四重力沉降设备doc.docx
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四重力沉降设备doc
第三章非均相混合物的分离
一、前言：
（本章:
本质上讲:
属于流体流动过程,从方法或手段上讲:
属于非均相分离过程,下册讲的
蒸馏、吸收、萃取等单元操作都是均相分离过程）。
1、相：
体系中具有相同组成，相同物理性质和相同化学性质的均匀物质。
相与相之间有明确的界面。
例如：
气、液、固称为三态，每一态又称为一相。
再例如：
空气（或溶液）虽是混合物，但
由于内部完全均匀，所以是一个相。
水和冰共存时，其组成虽同是H2O，但因有不同的
物理性质，所以是两个相；水、冰和蒸汽共存时是三个相。
两块晶体相同的硫磺是一个
相，两块晶体不同的硫磺（如斜方硫和单斜硫）是两个相。
2、均相：
凡物系内部各处物理料质均匀而不存在相界面者，称为均相混合物或均相物系。
溶
液及混合气都是均相混合物。
3、非均相：
凡物系内部有隔开两相的界面存在，而界面两侧的物料性质截然不同者，称为非
均相混合物或非均相物系。
液体与固体离子组成悬浮液（,如碎木屑放在水面上）
液态非均相（,含有气泡的液体即泡沫液）
非均相
气体与固体微粒组成含尘气体（,如:
合成氨厂造气车间煤气中夹杂煤渣子）,属于气体非均相
非均相物系里，处于分散状态的物质称为分散物质（或分散相），包围着分散物质而处于
连续状态的流体，称为分散介质（或连续相）。
如:
浮悬液中的固体颗粒，称为分散物质，液
体是分散介质。
4、非均相物系的分离：
通过机械方法分离非均相物系的单元操作。
具体点讲机械方法:
沉降和
过滤。
二、工业上非均相物系分离的目的
1、收取分散物质：
如从催化反应器出来的气体中，往往带有催化剂颗粒，必须把这些有价值的颗粒回收利用。
2、净化分散介质：
合成氨生产，半水煤气中含有CO2、H2S灰尘等杂质，为了防止合
成触媒中毒，必须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。
3、环境保护：
对三废：
废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受到人们的重视。
综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。
第一节沉降
沉降：
依靠某种力的作用，利用分散物质与分散介质密度差异使之发生相对运动而分离的过程。
3.1.1重力沉降
一、球形颗粒的自由沉降
工业上沉降操作所处理的颗粒甚小，因而颗粒与流体间的接触表面相对甚大，故阻力速度增长
很快,可在短暂时间内与颗粒所受到的净重力达到平衡，所以重力沉降过程中，加速度阶段常可忽略不计。
1/24
Fg
Fb
Fd
ma
Fd
Au2
2
或
d3
sg
d3g
d2
u2
d3
sa
6
6
4
2
6
阻力
浮力
重力
重力沉降示意图
当颗粒开始沉降的瞬间：
u0因为Fd0a最大
u
Fd
a
当a
0u
ut——沉降速度“终端速度”
ut
4gd
s
u
2
推导得
a0
d2
d3g
3
s
4
2
6
式中：
ut——球形颗粒的自由沉降速度，ms;
d——颗粒直径，
m;
s——颗粒密度，
kgm3
;
——流体密度，
kgm3
;
g——重力加速度
ms2
;
2/24
——阻力系数，无因次，
f
s.Ret
s——球形度
s
s
sp
综合实验结果，上式为表面光滑的球形颗粒在流体中的自由沉降公式。
滞留区
10
4
Ret
1
24
ut
d2
s
g
斯托克斯公式
Re
18
过渡区
1Re
103
18.5
ut
0.27
d
s
gRet0.6
艾仑公式
t
Re0.6
3
Ret
210
5
0.44ut
1.74
dsg
湍流区
10
牛顿公式
Ret
dut
该计算公式（自由沉降公式）有两个条件：
1.容器的尺寸要远远大于颗粒尺寸
（譬如100
倍以上）否则器壁会对颗粒的沉降有显著的阻滞
作用，（自由沉降—是指任一颗粒的沉降不因流体中存在其他颗粒而受到干扰。
自由沉降发生
在流体中颗粒稀松的情况下，否则颗粒之间便会发生相互影响，使沉降的速度不同于自由沉
降速度，这时的沉降称为干扰沉降。
干扰沉降多发生在液态非均相系的沉降过程中。
）
2.颗粒不可过分细微，否则由于流体分子的碰撞将使颗粒发生布朗运动。
二、非球形颗粒的自由沉降
s
s
球面积公式S4R2
R—半径;
sp
球
S—与颗粒体积相等的一个圆球的表面积;
Sp—颗粒的表面积m2
。
3
Vp
Vp-颗粒体积m3
;
de
6
3
6
de
de—颗粒当量直径
m。
Vp
三、沉降速度的计算
1、试差法见讲义例题,计算ut
utRet以判断流型后选计算式，先确定流型求出ut计算出Ref检验Ret是否符
合假设。
2、摩擦数群法
使及Ret坐标之一变成ut的已知数群
3/24
ut
4gd
s
解得
4ds
g
又Ret
dut
ut2
3
3
与Ret相乘可消去ut2
2
4d3
s
g
令
Ret
3
2
查Re2
~~~Rt图
求Ret2
查Ret
ut
Ret
t
d
另也可用Ret
1
消去颗粒直径
d
Ret
Ret
1
~~~Ret
de
ut
四、重力沉降设备
1、降尘室：
含
尘
气
体
尘粒
令l—降尘室长度[m];
H—降尘室高度[m];
b—降尘室宽度[m];
—颗粒沉降速度[m/s];
ut
u—气体在降尘室内水平通过的速度
[m/s];
H
，
气体通过时间：
l
颗粒沉降时间：
t
u
ut
颗粒被分离出来的条件：
t
即l
H
u
ut
净
化
气
体
4/24
令：
－降尘室处理含尘气体体积流量,又称为降尘室生产能力。
VS
气体水平流速：
u
Vs
l
H
Hb
，代入
ut
u
Vsblut
或
ut
Vs
bl
注意；１、ut按需要完全分离下来的最小颗粒计算。
２、u应保证气体流动雷诺准数处于滞流区。
2、悬浮液的沉聚过程
清液区
等浓度区
变浓度区
沉聚区
D
悬浮液的沉聚过程；属重力沉降，在沉降槽中进行。
固体颗粒在液体中的沉降过程，大多属于干扰沉降。
比固体颗粒在气体中自由沉降阻力大。
随着沉聚过程的进行，Ａ，Ｄ两区逐渐扩大，Ｂ区这时逐渐缩小至消失。
在沉降开始后的一段时间内，Ａ，Ｂ两区之间的界面以等速向下移动，直
至Ｂ区消失时与Ｃ区的上界面重合为止。
此阶段中ＡＢ界面向下移动的速度即为该浓度悬浮液中颗
粒的表观沉降速度u0。
表观沉降速度u0不同于颗粒的沉降速度ut，因为它是颗粒相对于器壁的速
度，而不是颗粒相对于流体的速度。
等浓度Ｂ区消失后，ＡＣ界面以逐渐变小的速度下降，直至Ｃ区消失，此时在清液区与沉聚区之
间形成一层清晰的界面，即达到“临界沉降点”,此后便属于沉聚区的压紧过程。
Ｄ区又称为压紧区，压紧过程所需时间往往占沉聚过程的绝大部分。
通过间歇沉降实验，可以获得表观沉降速度u0与悬浮液浓度及沉渣浓度与压紧时间的二组对应
关系数据，作为沉降槽设计的依据。
运动与静止的相对性:
自然界中所有物质都是运动的，我们平时所说的运动与静止都是相对于不
5/24
动的物体（参照物）而说的，物体相对于参照物发生位置的变化叫运动，不发生位置变化的叫静止，由于参照物不同，观察同一物体的运动状态也不同。
因此运动与静止只有相对的意义。
3、沉降槽的构造与操作
沉降槽分为间歇式和连续式两种：
料浆
1
2
4
35
溢
7
流
6
底口（排料）
连续式
底流
间歇式
1-进料槽道;2-转动机构;3-料井;4-溢流槽
;5-溢流管;6-
叶片;7-转耙
（1）间歇式；需处理的悬浮液料浆送入槽内，静置足够时间后，即由上部抽出清液而由底口排出稠
厚的沉渣。
（2）连续式：
d（沉降槽的直径几米至几百米）。
底流：
排出的稠浆称为底流。
4、连续沉降槽的计算
（1）沉降槽的面积
料浆
澄清区（颗粒作自由沉降）
加料口
该层中浓度=料
浆浓度
颗粒作干扰沉
降
增浓区
底流ec
以加料口为界,加料口以上为澄清区,以下为增浓区。
清液上行至溢流口流出,颗粒与液体一块下
行至增浓区,进行沉聚过程。
若进入连续沉降槽,料浆体积流量为Qm3s，其中固相体积分率为ef，底流中固相体积分率为
6/24
ec则：
底流中固相体积流量
液
ef
固相体积流量
各个不同深
Q.ef，Q
（因为稳定操作
固
Q
度处浓度是恒定的，所以料浆中固相体积流量必须等于底流中固相体积流量。
化工生产是稳定的
各
个车间工段的设备均是稳定的。
即
:
料浆中固相体积流量必须等于底流中固相体积流量）
。
Q.ef
液相
ec
底流中固相体积流量
底流中体积流量
底流中
ec
固相
底流的体积流量
固
令增稠段各个横截面必须有一个总体下行速度uu总体总体下行即:
指底流相对于器壁的
液
流速，uu
Q.ef
uuA—底流体积流量m3s
uuAec—底流固相体积流量m3s。
Aec
在增稠段内任取一个水平截面，设该截面上,固相体积分率为e
V固
‘
’
AH
A
‘
H—该水平面截面厚度
m，A'—是增稠段内固
e
AH
A
AAe
V
相截面积
m2
，A—是增稠段固液总截面积
m2
。
Qef
u0
Qe
A'u
ut
uuu0
u
—表观沉降速度
QefAe
f
0
Aec
t
举例:
顺水速度=静水速度+水流速度，逆水速度
=静水速度-水流速度，uu是底流总体相对于
管壁的速度，u0是颗粒相对于容器壁面表观沉降速度,即在静止流体中沉降速度。
Qef
Aeuuu0
Q.ef
整理得
Qef
eQef
Ae0u，方程两边同除
代入uu
ec
Aec
Qef
1
1
u0e移项整理得，A
e
ec
u0
11
料浆体积m3
底流m3
水m3
Qef
11
溢流出水总体积
m
3
eec
固相m3
固相m3
固相m3
eec
Au0溢流出水总体积m3
如设容器壁为参照物
则水向上的流速即为
u0
料浆=底流+溢流水
①若悬浮液中固相浓度以单位体积内的固相质量
Qef
1
1
变为
C表示时，A
u0
e
ec
7/24
A
Qefs
11
w
1
1
u0s
eec
u0
ccc
kg固
c—任一横截面上的固相浓度，
m3（悬浮液）
cc—沉渣中（底渣）固相浓度，
kg固
（底流）
m3
1
单位m
3悬浮液
，
1
1
单位
1
1
kg固
c
c
se
公斤（固）
固体体积米3
3
增稠段任一截面体积米
3
米（固）
s—固体密度kgm3
1
单位
1
31
1
sec
公斤（固）
米（固）
公斤（固）
3
3
3
底流
米（固）
米（底流）
米
1
单位
1
1
1
cc
公斤（固）
3
公斤（固）
米（固）
3
3
3
底流
米（固）
米（底流）
米
②若悬浮液中固相浓度以固液质量比的形式表示时：
A
w
（1
1）
u0
C
CC
X—任一截面上固液质量比
kg（固）
；XC—沉渣中固液质量比
kg（固）
kg（液）
kg（液）
—悬浮液密度kg
液
）
m
3
液
w
1
1）
A
（
（
（）
u0
XC
X
kg（液）
1单位kg（液）
单位
固
m3（液）
kg（液）
X
kg（固）
C
）
kg（固）
kg（
3固
m
（）
求取最大横截面
A值后,乘以安全系数作为沉降槽的实际横截面积。
对于直径5m以上的沉降槽，
安全系数为
1.5,对于直径
30m以上的沉降槽，安全系数为
1.2
。
（2）沉降槽的高度
沉渣压紧时间往往比料浆达到
临界沉降所经历时间长，故用依据压紧时间来决定沉降槽高度
（w
w
xc）r
Ah
质量守恒
s
因为稳定操作压紧区的高度
h是恒定的，既是恒定、压紧区的容积必等于底流排出沉渣体积。
w
固相质量流量
液相质量
液相质量流量或h
wr（1
S）（3）
XC
固相质量
AS
XC
8/24
h—压紧区的高度m；
A—横截面积m2；
w—底流中间相质量流量，
kg
；
S
XC—底流中间固、液相质量比，
kg（固）
；
kg（液）
h'hh0.75（1~2）m
h'—沉降槽总高度m。
（通常要附加约75%的压紧区的高度作为安全余量h0.75,沉降槽的总高度则等于压紧区高度加上其它区域的高度,后者可取1～2m）。
3.1.2
离心沉降
2
Fg
mg重力场强度g可视为常数，其方向指向地心。
离心力FC
m
m2R
R
化工FC
muT2
uT2
—惯性离心力场强度uT（切线速度）或
R
FC
R
R
一、惯性离心力作用下的沉降速度
中心外（径向）Fc0F向心力F阻力；颗粒直径d，密度s，流体密度,切向
速度uT
惯性离心力
FC
d
3
uT2
6
SR
作用在颗粒上的力
向心力F向
d3
uT2
6
R
阻力F阻
4
d2
ur2
2
重力：
Fg
mg
d3
sg
6
ur—颗粒与流体在径向上的相对速度
浮力：
Fb
d3g
等速是
ur则被称为重力
6
阻力：
Fd
d2
u2
4
2
沉降速度。
9/24
这三个力达到平衡时，颗粒在径向上相对与流体的速度
ur被称为离心沉降速度。
（1）、作用在小球上的力属于惯性离心力
;
（2）、流体对颗粒的向心力。
密度为
的流体作匀速圆周运动，有一个向心力，这个力阻止小球
向外运动;
（3）、阻力，假定流体不动，颗粒由内向外运动，受到流体的阻力。
h/
f
u2
Jkg;
2
p/f
u2
Pa或N
;
2
m2
阻力hf
A
p/f
d2
ur2
ur—颗粒与流体在径向上的相对运动速度。
4
2
d3
s
uT2
d3
uT2
d2ur2
0
6
R
6
R
4
2
4d
s
u
2
解得：
ur
T
3
R
1、离心沉降速度ur
与重力沉降速度
ut的异同
（1）相似之处：
公式形式相似;
（2）相异之处：
①方向
ut向下ur向外
②大小
ut不变（恒量）ur
变量R
ur
4d
s
2
24代入ur
uT
2
2
如104
Re
1
3
R
，ur
d
s
uT
Rer
18
R
dur
参看前式:
ur
d2
s
g
Rer
18
2、分离因数Kc（同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为：
ur
uT2
ut
Kc
gR
分因数是离心设备的重要指标
）。
二、旋风分离器的结构与操作原理
旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出含有尘粒的设备。
除尘颗粒直径
d5m
以上的颗粒,不适宜粘性，湿性、及腐蚀性粉尘。
颗粒被抛向管壁，动能变静压能、变成热能，最后沿壁面落入灰斗。
含尘气体由圆
升级会员 