[工学]重力沉降1.ppt

第三章 非均相物系分离 ◇重力沉降原理与设备 ◇离心沉降原理与设备 ◇过滤过程理论及设备 混合物 (物系) 均相物系 非均相物系 物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。 例如：互溶溶液及混合气体 物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同的混合物。 例如 气固：固体颗粒和气体构成的含尘气体 液固：固体颗粒和液体构成的悬浮液 液液：不互溶液体构成的乳浊液 气液：液体颗粒和气体构成的含雾气体 非均相物系 分散相 分散物质 处于分散状态的物质 如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡 连续相 分散相介质 包围着分散相物质且处于连续状态的流体 如：气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体 分离的目的：回收有用物质、净化分散介质、满足环境保护， 安全生产要求 结晶排出母液，分离晶粒 均相物系分离： 通常采用蒸馏、萃取、吸收、干燥等分离方法 分离 相对 运动 沉降 过滤 不同的物理性质 连续相与分散相 发生相对运动的方式 分散相和连续相 分离原理 理论基础：流体力学基本规律 分离方法 机械 分离 非均相物系分离： 沉降：颗粒相对流体运动实现分离的过程 过滤：流体相对固体床运动实现分离的过程 自来水厂水的净化分三步， 第一步是絮凝过程，也可以叫反应过程。在流动中使水中的杂质颗粒絮凝长大； 第二步是沉降。沉降池是使大颗粒得以除去。 第三步是砂滤。砂滤池，进一步用900mm厚砂层，将小颗粒杂质滤去。 自来水厂的主要流程 沉降 在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。 作用力 重力 离心力 重力 沉降 离心沉降 §1 重力沉降 由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。 脱粒机、冲积平原、都江堰 设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ， 一 沉降速度 1 球形颗粒的自由沉降 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条件下沉降。 u 重力 Fg 阻力 Fd 浮力 Fb 重力 浮力 阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照流体流动 阻力的计算式 写为 ： (a) 颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max ——沉降速度表达式 颗粒开始沉降后，u ↑ →Fd ↑ → a ↓ ； 加速阶段 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式 u →ut 时，a=0 。 匀速阶段 通过因次分析法得知，ξ值是颗粒是流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。 ——斯托克斯公式 2 阻力系数ξ 对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区： 1) 滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10 –4＜Ret1） 滞流区：由流体粘性引起的表面摩擦力占主要地位 ——艾伦公式 3) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret ＜ 2×105） ——牛顿公式 2) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret103） 过渡区：表面摩擦阻力和形体阻力二者都不可忽略。随Ret的增 大， 表面摩擦阻力的作用逐渐减弱，而形体阻力的作 用逐渐增长 湍流区：流体粘性对沉降速度已无影响，由流体在颗粒后半部出 现的边界层分离所引起的形体阻力占主要地位。 Ret ? 2X105：出现湍流边界层，此时反而不易发生边界层分离， 故阻力系数ζ突然下降，但在沉降操作中很少达 到这个区域 非常微细的颗粒（d0.5μm），由于分子热运动，使颗粒发生五规则热运动，沉降公式不适用，Ret 10 –4可不考虑布朗运动。 1）流体的粘度 3 影响沉降速度的因素 2）颗粒直径 3）颗粒的体积浓度 ?↓→Ret↑→ut↑(滞流和过渡区) 如：浓饮料中添加增稠剂，使?↑→ut↓，不易分层 d↑→ut↑ 自来水中加絮凝剂、啤酒生产采用絮状酵母，d↑→ut↑。 当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1% 以内，但当颗