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非均相物系的分离
第2章
非均相物系分离
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学习目标
1
了解：非均相物系分离的主要方法、分离过程、主要特点与工业应用；常见重力沉降设备、离心沉降设备及过滤设备的结构特点与用途；
3
掌握：非均相物系分离方法的选择；
2
理解：影响沉降、过滤的主要因素；离心沉降相对于重力沉降的优势；重力沉降设备做成多层的依据。
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能力目标
通过本章的学习，掌握非均相物系分离的原理和主要方法，能够进行非均相物系分离的主要方法的选择和设备的操作、控制及事故分析处理。
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2.2.1 重力沉降
沉降:借助于某种外力作用,使密度不同的两相发生相对运动,从而实现分离的操作.
重力沉降:在重力作用下使流体与颗粒之间发生相对运动而得以分离的操作 .
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实现沉降的先决条件是分散相和连续相之间存在着密度差。
重力沉降适用于分离较大的固体颗粒。
分为:自由沉降和干扰沉降
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在沉降系统中，颗粒之间的距离足够大，任一颗粒的沉降不因它颗粒存在而受到干扰，同时又可忽略器壁面的影响，则称为自由沉降。
反之则称为干扰沉降或受阻沉降。液态非均相物系中，当分散相浓度较高时，往往发生干扰沉降。
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流体与粒子间相对运动的三种情况
流体静止，颗粒作沉降或浮升运动；
颗粒静止，流体对颗粒作绕流；
流体和颗粒都运动，但在重力场中二者保持一定的相对运动速度。
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一、重力作用下的沉降速度
颗粒在流体中降落，受到重力、流体浮力以及摩擦阻力的共同作用。
颗粒下降时先加速，短时间内受力达到平衡，速度不变。这个不变的降落速度就是颗粒的沉降速度ut。对于自由沉降，则称为自由沉降速度。
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分析颗粒的沉降过程
假设：颗粒是球形；
沉降的颗粒相距较远，互不干扰；
容器壁对颗粒的阻滞作用可以忽略
若容器的直径小于100倍的颗粒直径，这种作用的影响便出现
颗粒直径不能小于2～3μm
否则颗粒受到流体分子运动的影响，严重时，甚至不能沉降
球形颗粒
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如图所示，在垂直方向上，颗粒将受到3个力的作用，即向下的重力Fg，向上的浮力Fb和与颗粒运动方向相反的阻力Fd。对于一定的颗粒与流体，重力、浮力恒定不变，阻力则随颗粒的降落速度而变。三个力的大小为:
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当前面的假设成立时，则它所遇到的流体阻力Fd可用阻力公式求得，即
N
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ζ：阻力系数；
A：球形粒子在与沉降方向垂直的平面上的投影，等于πd2/4，m；
d:粒子的直径，m；
ρ:为流体介质的密度，kg/m3；
u:为沉降过程中粒子与介质之间的相对运动速度，m/s。
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又设ρs为球形粒子的密度（kg/m3），则粒子受到的重力Fg为:
N
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此球形粒子在介质中受到的浮力Fb为:
N
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根据牛顿第二定律
Fg－Fb－Fd＝ma N
式中，m为粒子的质量，a为粒子降落时的加速度。
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当微粒作等速沉降时，a＝0，即
Fg－Fb － Fd＝0，亦即
整理得： m/s
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式中的ζ称为粒子与流体相对运动的阻力系数。在计算ut时，关键在于确定阻力系数ζ。ζ是雷诺准数Re的函数,ζ ＝f(Ret)。其值由实验确定。
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沉降速度不仅与雷诺数有关，还与颗粒的球形度有关。 为了计算方便，引入球形度系数φs .
球形颗粒：
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对于非球形颗粒，计算雷诺数时，应以当量直径de（与实际颗粒具有相同体积的球形颗粒的直径）代替d，de的计算式为:
式中 Vp——实际颗粒的体积，m3。
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下图表达了由实验测得的不同Φs下ζ与Ret的关系。
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为了方便计算，ζ和Re的关系，也可用公式表示：
，
，
ζ＝0.44
层流区 10-4过渡区 2< Ret≤103
湍流区 103≤Ret<2×105
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1、层流区域的沉降
m/s
由上式可见：固体粒子的沉降速度，与粒子和流体的密度差成正比，而与流体的粘度成反比。
此式称为斯托克斯定律。
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2、过渡流区域的沉降
m/s
此式称为阿伦定律。
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3、湍流区域的沉降
此式称为牛顿定律。
m/s
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4、ut的计算步骤
首先要判断流动类型，然后确定使用哪一个计算式。
因为ζ与Re值有关，而Re值又由ut值确定，所以要用试差法。
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考虑到所处理的微粒一般都很小，可先假设沉降属于层流区域，直接采用
算出ut，然后把算出的ut
值代入
如果检验不符，再假设其他区域进行计算，然后再用Re值验算。
检验Re是否小于1。
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注意
上述计算ζ和ut的公式都是根据光滑球形粒子的沉降实验结果得出的。实际上，悬浮的粒子多不是球形，也不一定光滑。因此，阻力系数一般比按上述公式算出的值要大，沉降速度要比计算值小。
思考：沉降区域的划分与管流过程有何不同？为什么？
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颗粒含量
颗粒形状
颗粒大小
流体性质
流体流动
器壁影响
二、实际沉降的影响因素
颗粒含量
较大，使
颗粒的沉
降速度较
自由沉
降时小。
对于同种
颗粒，球
形颗粒的
沉降速度
要大于非
球形颗粒
沉降速度
其它条
件相同
时，粒径
越大，沉
降速度越
大，越容
易分离。
流体与颗
粒的密度
差越大，
沉降速度
越大；流
体粘度越
大，沉降
速度越小
对颗粒沉
降产生干
扰，为减
少干扰，
要控制流
体流动处
于稳定的
低速
摩擦干扰
使颗粒的
沉降速度
下降；吸
附干扰，
使颗粒沉
降距离
缩短。
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三、重力沉降设备
1、 降尘室
凭借重力沉降以除去气体中的尘粒的设备称为降尘室（或除尘室） 。
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除尘原理
气体从除尘室入口流向出口的过程中，气体中的颗粒随气体向出口流动，同时向下沉降。如果颗粒在抵达除尘室出口前已经沉到室底而落入集尘斗中，则颗粒从气体中分出，否则颗粒将被气体带出。
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除尘条件qV≤utLB
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停留时间 ：
沉降时间 ：
至少 所以： （降尘室的设计原理）
整理，得

即
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由上式可知，降尘室的生产能力（达到一定沉降要求单位时间所能处理的含尘气体量）只取决于降尘室的沉降面积（BL），而与其高度（H）无关。
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因此，降尘室一般都设计成扁平形状，或设置多层水平隔板称为多层降尘室。但必须注意控制气流的速度不能过大，一般应使气流速度<1.5m/s，以免干扰颗粒的沉降或将已沉降的尘粒重新卷起。
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降尘室的特点：
结构简单，
但设备庞大、效率低。
只适用于分离粗颗粒——直径50μm以上的颗粒。或作为预分离设备。
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例题分析
采用除尘室除去矿石焙烧炉出口的炉气中含有的粉尘。在操作条件下炉气流量为25000m3/h，密度为0.6kg/m3，粘度为2×10-5Pa．s，其中氧化铁粉尘的密度为4500kg/m3，要求全部除掉直径大于100μm的粉尘，试计算：
（1）所需除尘室的尺寸
（2）用上述计算确定的除尘室，要求讲炉气中直径为75μm的尘粒完全除掉，炉气的最大允许处理量为多少？
（本题可以认为Re≤2为层流）
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2、沉降器
处理悬浮液的重力沉降设备，称为沉降器或增浓器。
沉降器可分为间歇式、半连续式和连续式三种。
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连续沉降槽 沉降槽又称增稠器或澄清器，是用来处理悬浮液以提高其浓度或得到澄清液的重力沉降设备。
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连续沉降槽
优点：操作连续化和机械化，构造简单，处理量大，沉淀物的浓度均匀。沉降槽的直径可达100m，它的生产能力可达每昼夜沉降出3000t的沉淀物。
缺点：设备庞大，占地面积大，分离效率低。
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连续沉降槽用途
分离固体浓度低而液体量大的悬浮液。凡浓度在1％以下的都可以在增浓器中初步处理，然后将沉淀送去过滤或者离心分离等。湿沉淀固体含量可达50％。这种设备常用作无机盐的洗涤精制设备。工业上大多数污水处理都采用连续沉降槽。
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课堂小结
1、混合物分离中的几个概念
分散相、连续相
2、非均相系分离的目的以及常用方法
3、重力作用下的沉降速度（分区讨论）
4、除尘室(设计计算和操作计算)
5、沉降器
连续沉降槽的工作方式、优点、缺点以及应用
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思考题
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前面三个图片为工业烟囱。多为圆柱体，高度通常在50米以上，为下粗上细结构，排放出来的气体才能满足环保要求。
（a）（b）（c）哪个符合要求？为什么？
在烟道气排放过程中是应用的沉降原理吗？如果不是，又是应用的什么原理？

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