沉降分離原理及方法

1、第二節(jié) 沉降分離原理及方法 重力沉降一、球形顆粒的自由沉降工業(yè)上沉降操作所處理的顆粒甚小，因而顆粒與流體間的接觸表面相對(duì)甚大，故阻力速度增長很快,可在短暫時(shí)間內(nèi)與顆粒所受到的凈重力達(dá)到平衡，所以重力沉降過程中，加速度階段?？珊雎圆挥?jì)?；虍?dāng)顆粒開始沉降的瞬間： 因?yàn)?最大當(dāng) 沉降速度“終端速度”推導(dǎo)得 式中：球形顆粒的自由沉降速度，;顆粒直徑，;顆粒密度，;流體密度，;重力加速度;阻力系數(shù)，無因次， 球形度 綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，上式為表面光滑的球形顆粒在流體中的自由沉降公式。滯留區(qū) 斯托克斯公式過渡區(qū) 艾侖公式湍流區(qū) 牛頓公式該計(jì)算公式（自由沉降公式）有兩個(gè)條件：1.容器的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒尺寸（譬如

2、100倍以上）否則器壁會(huì)對(duì)顆粒的沉降有顯著的阻滯作用，（自由沉降是指任一顆粒的沉降不因流體中存在其他顆粒而受到干擾。自由沉降發(fā)生在流體中顆粒稀松的情況下，否則顆粒之間便會(huì)發(fā)生相互影響，使沉降的速度不同于自由沉降速度，這時(shí)的沉降稱為干擾沉降。干擾沉降多發(fā)生在液態(tài)非均相系的沉降過程中。）2.顆粒不可過分細(xì)微，否則由于流體分子的碰撞將使顆粒發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)。二、非球形顆粒的自由沉降 球面積公式 半徑; 與顆粒體積相等的一個(gè)圓球的表面積; 顆粒的表面積 。 -顆粒體積; 顆粒當(dāng)量直徑。三、沉降速度的計(jì)算1、試差法見講義例題,計(jì)算以判斷流型后選計(jì)算式，先確定流型求出計(jì)算出檢驗(yàn)是否符合假設(shè)。2、摩擦數(shù)群法使及

3、坐標(biāo)之一變成的已知數(shù)群 解得 又令與相乘可消去 查圖 求另也可用 消去顆粒直徑四、重力沉降設(shè)備1、降塵室：令降塵室長度m;H降塵室高度m;b降塵室寬度m;顆粒沉降速度m/s;u氣體在降塵室內(nèi)水平通過的速度m/s;顆粒沉降時(shí)間：，氣體通過時(shí)間：顆粒被分離出來的條件：即令：。氣體水平流速：，代入或注意；、 按需要完全分離下來的最小顆粒計(jì)算。、 應(yīng)保證氣體流動(dòng)雷諾準(zhǔn)數(shù)處于滯流區(qū)。2、懸浮液的沉聚過程懸浮液的沉聚過程；屬重力沉降，在沉降槽中進(jìn)行。固體顆粒在液體中的沉降過程，大多屬于干擾沉降。比固體顆粒在氣體中自由沉降阻力大。隨著沉聚過程的進(jìn)行，兩區(qū)逐漸擴(kuò)大，區(qū)這時(shí)逐漸縮小至消失。在沉降開始后的一段時(shí)間

4、內(nèi)，兩區(qū)之間的界面以等速向下移動(dòng)，直至區(qū)消失時(shí)與區(qū)的上界面重合為止。此階段中界面向下移動(dòng)的速度即為該濃度懸浮液中顆粒的表觀沉降速度。表觀沉降速度不同于顆粒的沉降速度，因?yàn)樗穷w粒相對(duì)于器壁的速度，而不是顆粒相對(duì)于流體的速度。 等濃度區(qū)消失后，界面以逐漸變小的速度下降，直至區(qū)消失，此時(shí)在清液區(qū)與沉聚區(qū)之間形成一層清晰的界面，即達(dá)到“臨界沉降點(diǎn)”,此后便屬于沉聚區(qū)的壓緊過程。區(qū)又稱為壓緊區(qū)，壓緊過程所需時(shí)間往往占沉聚過程的絕大部分。通過間歇沉降實(shí)驗(yàn)，可以獲得表觀沉降速度與懸浮液濃度及沉渣濃度與壓緊時(shí)間的二組對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，作為沉降槽設(shè)計(jì)的依據(jù)。運(yùn)動(dòng)與靜止的相對(duì)性:自然界中所有物質(zhì)都是運(yùn)動(dòng)的，我們平時(shí)

5、所說的運(yùn)動(dòng)與靜止都是相對(duì)于不動(dòng)的物體（參照物）而說的，物體相對(duì)于參照物發(fā)生位置的變化叫運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生位置變化的叫靜止，由于參照物不同，觀察同一物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不同。因此運(yùn)動(dòng)與靜止只有相對(duì)的意義。3、 沉降槽的構(gòu)造與操作沉降槽分為間歇式和連續(xù)式兩種：(1) 間歇式；需處理的懸浮液料漿送入槽內(nèi)，靜置足夠時(shí)間后，即由上部抽出清液而由底口排出稠厚的沉渣。(2) 連續(xù)式：（沉降槽的直徑幾米至幾百米）。底流：排出的稠漿稱為底流。4、 連續(xù)沉降槽的計(jì)算(1) 沉降槽的面積以加料口為界,加料口以上為澄清區(qū),以下為增濃區(qū)。清液上行至溢流口流出,顆粒與液體一塊下行至增濃區(qū),進(jìn)行沉聚過程。若進(jìn)入連續(xù)沉降槽,料漿體積流

6、量為，其中固相體積分率為，底流中固相體積分率為則：底流中固相體積流量， （因?yàn)榉€(wěn)定操作,各個(gè)不同深度處濃度是恒定的，所以料漿中固相體積流量必須等于底流中固相體積流量。化工生產(chǎn)是穩(wěn)定的,各個(gè)車間工段的設(shè)備均是穩(wěn)定的。即: 料漿中固相體積流量必須等于底流中固相體積流量）。底流中體積流量 底流中 令增稠段各個(gè)橫截面必須有一個(gè)總體下行速度 總體 總體下行即: 指底流相對(duì)于器壁的流速， 底流體積流量 底流固相體積流量。在增稠段內(nèi)任取一個(gè)水平截面，設(shè)該截面上,固相體積分率為e H該水平面截面厚度，是增稠段內(nèi)固相截面積，A是增稠段固液總截面積 。舉例: 順?biāo)俣?靜水速度+水流速度，逆水速度=靜水速度-水流

7、速度，是底流總體相對(duì)于管壁的速度，,即在靜止流體中沉降速度。 代入整理得 ，方程兩邊同除移項(xiàng)整理得， 如設(shè)容器壁為參照物,則水向上的流速即為料漿=底流+溢流水 若懸浮液中固相濃度以單位體積內(nèi)的固相質(zhì)量C表示時(shí)，變?yōu)槿我粰M截面上的固相濃度，（懸浮液）沉渣中(底渣)固相濃度，（底流） ， 單位固體密度 單位 單位 若懸浮液中固相濃度以固液質(zhì)量比的形式表示時(shí)：任一截面上固液質(zhì)量比；沉渣中固液質(zhì)量比懸浮液密度 單位 單位求取最大橫截面A值后,乘以安全系數(shù)作為沉降槽的實(shí)際橫截面積。對(duì)于直徑5m以上的沉降槽，安全系數(shù)為1.5,對(duì)于直徑30m以上的沉降槽，安全系數(shù)為1.2 。(2 ) 沉降槽的高度沉渣壓緊時(shí)

8、間往往比料漿達(dá)到臨界沉降所經(jīng)歷時(shí)間長，故用依據(jù)壓緊時(shí)間來決定沉降槽高度 質(zhì)量守恒因?yàn)榉€(wěn)定操作壓緊區(qū)的高度是恒定的，既是恒定、壓緊區(qū)的容積必等于底流排出沉渣體積?；?（3）壓緊區(qū)的高度； 橫截面積； 底流中間相質(zhì)量流量，； 底流中間固、液相質(zhì)量比，；沉降槽總高度。(通常要附加約75%的壓緊區(qū)的高度作為安全余量 ,沉降槽的總高度則等于壓緊區(qū)高度加上其它區(qū)域的高度,后者可取12m)。 離心沉降 重力場(chǎng)強(qiáng)度可視為常數(shù)，其方向指向地心。離心力 化工 慣性離心力場(chǎng)強(qiáng)度 （切線速度）或 一、慣性離心力作用下的沉降速度中心外（徑向）；顆粒直徑，密度，流體密度,切向速度 作用在顆粒上的力顆粒與流體在徑向上的相對(duì)

9、速度等速是則被稱為重力沉降速度。這三個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)，顆粒在徑向上相對(duì)與流體的速度被稱為離心沉降速度。 （1）、作用在小球上的力屬于慣性離心力; （2）、流體對(duì)顆粒的向心力。密度為的流體作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，有一個(gè)向心力，這個(gè)力阻止小球向外運(yùn)動(dòng); （3）、阻力，假定流體不動(dòng)，顆粒由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，受到流體的阻力。 ; ; 阻力 顆粒與流體在徑向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。解得： 1、離心沉降速度與重力沉降速度的異同 （1）相似之處： 公式形式相似; （2）相異之處：方向 向下 向外 大小 不變（恒量）變量 如 代入， 參看前式: 2、分離因數(shù)（同一顆粒在同種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值為： 分因數(shù)是離心

10、設(shè)備的重要指標(biāo)）。一、 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)與操作原理旋風(fēng)分離器是利用慣性離心力的作用從氣流中分離出含有塵粒的設(shè)備。除塵顆粒直徑以上的顆粒,不適宜粘性，濕性、及腐蝕性粉塵。顆粒被拋向管壁，動(dòng)能變靜壓能、變成熱能，最后沿壁面落入灰斗。含塵氣體由圓筒上部的進(jìn)氣管切向進(jìn)入，受器壁的約束而向下作螺旋運(yùn)動(dòng)。在慣性離心力作用下，顆粒被拋向器壁而與氣體分離，再沿壁面落至錐底的排灰口。凈化后的氣體在中心軸附近由下向上作螺旋運(yùn)動(dòng)，最后由頂部排氣管排出。三、旋風(fēng)分離器的性能 1、臨界粒徑：是指在旋風(fēng)分離器中能被完全分離下來的最小顆粒直徑。臨界粒徑是判斷分離效率高低的重要依據(jù)。 2、臨界粒徑推導(dǎo)的條件、假設(shè):（1）氣體

11、作螺旋等速運(yùn)動(dòng)，切向速度等于進(jìn)口氣速 ；（2）顆粒穿過厚度為B的氣流層沉降分離;（3）顆粒作滯流自由沉降。因，()，根據(jù)條件1、3 式可簡為： 用慣性離心加速度代替重力加速度根據(jù)條件2，顆粒到達(dá)器壁所需沉降時(shí)間為：令氣流的有效旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為，(指真正起分離顆粒離心作用的圈數(shù))。它在器內(nèi)運(yùn)行的距離便是，則停留時(shí)間為： （條件1）若某種尺寸的顆粒所需的沉降時(shí)間恰等于停留時(shí)間，該顆粒就是理論上能被完全分離下來的最小顆粒，以代表這種顆粒的直徑,即臨界粒徑。則 解得： 3、注意點(diǎn)（1）（D圓筒直徑） 所以,氣體處理量大時(shí)，常常將若干個(gè)旋風(fēng)分離器并聯(lián)使用，以維持較高的除塵效率。(2) 推導(dǎo)上式時(shí)，（1）、（2

12、）兩項(xiàng)假設(shè)與實(shí)際情況差距較大，但因這個(gè)公式非常簡單，只要定出合適的值，可以使用。的數(shù)值一般為，但對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器可取。4、分離效率（1）總效率：進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部顆粒中被分離下來的質(zhì)量分率，即 旋風(fēng)分離器進(jìn)口氣體含塵濃度 旋風(fēng)分離器出口氣體含塵濃度 優(yōu)點(diǎn)：易測(cè)定缺點(diǎn)：不能表明旋風(fēng)分離器對(duì)各種尺寸粒子的分離效果。(2) 分效率（粒級(jí)效率）：按各種粒度分別表明其被分離下來的質(zhì)量分率。把氣體中所含顆粒的尺寸范圍等分成n個(gè)小段，則其中第i個(gè)小段范圍內(nèi)的顆粒（平均粒徑為）的粒級(jí)效率定義為： 式中：進(jìn)口氣體中粒徑在第小段范圍內(nèi)的顆粒的濃度。出口氣體中粒徑在第小段范圍內(nèi)的顆粒的濃度。 (3) 對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線稱粒級(jí)效率曲線,可以實(shí)測(cè)。(4)分割粒徑 : 粒級(jí)效率恰為50%的顆粒直徑。 D設(shè)備直徑m， 是