第四章__沉降與過濾(20131016)

1、 第四章第四章 沉降與過濾沉降與過濾重點重點：過濾和沉降的基本理論、基本方程：過濾和沉降的基本理論、基本方程難點難點：過濾基本方程的應(yīng)用、過濾設(shè)備：過濾基本方程的應(yīng)用、過濾設(shè)備主要內(nèi)容主要內(nèi)容l0.概述概述l1.重力沉降重力沉降l2.過濾過濾l3.離心分離離心分離l4.氣溶膠的分離氣溶膠的分離p均相物系均相物系(honogeneous system): 均相混合物。物系內(nèi)均相混合物。物系內(nèi)部各處均勻且無相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。部各處均勻且無相界面。如溶液和混合氣體都是均相物系。自然界的混合物分為兩大類：自然界的混合物分為兩大類：p非均相物系非均相物系(non-honogeneou

2、s system): 非均相混合物。非均相混合物。物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有物系內(nèi)部有隔開不同相的界面存在，且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)有顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，顯著差異。如：懸浮液、乳濁液、泡沫液屬于液態(tài)非均相物系，含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。含塵氣體、含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系。第第0節(jié)節(jié) 概述概述p分散相分散相： 分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。狀態(tài)的物質(zhì)。p連續(xù)相連續(xù)相： 分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。狀態(tài)的流體。非均相物系由分

3、散相和連續(xù)相組成非均相物系由分散相和連續(xù)相組成 要實現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相要實現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對運動。因此，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)對運動。因此，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。的基本規(guī)律。p非均相物系的分離原理：非均相物系的分離原理： p非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：根據(jù)兩相物理性質(zhì)根據(jù)兩相物理性質(zhì)( (如密度等如密度等) )的不同而進行的分離。的不同而進行的分離。 由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較由于非均相物的兩相間的密度等物理特性差異較大，因此常采用大，因此常采用機械方法機械方法進行分離。按兩相運動

4、方式進行分離。按兩相運動方式的不同，機械分離大致分為的不同，機械分離大致分為沉降和過濾沉降和過濾兩種操作。兩種操作。 通常先造成一個兩相物系，再用機械分離的方法分通常先造成一個兩相物系，再用機械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。離，如蒸餾，萃取等。p非均相物系的分離方法：非均相物系的分離方法：p均相物系的分離均相物系的分離：p 定義：定義：p沉降力場：重力、離心力。沉降力場：重力、離心力。 在某種力場的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的在某種力場的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對運動而分離的單元操作。密度差異，使之發(fā)生相對運動而分離的單元操作。p 沉降操作分類：重力沉降、離心

5、沉降。沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。第一節(jié)第一節(jié) 重力沉降重力沉降GO4-1 顆粒在流體中的流動顆粒在流體中的流動4.1A 顆粒與流體相對運動時所受的力顆粒與流體相對運動時所受的力 當(dāng)流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止當(dāng)流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(chǎn)生作用力，這流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳（種作用力通常稱為曳（ye）力或阻力。）力或阻力。理想流體理想流體 實際流體實際流體根據(jù)斯托克斯定律，連續(xù)流體以較低速度流過球形顆根據(jù)斯托克斯定律，連續(xù)流體以較低速度流過球形顆粒所產(chǎn)生

6、的曳力粒所產(chǎn)生的曳力(Fd)符合下列公式：符合下列公式：流體和顆粒間相對速度球體顆粒直徑；流體粘度；-d2)(424322uududduFddupRe42dApRe24 稱修正雷諾數(shù)稱修正雷諾數(shù)為球形顆粒投影面積為球形顆粒投影面積稱為阻力因數(shù)，則得：稱為阻力因數(shù)，則得：令令 流體密度；流體密度； 流體粘度；流體粘度； d dp p顆粒的當(dāng)量直徑；顆粒的當(dāng)量直徑； A A 顆粒在運動方向上的投影面積；顆粒在運動方向上的投影面積； u u 顆粒與流體相對運動速度。顆粒與流體相對運動速度。 阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)阻力系數(shù)，是雷諾數(shù)ReRe的函數(shù)，由實驗確定。的函數(shù)，由實驗確定。22uAFd顆粒所受的阻力

7、顆粒所受的阻力Fd可用可用下式計算下式計算 pRe/246.0Re/5.18p44.0層流區(qū)（斯托克斯層流區(qū)（斯托克斯StokesStokes區(qū)，區(qū)，1010-4-4 Re1Re1）注意：其中斯托克斯區(qū)的計算式是準(zhǔn)確的，其它兩個區(qū)域的計算式是近似注意：其中斯托克斯區(qū)的計算式是準(zhǔn)確的，其它兩個區(qū)域的計算式是近似的。的。過渡區(qū)（艾侖過渡區(qū)（艾侖AllenAllen區(qū)，區(qū)，11Re500Re500）湍流區(qū)（牛頓湍流區(qū)（牛頓NewtonNewton區(qū)，區(qū)，500Re1.5500Re1.510105 5）圖中曲線大致可分為三個區(qū)域，各區(qū)域的曲線用不同的計算式表示為：圖中曲線大致可分為三個區(qū)域，各區(qū)域的曲

8、線用不同的計算式表示為：4.1B沉降速度沉降速度1. 球形顆粒的自由沉降球形顆粒的自由沉降重力沉降重力沉降(gravity settling)：由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過程，稱為重力沉降。過程，稱為重力沉降。 自由沉降自由沉降（free settling）： 當(dāng)一個顆粒與容器器壁和與其他當(dāng)一個顆粒與容器器壁和與其他顆粒有足夠的距離，使該顆粒沉降不受它們的影響?；蛘哳w粒顆粒有足夠的距離，使該顆粒沉降不受它們的影響?；蛘哳w粒群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下群在流體中分散得較好而顆粒之間互不接觸互不碰撞的條件下沉降。沉降。 dbgFFF根據(jù)三

9、力平衡根據(jù)三力平衡:u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb2422udFpdgdFppg36gdFpb36 p p為顆粒密度為顆粒密度3)(40gdup球形顆粒自由沉降速度的一般公式球形顆粒自由沉降速度的一般公式 將不同流動區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各將不同流動區(qū)域的阻力系數(shù)分別代入上式，得球形顆粒在各區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為：區(qū)相應(yīng)的沉降速度分別為： 層流區(qū)層流區(qū)Stokes（Re1）18)(02gdpu756 .04 .06 .10)(154.0gdupgdpu)(074. 1過渡區(qū)過渡區(qū)AllenAllen（11Re500Re500）湍流區(qū)湍流區(qū)NewtonNewton

10、（500500Re10Re105 5）u u0 0與與d d有關(guān)。有關(guān)。d d愈大，愈大，u u0 0則愈大。則愈大。層流區(qū)與過渡區(qū)中，層流區(qū)與過渡區(qū)中，u u0 0還與流體粘度有關(guān)。還與流體粘度有關(guān)。液體粘度約為氣體粘度的液體粘度約為氣體粘度的5050倍，故顆粒在液體中的沉降速倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。度比在氣體中的小很多。假設(shè)流體流動類型；假設(shè)流體流動類型；計算沉降速度；計算沉降速度；計算計算ReRe，驗證與假設(shè)是否相符；驗證與假設(shè)是否相符；如果不相符，則轉(zhuǎn)。如果相符，如果不相符，則轉(zhuǎn)。如果相符，OK !OK !（1）試差法。）試差法。2.沉降速度的求算：沉降速度的求

11、算： （2）復(fù)驗法。）復(fù)驗法。假設(shè)沉降速度假設(shè)沉降速度u u，計算，計算ReRep p值；值；按圖按圖4-24-2查得查得，由，由 算的算的u0；由由u0，計算，計算ReRep p，按圖按圖4-2查得查得，由，由 算的算的u0；直至直至u0相符，相符，OK !OK !3)(40gdup例：計算直徑為例：計算直徑為9595 m m，密度為密度為30003000kg/mkg/m3 3的固體顆粒的固體顆粒分別在分別在20 20 的水中的自由沉降速度。的水中的自由沉降速度。smugdp/10797. 9310005. 11881. 9)2 .9983000()1095(18)(0362計算計算Re，核

12、算流型：核算流型：19244. 0Re33610005. 12 .99810797. 91095ud假設(shè)正確，計算有效。假設(shè)正確，計算有效。解：在解：在20 20 的水中：的水中： 20 20 水的密度為水的密度為998.2998.2kg/mkg/m3 3，粘度為粘度為1.0051.0051010-3 -3 PaPa s s先設(shè)為層流區(qū)。先設(shè)為層流區(qū)。 1) 1) 顆粒直徑顆粒直徑d dp p: :應(yīng)用：應(yīng)用：啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母，dpu ut t，使啤酒易于分離和澄清。使啤酒易于分離和澄清。均質(zhì)乳化，均質(zhì)乳化， dput，使飲料不易分層。使飲料不易分層。加絮凝劑，如

13、水中加明礬。加絮凝劑，如水中加明礬。2) 2) 連續(xù)相的粘度連續(xù)相的粘度 ：應(yīng)用：應(yīng)用：加酶：清飲料中添加果膠酶，使加酶：清飲料中添加果膠酶，使 ut，易于分離。易于分離。增稠：濃飲料中添加增稠劑，使增稠：濃飲料中添加增稠劑，使 ut，不易分層。不易分層。加熱：加熱：3) 兩相密度差兩相密度差( p- )：3 影響沉降速度的因素影響沉降速度的因素(以層流區(qū)為例以層流區(qū)為例) 4) 顆粒形狀顆粒形狀在實際沉降中：在實際沉降中：非球形顆粒的形狀可用球形度非球形顆粒的形狀可用球形度 s 來描述。來描述。pSSs s 球形度；球形度；S 顆粒的表面積，顆粒的表面積，m2；Sp 與顆粒體積相等的圓球的表

14、面積，與顆粒體積相等的圓球的表面積，m2。 不同球形度下阻力系數(shù)與不同球形度下阻力系數(shù)與ReRe的關(guān)系見課本圖示，的關(guān)系見課本圖示，ReRe中的中的d dp p用當(dāng)量直徑用當(dāng)量直徑d de e代替。代替。球形度球形度 s s越小，阻力系數(shù)越小，阻力系數(shù) 越大，但在層流區(qū)不明顯。越大，但在層流區(qū)不明顯。u ut t非球非球 u ut t球球 。對于細微顆粒對于細微顆粒( (d d0.50.5 m)m)，應(yīng)考慮分子熱運動的影響，不能用沉降公式應(yīng)考慮分子熱運動的影響，不能用沉降公式計算計算u ut t；沉降公式可用于沉降和上浮等情況。沉降公式可用于沉降和上浮等情況。注意：注意：6)干擾沉降干擾沉降（

15、hindered settling）： 當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時，當(dāng)非均相物系中的顆粒較多，顆粒之間相互距離較近時，顆粒沉降會受到其它顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降。干顆粒沉降會受到其它顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降速度比自由沉降的小。擾沉降速度比自由沉降的小。5) 壁效應(yīng)壁效應(yīng) (wall effect) ： 當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時，由于器壁的影響，其沉當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁效應(yīng)。降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁效應(yīng)。4.2A 間歇式沉降器間歇式沉降器 食品中主要用于沉降速度緩

16、慢的葡萄酒和果汁的澄清。食品中主要用于沉降速度緩慢的葡萄酒和果汁的澄清。4.2 重力沉降設(shè)備重力沉降設(shè)備4.2 重力沉降設(shè)備重力沉降設(shè)備4.2B 半連續(xù)式沉降器半連續(xù)式沉降器 懸浮液連續(xù)地從一端進入設(shè)備，隨液體水平向前流動，其中懸浮液連續(xù)地從一端進入設(shè)備，隨液體水平向前流動，其中的懸浮顆粒不斷向下沉降，澄清液連續(xù)不斷地自設(shè)備的另一端的懸浮顆粒不斷向下沉降，澄清液連續(xù)不斷地自設(shè)備的另一端排成，但沉淀物只能間歇的排出。排成，但沉淀物只能間歇的排出。 1.臨界速度：已經(jīng)沉積的顆粒不致被流體流動的曳力所帶走臨界速度：已經(jīng)沉積的顆粒不致被流體流動的曳力所帶走的流體流動最大速度。的流體流動最大速度。操作中

17、操作中,應(yīng)使操作流速應(yīng)使操作流速 u 5 m，dpc50=12 m 。主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)例：溫度為例：溫度為20，壓力為，壓力為0.1010.101Mpa，流量為流量為2.52.5m m3 3/s/s的含塵的含塵空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器除塵。粉塵密度為25002500kg/mkg/m3 3，試試計算臨界粒徑。選擇合適的旋風(fēng)分離器，使之能計算臨界粒徑。選擇合適的旋風(fēng)分離器，使之能100%100%的分的分離出離出6.56.5 m以上的粉塵。并計算壓損。以上的粉塵。并計算壓損。解：解： 20，0.101Mpa時空氣的：時空氣的： =1.21kg/m3， =1

18、.811010-5-5PaPa s s1 1、確定進口氣速：、確定進口氣速：u ui i=20m/s (15-20m/s)=20m/s (15-20m/s)2 2、計算、計算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旋風(fēng)分離器的選用旋風(fēng)分離器的選用此時此時550,160,220,1200,1100121DhBHDHsmuhBVi/2 .17)5/ 1 . 13()5/ 1

19、. 1 (5 . 23、 求求dpcmuNBdippc3 . 73)(32 .172500514. 322. 01081. 15kPaupi49.121.13 .82/22 .17223.8302121HHDDBh4、求、求 p5、 求求D，使使dpc=6.5 mmuNBdBippc5 . 63)(32 .172500514. 31081. 15B=0.175，D=5B ，h=3D/5=3B=0.525，取取ui=17m/s 17525. 0175. 05 . 2xx=1.6，取取x=2D=5B=0.875，取取D=800mm6、 校核校核)/2015(/25.16)5/8 . 03()5/8 . 0(2/5 . 2