化工原理 沉降与过滤.pdf

第三章非均相物系分离

掌握重力沉降的基本原理、典型设备及
应用；

了解过滤的基本操作过程、典型的设
备，熟练掌握恒压过滤的操作及计算；

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非均相混合物的概念：相界面、混合物

分类：固体非均相、气体非均相和液体非均相混合物
基本概念：分散相和连续相
目的：获得产品，回收再利用，环保的需求等
方法：主要的物理分离方法是沉降与过滤

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3.1重力沉降
一、沉降速度

颗粒受力分析：以球形颗粒为研究对象
Fd
1
重力：F=pd3rg
g6pp
Fb
流体对颗粒的浮力：1
F=pd3rg
b6p
颗粒运动后流体对颗粒的阻力：
仿照管内流体流动阻力的计算
ru2
FgF=xA
dP2

3
du
由动量定理：F=F-F-F=m
gbddt
pppru2pdu
d3rg-d3rg-xd2=d3r
6pp6p4p26ppdt

颗粒在流体内作重力沉降运动的过程将经历先加速后匀速
的运动，其最终的速度称重力沉降速度，且颗粒的加速运
动过程很短，一般情况下不予考虑。
dupppru2
当=0时，u＝u，则：d3rg-d3rg-xd2t=0
dtt6pp6p4p2
4gd(r-r)
整理得u=pp
t3rx

4
æduρö
çp÷
球形颗粒的阻力系数ξ是颗粒雷诺数Reç=÷的函
èμø
数，教材P89页的ξ与Re的关系曲线是由球形颗粒做实验得出
的。
曲线分三个区：
24
x=
(1)层流区：10­4＜Re＜1，
Re
18.5
3
(2)过渡区：1＜Re＜10，x=0.6
Re
(3)湍流区：103＜Re＜2×105，x=0.44

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ξ

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将用沉降速度ut表示的颗粒雷诺数Re代入层流
区沉降速度公式中：
dur24
ptx=
Ret=
mRe
d2(r-r)g
u=pp
t18m

即层流区沉降速度计算式，也称斯托克斯
（Stokes）公式，用于计算颗粒在流体中作自由沉降运
动的层流沉降速度计算式。
另外，还有艾仑（Allen）公式和牛顿（Neton）
公式分别计算自由沉降过程中过渡区和湍流区的沉降速
度。
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比较分析颗粒的自由沉降速度计算式可
知，沉降速度与颗粒和流体的密度差成比例关
系，与颗粒的直径成平方关系。
不同密度的颗粒，沉降速度不同；不同粒
径的颗粒，沉降速度也不同。
这是利用重力沉降分离非均相混合物的根
本原因。

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ut的计算方法：

试差法（先假设颗粒的沉降类型，计算ut值，然后将

ut代入颗粒雷诺数验算是否与假设相符）

例用试差法求直径为40μm的球形颗粒在30℃大气中的自由沉降速。
已知固体颗粒密度为2600kg/m3，大气压强为0.1MPa。
解：设沉降属于层流，应用斯托克斯公式计算。30℃，0.1MPa下空气的密
度ρ＝1.165kg/m3，空气的粘度μ＝1.86×10­5·Pa·s，则：
(40´10-6)2´9.81´(2600-1.165)
ut=
18´1.86´10-5
=0.12m/s
校核流型
-6
-4rdput40´10´0.12´1.165
10＜Ret===0.3＜1
m1.86´10-5
故初始假设正确，沉降速度为0.12m/s。

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影响沉降速度的因素：

1）颗粒形状；

2）干扰沉降：颗粒间彼此影响的沉降过程；

3）壁效应影响：当颗粒的直径较大时，在近壁处的

沉降将受到明显的影响，经验值为β＝dp/D。
4）流体分子运动的影响：当颗粒的直径太小时，颗
粒的沉降还会受到流体分子间碰撞的影响。

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二、典型重力沉降设备

Ø降尘室
1、结构：

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2、工作原理：

层流流动的气态非均相物系沿水平运动，固体颗粒则
作平抛运动，即水平方向随气体一起运动，竖直方向则作
沉降运动，如果颗粒在降尘室的停留时间（水平运动的时
间τ）大于颗粒从室顶到出口下侧边缘所在的水平面所需

的时间τt，即τ>τt，则颗粒必将留在降尘室，从而实
现了物系的分离（固体颗粒和气体的分离）。

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沉降分离条件
L
停留时间：q=
u
H
沉降时间：
qt=
utW
分离条件：
q≥qt

LHL
即≥或u≤ut
uutH

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2.生产能力

qV——降尘室所处理含尘气体的体积流量
q
q=WHuu=V
VWH

W
\qV≤LWut

结论：降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒

沉降速度ut有关，而与高度H无关。

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降尘室的工作能力与其高度无关，只与降尘室的底面积
（wL）有关，所以降尘室宜设计成扁平状。但气态非均
相物系在降尘室中的流动以层流为好，且降尘室的高度
也不宜太低。
经验参考值：多数颗粒的分离可取u<3m/s，较易扬起
的尘粒则取u<1m/s。因降尘室体积庞大，分离效率
低，一般常用来进行预除尘，分