【正文】 第三章 機(jī)械分離 難點(diǎn)：過(guò)濾基本方程的應(yīng)用、過(guò)濾設(shè)備 重點(diǎn)：過(guò)濾和沉降的基本理論、基本方程 ?均相物系 (honogeneous system): 均相混合物 。 物系內(nèi)部各處均勻且無(wú)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： ?非均相物系 (nonhonogeneous system): 非均相混合物 。物系內(nèi)部有隔開(kāi)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 ，含塵氣體 、 含霧氣體屬于氣態(tài)非均相物系 。 第一節(jié) 概述 ?分散相 ： 分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。 ?連續(xù)相 ： 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。 非均相物系由分散相和連續(xù)相組成 要實(shí)現(xiàn)分離 ， 必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 。 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 。 ?非均相物系的分離原理： ?非均相物系分離的理論基礎(chǔ)： 根據(jù)兩相物理性質(zhì) (如密度等 )的不同而進(jìn)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大，因此常采用 機(jī)械方法 進(jìn)行分離。按兩相運(yùn)動(dòng)方式的不同，機(jī)械分離大致分為 沉降和過(guò)濾 兩種操作。 通常先造成一個(gè)兩相物系，再用機(jī)械分離的方法分離，如蒸餾，萃取等。 ?非均相物系的分離方法： ?均相物系的分離 ： 自來(lái)水廠水的凈化分三步， 第一步是絮凝過(guò)程，也可以叫反應(yīng)過(guò)程。在流動(dòng)中使水中的雜質(zhì)顆粒絮凝長(zhǎng)大； 第二步是沉降。沉降池是使大顆粒得以除去。 第三步是砂濾。砂濾池，進(jìn)一步用 900mm厚砂層，將小顆粒雜質(zhì)濾去。 自來(lái)水廠的主要流程 廣州水廠全貌 圖中蘭色粗管是來(lái)自珠江的原料水，條形池子是絮凝池，左側(cè)池是沉降池。 這是沉降池。圖為絮凝之后的水，是從沉降池底部流入，到池子上部水已很清了。 水廠沉降池 ? 定義： ?沉降力場(chǎng)：重力、離心力。 在某種力場(chǎng)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(duì)運(yùn)動(dòng)而分離的單元操作。 ? 沉降操作分類：重力沉降、離心沉降。 第一節(jié) 流體與粒子的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 圖 流體繞過(guò)顆粒的流動(dòng) u Fd ?Fd與顆粒運(yùn)動(dòng)的方向相反 當(dāng)流體相對(duì)于靜止的固體顆粒流動(dòng)時(shí)，或者固體顆粒在靜止流體中移動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，兩者之間會(huì)產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力 （ drag force)或阻力。 ?只要顆粒與流體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生阻力。 ?對(duì)于一定的顆粒和流體，只要相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相同，流體對(duì)顆粒的阻力就一樣。 一、顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng) （一） 曳力與曳力系數(shù) AB C850u 0A BC1400u 0理想流體 實(shí)際流體 ? 流體繞球形顆粒的流動(dòng) ρ —— 流體密度； μ —— 流體粘度； dp—— 顆粒的當(dāng)量直徑； AP—— 顆粒在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積； u—— 顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 CD—— 阻力系數(shù)，是雷諾數(shù) Re的函數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。 22uACF PDd ??)()( ? ?udfRfC pePD ??顆粒所受的阻力 Fd可用 下式計(jì)算 ? 曳力與雷諾數(shù) PDC Re/24???DC?層流區(qū)（斯托克斯 Stokes區(qū)， 104ReP1） 注意：其中斯托克斯區(qū)的計(jì)算式是準(zhǔn)確的，其它兩個(gè)區(qū)域的計(jì)算式是近似的。 ?過(guò)渡區(qū)（艾侖 Sllen區(qū)， 1ReP103） ?湍流區(qū)（牛頓 Newton區(qū)， 103ReP105） 圖中曲線大致可分為三個(gè)區(qū)域，各區(qū)域的曲線可分別用不同的計(jì)算式表示為： 自由沉降 （ free settling） ： 單個(gè)顆粒在流體中沉降，或者顆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沉降。 （二）顆粒的自由沉降與沉降速度 重力沉降 (gravity settling)： 由地球引力作用而發(fā)生的顆粒沉降過(guò)程，稱為重力沉降 。 沉降速度 球形顆粒的自由沉降 ? 顆粒在流體中流動(dòng)時(shí)沉降受力及形態(tài) 重力 Fg； 浮力 Fb； 曳力 FD Ret500 Ret 1 ? 沉降速度的推導(dǎo)： dtdumFFFDbg ???243)( udCgdtduppDpp????? ???根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運(yùn)動(dòng)基本方程式應(yīng)為 : u 重力 Fg 阻力 FD 浮力 Fb 2422 udCF pDd ???gdF ppg ?? 36?gdF pb ?? 36??p為顆粒密度 ? 隨著顆粒向下沉降， u逐漸增大， du/dt 逐漸減少。 ? 當(dāng) u增到一定數(shù)值 ui時(shí)， du/dt=0。 顆粒開(kāi)始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。 ???Dppt Cgdu3)(4 ??上式表明： 顆粒的沉降過(guò)程分為兩個(gè)階段： 沉降速度 （ terminal velocity） ： 也稱為終端速度，勻速階段顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。 當(dāng) du/dt =0時(shí)，令 u= ut， 則可得沉降速度計(jì)算式 ?加速階段； ?勻速階段。 將不同流動(dòng)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： 層流區(qū)（ ReP1） ???18)(2 ?? ppgdtuppt dgu 3122225)(4???????? ????????? gdtppu )( ??過(guò)渡區(qū)（ 1ReP500） 湍流區(qū)（ 500ReP105） ?ut與 dp有關(guān)。 dp愈大， ut則愈大。 ?層流區(qū)與過(guò)渡區(qū)中， ut還與流體粘度有關(guān)。 ?液體粘度約為氣體粘度的 50倍，故顆粒在液體中的沉降速度比在氣體中的小很多。 ① 假設(shè)流體流動(dòng)類型； ② 計(jì)算沉降速度； ③ 計(jì)算 ReP， 驗(yàn)證與假設(shè)是否相符； ④ 如果不相符，則轉(zhuǎn)①。如果相符， OK ! 求沉降速度通常采用試差法。 沉降速度的求法： 例：計(jì)算直徑為 95?m， 密度為 3000kg/m3的固體顆粒分別在 20 ℃ 的空氣和水中的自由沉降速度。 smu gdt pp / ) 0 0 0()1098(18 )( 362 ??? ????? ???? ??? ??計(jì)算 Re， 核算流型： 3 36 ???? ? ?? ? ????? ?tpP ud假設(shè)正確，計(jì)算有效。 解：在 20 ℃ 的水中： 20 ℃ 水的密度為 ， 粘度為 103 Pa?s 先設(shè)為層流區(qū)。 ???18)(2 gdtppu ??1) 顆粒直徑 dp: 應(yīng)用： ?啤酒生產(chǎn)，采用絮狀酵母， dp↑→ ut↑↑ ， 使啤酒易于分離和澄清。 ?均質(zhì)乳化， dp↓ →ut↓ ↓， 使飲料不易分層。 ?加絮凝劑，如水中加明礬。 2) 連續(xù)相的粘度 ?： 應(yīng)用： ?加酶：清飲料中添加果膠酶，使 ? ↓→ut↑ ， 易于分離。 ?增稠：濃飲料中添加增稠劑，使 ? ↑ →ut↓， 不易分層。 ?加熱： 3) 兩相密度差 (? p?)： 影響沉降速度的因素 (以層流區(qū)為例 ) 4) 顆粒形狀 在實(shí)際沉降中： 非球形顆粒的形狀可用球形度 ?s 來(lái)描述。 pSSs ???s—— 球形度； S —— 顆粒的表面積， m2； Sp—— 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 Re的關(guān)系見(jiàn)課本圖示， Re中的dp用當(dāng)量直徑 de代替。 ?球形度 ?s越小，阻力系數(shù) ? 越大，但在層流區(qū)不明顯。 ut非球 ut球 。 ?對(duì)于細(xì)微顆粒 (d?m)， 應(yīng)考慮分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，不能用沉降公式計(jì)算 ut； ?沉降公式可用于沉降和上浮等情況。 注意： 6)干擾沉降 （ 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(shí)，顆粒沉降會(huì)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。 5) 壁效應(yīng) (wall effect) ： 當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時(shí)，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)。 第二節(jié) 沉降 一、重力沉降 （一）自由沉降與干擾沉降 ?間歇沉降試驗(yàn)－觀察懸浮液的沉聚過(guò)程 ?沉降器 － 間歇式，半連續(xù)式和連續(xù)式 降塵室：利用重力降分離含塵氣體中塵粒的設(shè)備。 是一種最原始的分離方法。一般作為預(yù)分離之用，分離粒徑較大的塵粒。 降塵室的示意圖 （二）降塵室 降塵室 煙道除塵動(dòng)畫(huà) 沉降除塵室動(dòng)畫(huà) 湍球塔除塵動(dòng)畫(huà) ?假設(shè)顆粒運(yùn)動(dòng)的水平分速度與氣體的流速 u 相同； ?停留時(shí)間 t＝ l/u ?沉降時(shí)間 t′＝ H/ ut ?顆粒分離出來(lái)的條件是 l/u≥H/ ut l H b 凈化氣體 含塵氣體 u ut 降塵室的計(jì)算 即：滿足 L/u＝ H/ut 條件的粒徑 當(dāng)含塵氣體的體積流量為 Vs時(shí)， u= Vs / Hb 故與臨界粒徑 dpc相對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度為 utc=Vs / bl ut≥Vs / lb 則有 或 Vs≤ blut 臨界沉降速度 utc是流量和面積的函數(shù) 。 臨界粒徑 dpc（ critical particle diameter） ： 能 100％除去的最小粒徑。 當(dāng)塵粒的沉降速度小，處于斯托克斯區(qū)時(shí)，臨界粒徑為 LBqgdvpp ??? )(18m i n, ????一定粒徑的顆粒，沉降室的生產(chǎn)能力只與與底面積 LB和 utc有關(guān)，而與 H無(wú)關(guān)。 ?故沉降室應(yīng)做成扁平形，或在室內(nèi)均勻設(shè)置多層隔板。 ?氣速 u不能太大，以免干擾顆粒沉降，或把沉下來(lái)的塵粒重新卷起。一般 u不超過(guò) 3m/s。 由此可知： 當(dāng)降塵室用水平隔板分為 N層，則每層高度為 H/N。 水平速度u不變。此時(shí)： 多層隔板降塵室示意圖 含塵氣體 粉塵 隔板 凈化氣體 ?塵粒沉降高度為原來(lái)的 1/N倍； ?utc降為原來(lái)的 1/N倍 (utc=qv / LB) ； ?臨界粒徑為原來(lái)的 倍 ( )； ?一般可分離 20μm以上的顆粒。多層隔板降塵室排灰不方便。 blVgd sppc ??? )( 18 ?? ?N/1繼續(xù) 例：用高 2m、 寬 、 長(zhǎng) 5m的重力降塵室分離空氣中的粉塵。在操作條件下空氣的密度為 ， 粘度為 105Pas ， 流量為 104 m3/h。 粉塵的密度為 2022 kg/m3。 試求粉塵的臨界直徑。 smBLqu vt /3600/ 4m i n, ?????解 ：與臨界直徑對(duì)應(yīng)的臨界沉降速度為 假設(shè)流型屬于過(guò)渡區(qū)，粉塵的臨界直徑為 mmgugudptptp