重力沉降实用.pptx

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1、混合物混合物(物系物系)均相物系均相物系 非均相物系非均相物系 物物系系内内部部各各处处物物料料性性质质均均匀匀而而且且不不存存在在相界面的混合物。相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体例如：互溶溶液及混合气体 物物系系内内部部有有隔隔开开两两相相的的界界面面存存在在且且界界面面两侧的物料性质截然不同的混合物。两侧的物料性质截然不同的混合物。例如例如气固：固气固：固体颗粒和气体构成的含尘气体体颗粒和气体构成的含尘气体液固：固体颗粒和液固：固体颗粒和液体构成的悬浮液液体构成的悬浮液 液液：不液液：不互溶液体构成的乳浊液互溶液体构成的乳浊液 气液：液体气液：液体颗粒和气体构成的含雾气体颗粒和气体

2、构成的含雾气体第1页/共37页非均相物系非均相物系 分散相分散相 分散物质分散物质 处于分散状态的物质处于分散状态的物质 如如：分分散散于于流流体体中中的的固固体体颗颗粒粒、液滴或气泡液滴或气泡 连续相连续相分散相介质分散相介质 包包围围着着分分散散相相物物质质且且处处于于连连续续状态的流体状态的流体 如：如：气态非均相物系中的气体气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体液态非均相物系中的连续液体 分离的目的：分离的目的：回收有用物质回收有用物质、净化分散介质、净化分散介质、满足环境保护，满足环境保护，安全生产要求安全生产要求 结晶排出母结晶排出母液，分离晶液，分离晶粒粒第2页/共3

3、7页均相物系分离：均相物系分离：通常采用蒸馏、萃取、吸收、干燥等分离方法通常采用蒸馏、萃取、吸收、干燥等分离方法 分离分离相对相对运动运动 沉降沉降 过滤过滤 不同的物理性质不同的物理性质 连续相与分散相连续相与分散相发生相对运动的方式发生相对运动的方式 分散相和连续相分散相和连续相 分离原理分离原理理论基础：流体理论基础：流体力学基本规律力学基本规律分离方法分离方法机械机械分离分离 非均相物系分离：非均相物系分离：沉降：沉降：颗粒相对流体运动实现分离的过程颗粒相对流体运动实现分离的过程过滤过滤：流体相对固体床运动实现分离的过程：流体相对固体床运动实现分离的过程第3页/共37页自来水厂水的净化

4、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自来水厂的主要流程第4页/共37页沉降沉降 在在某某种种力力场场中中利利用用分分散散相相和和连连续续相相之之间间的的密密度度差差异异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。使之发生相对运动而实现分离的操作过程。作用力作用力 重力重力 离心力离心力 重力重力 沉降沉降离心沉降离心沉降 1 1 重力沉降重力沉降由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重

5、力沉降。脱粒机、冲积平原、都江堰脱粒机、冲积平原、都江堰第5页/共37页第6页/共37页设颗粒的密度为设颗粒的密度为s，直径为直径为d，流体的密度为流体的密度为，一一 沉降速度沉降速度1 球形颗粒的自由沉降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。粒之间互不接触互不碰撞的条件下沉降。u重力重力 Fg阻力阻力 Fd浮力浮力 Fb重力重力 浮力浮力 第7页/共37页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

6、算式阻力的计算式 写为写为：(a)第8页/共37页颗粒开始沉降的瞬间，速度颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力因此阻力Fd=0，amax沉降速度表达式沉降速度表达式颗粒开始沉降后，颗粒开始沉降后，u Fd a ；加速阶段加速阶段 等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut 称为沉降速度。称为沉降速度。当当a=0时，时，u=ut，代入（代入（a）式式u ut 时，时，a=0。匀速阶段匀速阶段第9页/共37页 通通过过因因次次分分析析法法得得知知，值值是是颗颗粒粒是是流流体体相相对对运运动动时时的的雷雷诺数诺数Ret的的函数。函数。斯托克斯公式斯托克斯公式2 阻力

7、系数阻力系数 对于球形颗粒的曲线，按对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：值大致分为三个区：1)滞流区或托斯克斯滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（定律区（10 4Ret1）滞流区：滞流区：由流体粘性引起的表面摩擦力占主要地位由流体粘性引起的表面摩擦力占主要地位第10页/共37页第11页/共37页艾伦公式艾伦公式 3)湍流区或牛顿定律区（湍流区或牛顿定律区（Nuton）（）（103Ret 2105）牛顿公式牛顿公式 2)过渡区或艾伦定律区（过渡区或艾伦定律区（Allen）（）（1Ret103）过渡区：过渡区：表面摩擦阻力和形体阻力二者都不可忽略。表面摩擦阻力和形体阻力二者都不可忽略

8、。随随Ret的增的增 大，大，表面摩擦阻力的作用逐渐减弱，而形体阻力的作表面摩擦阻力的作用逐渐减弱，而形体阻力的作 用逐渐增长用逐渐增长湍流区：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。现的边界层分离所引起的形体阻力占主要地位。第12页/共37页Ret 2X105：出现湍流边界层，此时反而不易发生边界层分离，出现湍流边界层，此时反而不易发生边界层分离，故阻力系数故阻力系数突然下降，但在沉降操作中很少达突然下降，但在沉降操作中很少达 到这个区域到这个区域 非常微细的颗粒（非常微细的颗粒（d

9、10 4可不考虑布朗运动。可不考虑布朗运动。第13页/共37页1）流体的粘度）流体的粘度 3 影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素 2）颗粒直径）颗粒直径 3）颗粒的体积浓度）颗粒的体积浓度 Retut(滞流和过渡区滞流和过渡区)如：浓饮料中添加增稠剂，使如：浓饮料中添加增稠剂，使 ut，不易分层不易分层 dut 自来水中加絮凝剂、啤酒生产采用絮状酵母，自来水中加絮凝剂、啤酒生产采用絮状酵母，duut t。当颗粒的体积浓度小于当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在时，理论计算值的偏差在1%以内，但当以内，但当颗粒浓度较高颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，时，由于颗粒间相互作用

10、明显，便便发生干扰沉降发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用。，自由沉降的公式不再适用。第14页/共37页4）器壁效应）器壁效应球形度球形度等体积球的表面积等体积球的表面积颗粒表面积颗粒表面积对非球形颗粒，对非球形颗粒，Ret中的直径用当量直径中的直径用当量直径de代替代替同一种固体物质，同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些沉降快一些。sut 当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，沉降速当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，沉降速 度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。当器壁尺寸远度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效

11、应。当器壁尺寸远 远大于颗粒尺寸时（例如在远大于颗粒尺寸时（例如在100倍以上），容器效应可忽略，倍以上），容器效应可忽略，否则需加以考虑。否则需加以考虑。5）颗粒形状的影响）颗粒形状的影响第15页/共37页1）试差法（）试差法（ut 未知，未知，Ret未知未知）假设沉降属于层流区假设沉降属于层流区 方法：方法：ut Ret Ret1 ut为所求为所求Ret1 艾伦公式艾伦公式求求ut判断判断公式适公式适用用为止为止4 沉降速度的计算沉降速度的计算 第16页/共37页Ret曲线便可转化成曲线便可转化成 Ret2Ret曲线曲线(图图33)。与与ut无关无关令令 计计算算ut时时，先先由由已已知知

12、数数据据算算出出Ret2的的值值，再再由由Ret2Ret曲线曲线查得查得Ret值值，最后由最后由Ret反算反算ut。2)摩擦数群法摩擦数群法 由由得得第17页/共37页第18页/共37页在一定介质中在一定介质中具有某一沉降速度具有某一沉降速度ut的颗粒的直径的颗粒的直径(已知已知ut求求d)令令与与Ret-1相乘，相乘，Ret-1Ret关关系系绘绘成成曲曲线线(图图33)，由由Ret-1值值查查得得Ret的值，再根据的值，再根据沉降速度沉降速度ut值计算值计算d。与与d无关无关第19页/共37页无因次数群无因次数群K也可以也可以判别流型判别流型 牛顿定律区的下限牛顿定律区的下限K值值当当Ret

13、=103时时，K=69.1 可根据可根据K值选用相应的公式计算值选用相应的公式计算ut，从而避免采用试差法从而避免采用试差法 Newton公式与公式与Ret表达式联解：表达式联解：Stocks公式与公式与Ret表达式联解：表达式联解：当当Ret=1时时K=2.62，此值即为此值即为斯托克斯区的上限斯托克斯区的上限 第20页/共37页 例例：试试计计算算直直径径为为95m，密密度度为为3000kg/m3的的固固体体颗颗粒粒分分别在别在20的水和空气中的自由沉降速度。的水和空气中的自由沉降速度。附附 录录 查查 得得，20时时 水水 的的 密密 度度 为为 998.2kg/m3,=1.00510-

14、3Pa.s 解：解：1）在）在20水中的沉降。水中的沉降。用试差法计算用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降先假设颗粒在滞流区内沉降，第21页/共37页核算流型核算流型 原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。2）20的空气中的沉降速度的空气中的沉降速度用摩擦数群法计算用摩擦数群法计算20空气：空气：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s根据无因次数根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型值判别颗粒沉降的流型 第22页/共37页2.61K50m分离，作预除尘器使用分离，作预除尘器使用 2）临界沉降速度和临界粒径）临界沉降速度和临界粒径 当当t时，颗粒能从气

15、流中分离出来，时，颗粒能从气流中分离出来，临界沉降速度：临界沉降速度：能够完全被分离出来的最小颗粒的沉降速度能够完全被分离出来的最小颗粒的沉降速度 与临界沉降速度对应的颗粒直径为与临界沉降速度对应的颗粒直径为临界直径临界直径dmin 当当l、u一定，一定，H dmin，分离出的颗粒越小，分离分离出的颗粒越小，分离效率越高效率越高(多层降尘室分离效率高多层降尘室分离效率高)utc第27页/共37页ddmin：全部沉降全部沉降ddmin：ututc,此时，颗粒在沉降室内的时间仍然是：此时，颗粒在沉降室内的时间仍然是：则该直径颗粒的沉降高度则该直径颗粒的沉降高度h为为:假定颗粒在降尘室进口的炉气中均

16、匀分布，则颗粒在降尘假定颗粒在降尘室进口的炉气中均匀分布，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室的高度之比：室内的沉降高度与降尘室的高度之比：h/H为该直径颗粒的为该直径颗粒的分分离质量分率离质量分率(回收百分率回收百分率)第28页/共37页 例例：拟拟采采用用降降尘尘室室除除去去常常压压炉炉气气中中的的球球形形尘尘粒粒。降降尘尘室室的的宽宽和和长长分分别别为为2m和和6m,气气体体处处理理量量为为1标标准准m3/s，炉炉气气温温度度为为427，相相应应的的密密度度=0.5kg/m3，粘粘度度=3.410-5Pa.s，固固体体密密度度S=400kg/m3操操作作条条件件下下，规规定定气气体体速速度

17、度不不大大于于0.5m/s，试求：试求：1降尘室的总高度降尘室的总高度H；2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；3.粒径为粒径为40m的颗粒的回收百分率；的颗粒的回收百分率；4.欲欲使使粒粒径径为为10m的的颗颗粒粒完完全全分分离离下下来来，需需在在降降降降尘尘室室内内设置几层水平隔板？设置几层水平隔板？第29页/共37页解：解：1）降尘室的总高度）降尘室的总高度H2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸 用试差法由用试差法由ut求求dmin。假设沉降在斯托克斯区假设沉降在斯托克斯区 第30页/共37页核算沉降流型核算沉降流型 原假

18、设正确原假设正确3）粒径为）粒径为40m的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率粒径为粒径为40m的颗粒定一在滞流区的颗粒定一在滞流区？其沉降速度其沉降速度 第31页/共37页气体通过降沉室的时间为：气体通过降沉室的时间为：直径为直径为40m的颗粒在的颗粒在12s内的沉降高度为：内的沉降高度为：假假设设颗颗粒粒在在降降尘尘室室入入口口处处的的炉炉气气中中是是均均匀匀分分布布的的，则则颗颗粒粒在在降降尘尘室室内内的的沉沉降降高高度度与与降降尘尘室室高高度度之之比比约约等等于于该该尺尺寸寸颗粒被分离下来的百分率颗粒被分离下来的百分率。直径为直径为40m的颗粒被回收的百分率为：的颗粒被回收的百分率为：第

19、32页/共37页4）水平隔板层数）水平隔板层数 取取33层层 板间距为板间距为 由规定需要求出完全除去的由规定需要求出完全除去的最小粒径最小粒径求沉降速度求沉降速度，粒径为粒径为10m的颗粒的沉降必在滞流区，的颗粒的沉降必在滞流区，再再由生产能力和底面积由生产能力和底面积求得多层降尘室的求得多层降尘室的水平隔板层数水平隔板层数。第33页/共37页2 沉降槽：沉降槽：提高悬浮液浓度并同时得到清液提高悬浮液浓度并同时得到清液连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽连续沉降槽是底部略成锥状的大直径浅槽 连续沉降槽适用于处理量大而浓度不高且颗粒不甚连续沉降槽适用于处理量大而浓度不高且颗粒不甚细微的悬浮料浆

20、，常见的污水处理就是一例细微的悬浮料浆，常见的污水处理就是一例 第34页/共37页改变沉降速度的方法改变沉降速度的方法 (1)(1)添加絮凝剂添加絮凝剂 添加少量电解质或表面活性剂（添加少量电解质或表面活性剂（明矾、三氧化铝、三氯化明矾、三氧化铝、三氯化铁等铁等）的方法，使细小颗粒凝聚或絮聚；）的方法，使细小颗粒凝聚或絮聚；(2)(2)改变操作条件改变操作条件 采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或相界面积发生变化，从而提高沉降速度。相界面积发生变化，从而提高沉降速度。第35页/共37页3 分级器：分级器：提高悬浮液浓度并同时得到清液提高悬浮液浓度并同时得到清液 利用重力沉降将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分利用重力沉降将悬浮液中不同粒度的颗粒进行粗略的分离，或将两种不同密度的颗粒进行分类的过程统称为分级离，或将两种不同密度的颗粒进行分类的过程统称为分级 u ut t水的上升流速：上升水的上升流速：上升u ut t水的上升流速：下降水的上升流速：下降P201 3、4第36页/共37页感谢您的观看！第37页/共37页