第三章沉降-课件

p 定义：定义：p沉降力场：重力、离心力。沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。p 沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。第三章第三章 沉降沉降 定义：沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，1 1图图 流体绕过颗粒的流动流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反与颗粒运动的方向相反 当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力种作用力通常称为曳力（drag force)drag force)或阻力。或阻力。只要颗粒与流体之间有相只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同，流只要相对运动速度相同，流体对颗粒的阻力就一样。体对颗粒的阻力就一样。1颗粒运动时的阻力颗粒运动时的阻力图 流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反 2 2 流体密度；流体密度；流体粘度；流体粘度；d dp p颗粒的当量直径；粒的当量直径；A A 颗粒在运粒在运动方向上的投影面方向上的投影面积；u u 颗粒与流体相粒与流体相对运运动速度。速度。阻力系数，是雷阻力系数，是雷诺数数ReRe的函数，由的函数，由实验确定。确定。颗粒所受的阻力颗粒所受的阻力Fd可用可用下式计算下式计算 流体密度；颗粒所受的阻力Fd可用下式计算3 3 层流区（斯托克斯层流区（斯托克斯StokesStokes区，区，1010-4-4Re1Re1）注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的注意：其中斯托克斯区的计算式是准确的，其它两个区域的计算式是近似的。计算式是近似的。过渡区（艾仑过渡区（艾仑AllenAllen区，区，1Re101Re103 3）湍流区（牛顿湍流区（牛顿NewtonNewton区，区，10103 3Re10Re105 5）图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同图中曲线大致可分为三个区域，各区域的曲线可分别用不同的计算式表示为：的计算式表示为：的计算式表示为：的计算式表示为：层流区（斯托克斯Stokes区，10-4Re4 4 自由沉降自由沉降（free settling）：单个颗粒在流体中沉降，或单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的条件下沉降。条件下沉降。2重力沉降重力沉降 重力沉降重力沉降重力沉降重力沉降(gravity settling)(gravity settling)：由地球引力作用而：由地球引力作用而：由地球引力作用而：由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。(1)1)1)1)沉降速度沉降速度沉降速度沉降速度 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 自由沉降（free settling）5 5根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb p p为颗粒密度为颗粒密度根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:u重力 6 6 随着颗粒向下沉降，随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，逐渐增大，du/d 逐渐减少。逐渐减少。当当u增到一定数值增到一定数值ui时，时，du/d =0。颗粒开始作匀速沉降运动。颗粒开始作匀速沉降运动。上式表明：上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度沉降速度（terminal velocity）：也称为终端速度，匀速阶段颗：也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。粒相对于流体的运动速度。当当du/d =0时，令时，令u=ut，则可得沉降速度计算式，则可得沉降速度计算式加速阶段；加速阶段；匀速阶段。匀速阶段。随着颗粒向下沉降，u逐渐增大，du/d 逐渐减少。上式7 7 将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在球形颗粒在各各区相应的沉降速度分别为：区相应的沉降速度分别为：层流区（层流区（Re1）过渡区（过渡区（1Re5001Re500）湍流区（湍流区（500Re10500Re105 5）u ut t与与d dp p有关。有关。d dp p愈大，愈大，u ut t则愈大。则愈大。层流区与过渡区中，层流区与过渡区中，u ut t还与流体粘度有关。还与流体粘度有关。液体粘度约为气体粘度的液体粘度约为气体粘度的5050倍，故颗粒在液体中的沉降速倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。度比在气体中的小很多。将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在8 8假设流体流动类型；假设流体流动类型；计算沉降速度；计算沉降速度；计算计算ReRe，验证与假设是否相符；，验证与假设是否相符；如果不相符，则转如果不相符，则转。如果相符，。如果相符，OK!OK!求沉降速度通常采用试差法。求沉降速度通常采用试差法。(2)沉降速度的求法：沉降速度的求法：假设流体流动类型；求沉降速度通常采用试差法。(2)沉降速度9 9例：计算直径为例：计算直径为9595 m m，密度为，密度为3000kg/m3000kg/m3 3的固体颗粒的固体颗粒分别在分别在20 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。计算计算Re，核算流型：，核算流型：假设正确，计算有效。假设正确，计算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中：20 20 水的密度为水的密度为998.2kg/m998.2kg/m3 3，粘度为，粘度为1.005101.00510-3-3 PaPa s s 先设为层流区。先设为层流区。例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分10101)1)颗粒直径粒直径d dp p:应用：应用：啤酒生产，采用絮状酵母，啤酒生产，采用絮状酵母，dpu ut t，使啤酒易于分离和澄清。，使啤酒易于分离和澄清。均均质乳化，乳化，dput，使饮料不易分层。，使饮料不易分层。加絮凝剂，如水中加明矾。加絮凝剂，如水中加明矾。2)2)连续相的粘度相的粘度：应用：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使加酶：清饮料中添加果胶酶，使 ut，易于分离。，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使增稠：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层。，不易分层。加热：加热：3)两相密度差两相密度差(p-)：(3)(3)(3)(3)影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素(以以以以层层流区流区流区流区为为例例例例)1)颗粒直径dp:应用：2)连续相的粘度：应用：311114)颗粒形状颗粒形状在实际沉降中：在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度非球形颗粒的形状可用球形度 s 来描述。来描述。s 球形度；球形度；S 颗粒的表面积，颗粒的表面积，m2；Sp 与颗粒体积相等的圆球的表面积，与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。不同球形度下阻力系数与不同球形度下阻力系数与ReRe的关系见课本图示，的关系见课本图示，ReRe中的中的d dp p用当量直径用当量直径d de e代替。代替。球形度球形度 s s越小，阻力系数越小，阻力系数 越大，但在层流区不明显。越大，但在层流区不明显。u ut t非球非球 u ut t球球 。对于细微颗粒对于细微颗粒(d d0.55 m，dpc50=12 m。主要技术参数主要技术参数圆筒直径一般为200800mm，有系列尺寸。主要技术参数3232例：温度为例：温度为20，压力为，压力为0.1010.101Mpa，流量为，流量为2.5m2.5m3 3/s/s的含的含尘空空气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为气，用标准旋风分离器除尘。粉尘密度为2500kg/m2500kg/m3 3，试计，试计算临界粒径。选择合适的旋风分离器，使之能算临界粒径。选择合适的旋风分离器，使之能100%100%的分离的分离出出6.56.5 m以上的粉尘。并计算压损。以上的粉尘。并计算压损。解：解：20，0.101Mpa时空气的：时空气的：=1.21kg/m3，=1.811010-5-5PaPa s s1 1、确定、确定进口气速：口气速：u ui i=20m/s(15-20m/s)=20m/s(15-20m/s)2 2、计算算D D和和b b：流量：流量 V=AuV=Aui=Bhu=Bhu B=D/5,h=3D/5 B=D/5,h=3D/5 2.5=(D/5)2.5=(D/5)(3D/5)(3D/5)20 20 D=1.041m D=1.041m 取取 D=1100 mmD=1100 mm 旋风分离器的选用旋风分离器的选用例：温度为20，压力为0.101Mpa，流量为2.5m3/3333此时此时3、求求dpc 此时3、求dpc 34344、求、求 p5、求求D，使，使dpc=6.5 m4、求p5、求D，使dpc=6.5 m3535B=0.175，D=5B，h=3D/5=3B=0.525，取，取ui=17m/s x=1.6，取，取x=2 D=5B=0.875，取，取D=800mm6、校核校核所以，所选分离器适用。所以，所选分离器适用。由由 V=bhu，b=D/5，h=3D/5，得得 B=0.175，D=5B，h=3D/5=3B=0.525，3636由于分离器各部分的尺寸都是由于分离器各部分的尺寸都是D D的倍数，所以只要进口气速的倍数，所以只要进口气速u ui i相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。相同，不管多大的旋风分离器，其压力损失都相同。压力损失相同时，小型分离器的压力损失相同时，小型分离器的b=D/5b=D/5值较小，则小型分离器值较小，则小型分离器的临界粒径较小。的临界粒径较小。旋风分离器的使用旋风分离器的使用 由于分离器各部分的尺寸都是D的倍数，所以只要进口气速ui相同3737双联双联四联四联 用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离器，可以提高分离效率。器，可以提高分离效率。双联四联 用若干个小旋风分离器并来代替一个大旋风分离3838灰尘灰尘净化气体净化气体含尘气体含尘气体1.结构结构 滤袋、骨架、机壳、清滤袋、骨架、机壳、清灰装置、灰斗、排灰阀。灰装置、灰斗、排灰阀。2.工作过程工作过程含尘气体进入袋滤器；含尘气体进入袋滤器；气体通过滤袋，经顶部气体通过滤袋，经顶部排出；排出；灰尘被截留；灰尘被截留；聚集一定厚度灰尘后，聚集一定厚度灰尘后，压缩空气通入，滤袋振动，压缩空气通入，滤袋振动，灰尘落下；灰尘落下；灰尘经过排灰阀排除。灰尘经过排灰阀排除。压缩空气压缩空气骨架骨架滤袋滤袋机壳机壳清灰装置清灰装置排灰阀排灰阀灰斗灰斗清灰原则清灰原则 及时清灰；及时清灰；不彻底清灰。不彻底清灰。袋滤器袋滤器 灰尘净化气体含尘气体结构 2.工作过程含尘气体进入袋滤器；3939 含尘气体的分离系统含尘气体的分离系统4050 m 5 m，dpc50=12 m 0.5 m达达90%灰尘灰尘含尘气体含尘气体净化气体净化气体灰尘灰尘灰尘灰尘重力沉降室重力沉降室旋风分离器旋风分离器袋滤器袋滤器离心风机离心风机 含尘气体的分离系统4050 m 4040 利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径不同及密度不同的颗粒进行分级。及密度不同的颗粒进行分级。结构和工作原理：结构和工作原理：与旋风分离器相似。与旋风分离器相似。4 4 旋液分离器旋液分离器(hydraulic cyclone)hydraulic cyclone)利用离心力的作用，使悬浮液中固体颗粒增稠或使粒径4141l悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。工作过程：工作过程：l液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降液流中的颗粒受离心力作用，沉降到器壁，并随液流下降到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。到锥形底的出口，成为较稠的悬浮液而排出，称为底流。l澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内澄清的液体或含有较小较轻颗粒的液体，则形成向上的内旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。旋流，经上部中心管从顶部溢流管排出，称为溢流。悬浮液从圆筒上部的切向进口进入器内，旋转向下流动。工作过程：4242 液体的粘度约为气体的液体的粘度约为气体的50倍，液体的倍，液体的(p-)比气体的小，悬浮液的进口速比气体的小，悬浮液的进口速度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒，度也比含尘气体的小，所以同样大小和密度的颗粒，沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。沉降速度远小于含尘气体在旋风分离器中的沉降速度。要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。要达到同样的临界粒径要求，则旋液分离器的直径要比旋风分离器小很多。特点特点旋液分离器的圆筒直径一般为旋液分离器的圆筒直径一般为75300mm。悬浮液进口速度一般为悬浮液进口速度一般为515m/s。压力损失约为压力损失约为50200kPa。分离的颗粒直径约为分离的颗粒直径约为1040 m m。主要技术参数主要技术参数 液体的粘度约为气体的50倍，液体的(p-4343 p特点：特点：离心分离因数可达离心分离因数可达1300013000，也有高达，也有高达10105 5的超速离心机。的超速离心机。转鼓内装有三个纵向平板，以使料液迅速达到与转鼓相同的转鼓内装有三个纵向平板，以使料液迅速达到与转鼓相同的角速度。角速度。适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。适用于于分离乳浊液及含细颗粒的稀悬浮液。(5)(5)(5)(5)沉降式离心机沉降式离心机沉降式离心机沉降式离心机 沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液沉降式离心机是利用离心沉降的原理分离悬浮液或乳浊液的机械。的机械。的机械。的机械。1)1)1)1)管式离心机（管式离心机（管式离心机（管式离心机（tubular-bowl centrifugetubular-bowl centrifugetubular-bowl centrifugetubular-bowl centrifuge）特点：离心分离因数可达13000，也有高达105的超速4444p分离乳浊液的管式离心机操作原理分离乳浊液的管式离心机操作原理 转鼓由鼓由转轴带动旋旋转。乳。乳浊液由底部液由底部进入，在入，在转鼓内从下鼓内从下向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液向上流动过程中，由于两种液体的密度不同而分成内、外两液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液层。外层为重液层，内层为轻液层。到达顶部后，轻液与重液分别从各自的溢流口排出。分别从各自的溢流口排出。p分离悬浮液的管式离心机操作原理分离悬浮液的管式离心机操作原理 流量流量Vs为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为为悬浮液从底部进入，悬浮液是由密度为的与密度的与密度为为p的少量颗粒形成的。假设转鼓内的液体以转鼓的旋转角速的少量颗粒形成的。假设转鼓内的液体以转鼓的旋转角速度度随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由液面随着转鼓旋转。液体由下向上流动过程中，颗粒由液面r1处沉降到转鼓内表面处沉降到转鼓内表面r2处。凡沉降所需时间小于式等于在转鼓处。凡沉降所需时间小于式等于在转鼓内停留时间的颗粒，均能沉降除去。内停留时间的颗粒，均能沉降除去。分离乳浊液的管式离心机操作原理 转鼓由转轴带动旋转。乳浊4545当颗粒的沉降处于斯托克斯区时，其沉降速度（径向）为当颗粒的沉降处于斯托克斯区时，其沉降速度（径向）为斯托克斯区的重力沉降速度为斯托克斯区的重力沉降速度为当颗粒的沉降处于斯托克斯区时，其沉降速度（径向）为斯托克斯区4646积分边界积分边界边界条件：边界条件：=0=0时，时，r=rr=r1 1；=t t时，时，r=rr=r2 2。取颗粒的停留时间等于流体在转鼓内的停留时间，即取颗粒的停留时间等于流体在转鼓内的停留时间，即对上式积分，得沉降时间对上式积分，得沉降时间积分边界边界条件：=0时，r=r1；=t时，r=r24747 对于一定的悬浮液处理量对于一定的悬浮液处理量Vs，只有粒径，只有粒径dp满足条件满足条件t的的颗粒，才能全部除去。根据颗粒，才能全部除去。根据t=，可得，可得式中式中ut的为重力沉降速度。的为重力沉降速度。所以当颗粒为临界粒径所以当颗粒为临界粒径dpc时，悬浮液的处理量为时，悬浮液的处理量为 以上两式表示悬浮液处理量以上两式表示悬浮液处理量Vs与转鼓尺寸（与转鼓尺寸（r1、r2及及h）、）、转鼓角速度转鼓角速度及颗粒临界直径及颗粒临界直径dpc之间的关系。之间的关系。对于一定的悬浮液处理量Vs，只有粒径dp满足条件4848例：水中含有极少量细小颗粒的悬浮液，想用管式高例：水中含有极少量细小颗粒的悬浮液，想用管式高速离心机分离，使其中速离心机分离，使其中1m1m以上的颗粒全部除去。试以上的颗粒全部除去。试求最大的悬浮液进料量为多少。离心机转鼓尺寸为：求最大的悬浮液进料量为多少。离心机转鼓尺寸为：r r1 1=5cm=5cm、r r2 2=8cm=8cm，h=60cmh=60cm。转鼓的鼓的转数数为12000rpm12000rpm。悬浮液温度浮液温度为2020，颗粒的密度粒的密度为23000kg/m23000kg/m3 3。例：水中含有极少量细小颗粒的悬浮液，想用管式高速离心机分离，4949解：查得水在解：查得水在20时的时的 =10-3Pas，=1000kg/m3，转鼓的旋转角速度转鼓的旋转角速度 =2N/60=2(12000)/60=1257rad/s重力沉降速度重力沉降速度 ut=gdp2(p-)/18 =9.81(10-6)2(2300-1000)/(1810-3)=7.0910-7m/s悬浮液的进料量为悬浮液的进料量为解：查得水在20时的 =10-3Pas，=10005050 分离乳浊液的碟式离心机分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔：碟片上开有小孔。乳浊液通过小孔流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉流到碟片的间隙。在离心力作用下，重液沿着每个碟片的斜面沉降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个降，并向转鼓内壁移动，由重液出口连续排出。而轻液沿着每个碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。碟片的斜面向上移动，汇集后由轻液出口排出。主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱主要分离乳浊液中轻、重两液相，例如油类脱水、牛乳脱脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。脂等；也可以澄清含少量细小颗粒固体的悬浮液。澄清悬浮液用的碟式离心沉降机澄清悬浮液用的碟式离心沉降机：碟片上不开孔。只有一个：碟片上不开孔。只有一个清液排出口。沉积在转鼓内壁上的沉渣，间歇排出。只适用于清液排出口。沉积在转鼓内壁上的沉渣，间歇排出。只适用于固体颗粒含量很少的悬浮液。当固体颗粒含量较多时，可采用固体颗粒含量很少的悬浮液。当固体颗粒含量较多时，可采用具有喷嘴排渣的碟式离心沉降机，例如淀粉的分离。具有喷嘴排渣的碟式离心沉降机，例如淀粉的分离。2)2)2)2)碟式离心机（碟式离心机（碟式离心机（碟式离心机（disk-bowl centrifugedisk-bowl centrifugedisk-bowl centrifugedisk-bowl centrifuge）分离乳浊液的碟式离心机：碟片上开有小孔5151