油非均相氣一固煙道氣氣泡一液體氣一液霧滴一氣體液一固泥水、硫鏤+母液液一液牛奶、油一水固一固煤肝石、金屬礦均相：內部各處均勻不存在相界面的物系稱為均相物系。如溶液、混合氣體及少量混 合液體。非

2、均相：由具有不同物理性質（如密度和粒徑）的分散物質和連續介質所組成的物系稱非均相物系。均相物系的分離屬于傳質內容，均相物系中的“固一固”物系不在討論之列；非均相物系可以借助沉降、過濾、篩分等手段，利用物系中兩相間的物性（如p或d）差，實 現兩相間的相對運動達到分離的目的。這些屬于機械分離，操作遵循流體力學的基本規律。在非均相物系中，處于分散狀態的物質稱“分散相”；包圍它的物質稱“連續相”（即分散介質）。沉降是將混合物置于力場中，在力場作用下，使分散相與連續相發生相對運動，密度 大的物質定向地移向收集面，實現分離。力場沉降類型物系重力場重力沉降自由沉降干擾沉降氣一固、液一固 氣一液、液一液離心力

3、場離心沉降同上電場電沉降電除塵器 電捕焦油器顆粒極微者固一固物系往往要借助流體，使固固兩相間的運動產生速度差。在這里我們重點學習 重力沉降，其沉降方向垂直向下。沉降速度球形顆粒的自由沉降自由沉降一一 顆粒沉降中不受外界的任何影響。將一粒表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止的流體中，顆粒ps液體的P,于是顆粒受到的力分別為：重力 Fg、浮力Fb、阻力Fd,其作用方向如圖示。當顆粒和流體的種類確定后，僅于pS、d和p有關的重力及浮力便為常量；阻力則隨著顆粒運動的速度的變化而變化。直徑為d的顆粒，所受三力表示為（向下為正）4屏 :"聞86及/ £-4- - L - 一戶：* - 24-

4、 2三力之和，使顆粒產生加速度：a =du/d 0圖4-1受力分析整理后得：(3-1）從顆粒沉降達到等速階段，理論上講需要很長的時間，但達到 0.99u可以忽略加速段，認為顆粒始終在等速ut下運動。在 a=0, u=ut ,f- ： m,3HJ葭-t.一 口）t需時很短，固(3-上式顯不：（ps - p） T、dT -> u t T。阻力系數E3)4)5)W也是雷諾數 Ret （Rq=dut p /也4的函數：1 .滯流區（斯托克斯定律區，10 <Ret<1）E =24/Ret32 .過渡區（艾倫區，1<Re<10 ）=18.5/ （Ret-6）3 .湍流區（牛頓

5、定律區，103<Re<2X105）E =0.4454 .湍流邊界層區（Re>2X10）E =0.10將（3-3 ）至（3-5 ）代入（3-2 ）,得到不同Re區域相應ut的計算式:1.湍流區ut=d2 （p s- p ） g/18、(3-(3-(3-隨時間變化情況見下表:9uFda000maxTuTFdT,凈力Ja逐漸J加速段T TutFd=Fg-Fb0等速段2 .過渡區J門一戶觀 j.4.,43 .湍流區， r不同ut下，流體對顆粒產生的流阻會有不同的影響：滯流區：因為在顆粒表面形成很薄的滯流邊界層，且不發生邊界層分離，所以只存在流體的粘性阻力=f (ut)。湍流區： 雖然

6、邊界層仍為滯流，但其分離引起的形阻已占主導地位，流阻4 f (ut2)。過渡區 介于滯、湍流間，粘、形阻均不可忽略。湍流邊界層區：此時，由于流體主體中的能量與邊界層中的能量交換強度增加，反而使邊界層的分離困難起來。形阻下降使E突然下降。重力沉降時：小顆粒一一斯托克斯區；粒徑大些的一一艾倫區；能到牛頓區的情況 已很少見。影響ut的因素只有連續相為氣態的物系或單個顆粒在大空間的沉降中，顆粒的沉降才能視為“自由 沉降”。當連續相為液體、物系中顆粒的體積分率較高時，顆粒之間相互干擾稱干擾沉降。此 時影響ut的因素有：1 .顆粒的體積濃度當體積濃度0.2%,各ut的理論計算值偏差1%體積濃度較高時發生干

7、擾沉降。2 .器壁效應當顆粒離器壁較近時，顆粒沉降迫使連續相也有一定的流動，而不動的器壁又阻滯著 這種流動，果顯示 ut變慢。當沉降處于斯托克斯區，修正：ut ' =ut/ (1+2.1 (d/D)當D100d時，器壁效應可忽略。3 .顆粒形狀已知管壁E T-h f J ；同樣，顆粒形狀越偏離球形，沉降時阻力也越大。用球形度標識:小 s=s/s pS球體表面積，m;2sp顆粒的表面積，m顆粒形狀越不規則，其球形度越小。非球形顆粒的Ret中的d用當量直徑de：,.'d太小會產生布朗運動，當d<0,5科m時不宜使用自由沉降速度計算式。Ret >10-4可忽略布朗運動。另

8、外，對于分散相：如果 P s>p ,顆粒作沉降運動；如果P s<p ,顆粒作升浮運動。連續相有靜止和流動兩種情況。流動的連續相又分為與顆粒同向不同速的、與顆粒反 向的及流態化狀態。沉降速度的計算因為計算ut時，要通過Ret確定使用哪一個公式，所以有ut=f(Ret)o可以采用如下方 法進行計算。1 .試差法：當求出的 ut與假設的ut在同一個Ret范圍內，求出的ut有效。2 .摩擦數群法：可由 d求ut,或反求。設法消去 Ret中的ut。無需試差，但離不開圖, 該法便于計算非球形的ut。3 .K判據求ut：此法無需試差，但使用時須知do令：含塵氣體在管道中流動，因氣速較大，塵粒來不

9、及沉降；進入突然擴大的流道一一沉 降室，氣速u顯著減少。那些在流體離開降塵室之前落到室底的顆粒便與流體分離了。含塵氣位于室內最高點的顆粒降至室底需用時間：0 t=H/utII氣體通過降塵室需用時間：0 =L/u 論上，凡0 t < Q的顆粒都能落到室底。 氣體在降塵室的速度：u=Vs/ ( Hb) ,，足 uWLutWH 條件的、氣速對應為ut的顆粒能被分離。 L -對應上式可改寫為：Vs/ ( Hb)WLut/Ho圖4-2沉降室由此可見，降塵室的生產能力Vs=bLut與高度H無關，但H與u大小有關。采用多層水平隔板，既保證 H不變（Vs不變），又使隔板間距 H'J一。t J減少

10、，受塵面積T。切記：為不使已沉降的灰塵被卷揚，u要處于滯流區。且降塵室的進、出口應采用漸變流道。三濃懸浮液的沉聚過程C、被顆粒取代其空間的流體濃懸浮液中顆粒的沉降要受到A其它顆粒；B、器壁;向上流動等因素的影響一一干擾沉降一一“沉聚過程”。區 ?區 區液 濃凝清 要沉好界面以id 1?17濃度t 一 < 一 L：區泊 失臨界沉 降點”2.5 4m),料圖4-3間歇沉降實驗（1）隨著固相濃度的增大，液體從顆粒間向上流動的速度也增大。使顆粒在實際上是處于向上流動的液體中沉降。比在靜止的、自由沉降時受到的阻力大得多。d大，ut T 一與周圍流體間的相對速度u較d小的大些一阻力T ,反使 ut

11、J。（2）懸浮液中，顆粒的粒級分布很寬。對d大而言，細小顆粒與液體混成了科T、p T的流體。在這種流體中的沉降顯然使ut J。而d小卻被d大向下拖曳使ut T ;絮凝現象使顆粒的有效尺寸增大，ut To綜上所述，d大的ut J , d小的ut T。實驗證明，在粒度范圍 <6/1時，顆粒的ut相接 近。四沉降槽的結構與操作沉降槽的構造如圖。既可間歇操作，亦可連續操作。間歇操作的時間可以根據底流濃度調整；連續操作的設備則要實驗數據設計尺寸。連續沉降槽是底部略成錐形的大直徑（數米百米以上）淺槽（高度 漿從中央進料口送入液面下 0.31.0m處，以盡可能小 的擾動迅速分散到整個橫截面上，顆粒下沉

12、，從等濃區 進入變濃區最后進入沉聚區；在槽底徐徐轉動（小槽 1r/min ;大槽0.1r/min ）的耙把濃漿中的液體擠出去， 并把沉渣聚構造攏到錐底的中央排渣口，以“底流”排出。清液向上流動，即使夾帶粒子，顆粒在澄 清區還是有機會再沉降，使“溢流”的液體保持清潔。連續沉降槽適用于量大、濃度不高 且顆粒不太細微的懸浮料漿，如污水、煤泥水等。其沉渣含液量約 50%提高沉降速度的辦法有：添加少量電解質或表面活性劑，使細粒凝聚或絮聚；改變操 作條件，如：加熱、冷凍或震動，使顆粒的粒度或相界面積發生變化，提高沉降速度。學習情境42旋風分離器的沉降操作【教學內容】慣性離心力作用下的 沉降速度慣性離心力場

13、的強度與力場距中心軸距離R及R所在圓的圓周速度r有關，即u(uf/R)也稱離心加速度，隨uK和RJ (定 T , RT , uK )顯著增強(g為常數)，方向沿直徑指向外圓周。含固體顆粒的流體進入離心力場時，ps>p ,顆粒必向外圓飛去。同時受到三個力的作用：32慣性離心力=(Tt/6 3 d P s (uT/R)指向外圓向心力=-(Tt/6) d2 P ( ut2/R )指向圓心阻力=-E (兀/4) d (pur2/2)指向圓心三力達平衡(E F=0) 1ur.顆粒在R點的離心沉降速度。隊，一,(3-(3-2)=24/Ret比較重力場和離心力場的沉降速度計算式，只在力場強度上同。若離

14、心沉降時，顆粒 與流體的相對速度屬于滯流，則r H一0)% . IS u(3-8)(3-6)兩種沉降速度之比：ur/ut= （uT2/R） /g=Kc（3-9 ）Kc離心分離因數Kc可達數十萬；一般旋風（液）Kc是離心分離設備的重要指標。某些高速離心機的 分離器的Kc值在52500之間。如：R=0.4m, UT=20m/s 時：Kc=202/ （0.4X9.81） =102旋風分離器的操作原理分離器結構如圖。含塵氣流從切向進入圓筒后，在筒壁的約束和后繼氣體的推動下， 形成“外螺旋運動” 一離心力場。顆粒被拋向筒壁，借重力沿壁面落 錐形筒底部的排灰口。顆粒向器壁運動使氣體向旋轉中心聚集，仍然保持

15、著與外螺旋同方向的旋轉運動一一內螺旋，并從下向上從出氣口 排出。.它的R小，仍具有可觀的力場強度。旋風分離器的靜壓強分布：1 .徑向 器壁附近靜壓強大，向旋轉中心逐漸降低， 在排氣口附近與口外側壓強持平。2 .軸向 沿軸向，從上至下靜壓強逐漸降低。若排氣口直通大氣圖4-5旋風分離器工作原理（或連引風機），則器底部軸心處形成負壓，排灰口密封不嚴會已落入底部的塵埃卷起。三旋風分離器的性能臨界粒徑dcdc指理論上能完全被分離下來的最小顆粒直徑，m。dc的計算式由下面的簡化條件推導出來：產進口速度進入旋風分離器的氣流嚴格按螺旋形路線作等速運動，其切向速度 uui=VS/ Bho （ B為進口氣體寬度）

16、顆粒向器壁沉降時，都要穿過厚度為B的氣流層才能到達壁面。顆粒在滯流情況下作自由沉降，其徑向沉降速度可用（3-8 ）計算。簡化成：y、顆粒到達器壁的時間Ot=B/Ur = 18Bw R m (d2 psUi 2)氣流在器中停留的時間。=2兀R mH/Uia I 9國-'I =上三&%,c依dc定義，0 t= 0 其(310)B=D/4, ，DTf d c T 一刀 J。盡管假設與實際相差較大，但選擇適宜的Ne值使(3-10 )可以使用。Ne一般為0.53.0 ,標準系列旋風分離器Ne=5分離效率(3-(3-1 .總效率 Y 0= (G-C2) /C111)G：進氣含塵濃度，g/m

17、3;C2：出氣含塵濃度，g/m3;2.粒級效率 y pi= (Cn-C2i) /C1i 12)粒級效率r P與顆粒直徑di的對應關系圖4-6粒級效率曲線圖4-7打pd/d 50曲線理論上，凡直徑大于 dc的顆粒，其粒級效率都應等于100%小于dc的顆粒效率為零。如圖示：實際上，分離曲線卻是一條曲線，小于dc的顆粒也有可觀的分離效果，而大于 dc的顆粒還有部分未分離下來。前者可能是因為本身離器壁近或聚集增大了直徑得以分離，后 者可能受氣流渦動影響未及器壁。對于同一型式（如標準型）且尺寸比例相同的旋風分離器，不論尺寸大小都可以用同 一"條y pd/d 50曲線。標準旋風分離器的d50估算式：, I (3-4 -13）V 'Xi ： i粒級所占質量%壓強降2, p=E pu i /2-標準系列，其值為 8。旋風分離器的4p 一般為5002000Pa。 影響旋風分離器性能的因素：Ps增大，d增大，粉塵濃度升高，則有利于分離，這是因為：密度升高，直徑增大 對于分離的影響很明顯，而含塵濃度高則是：1 .聚集使d增大；2 .抑制渦流隨阻力下降下降；3 .Ui增大則Ur增大則 0增大，然而，攪起渦流，使4p 升高。合適的進氣速度為刀10 25m/s。 旋風分 離器的結構型 式與選用旋風分離器的分離效率不僅與含塵