第三章 颗粒与流体之间的相对流动2006-2

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1、定义：沉降力场：重力、离心力。在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。受地球吸引力场的作用而发生的沉降过程称为重力沉降。重点讨论单个圆球颗粒在流体中的自由沉降。第二节沉降图流体绕过颗粒的流动uFdFd与颗粒运动的方向相反当流体相对于静止的固体颗粒流动时，或者固体颗粒在静止流体中移动时，由于流体的粘性，两者之间会产生作用力，这种作用力通常称为曳力（dragforce)或阻力。只要颗粒与流体之间有相对运动，就会产生阻力。对于一定的颗粒和流体，只要相对运动速度相同

2、，流体对颗粒的阻力就一样。一、颗粒运动时的阻力ρ——流体密度；μ——流体粘度；dp——颗粒的当量直径；A——颗粒在运动方向上的投影面积；u——颗粒与流体相对运动速度。——阻力系数，是雷诺数Re的函数，由实验确定。颗粒所受的阻力Fd可用下式计算层流区（斯托克斯Stokes区，10-42*105）阻力系数：反应颗粒运动时流体对颗粒曳力。通过因次分

3、析可知，阻力系数是颗粒与流体相对运动时雷诺准数的函数。如图4-6。由图看出，球形颗粒的曲线按雷诺准数值大致分为三个区，各区内的曲线可分别用相应的关系式表达。自由沉降（freesettling）：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。二、重力沉降重力沉降(gravitysettling)：由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。1沉降速度1.1球形颗粒的自由沉降根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:u重力Fg阻力Fd浮力Fbp为颗粒密度随着颗粒向下沉降，u逐渐增大

4、，du/d逐渐减少。当u增到一定数值ui时，du/d=0。颗粒开始作匀速沉降运动。上式表明：颗粒的沉降过程分为两个阶段：沉降速度（terminalvelocity）：也称为终端速度，匀速阶段颗粒相对于流体的运动速度。当du/d=0时，令u=ut，则可得沉降速度计算式加速阶段；匀速阶段。将不同流动区域的阻力系数分别代入上式，得球形颗粒在各区相应的沉降速度分别为：层流区（Re<1）过渡区（1

5、0倍，故颗粒在液体中的沉降速度比在气体中的小很多。假设流体流动类型；计算沉降速度；计算Re，验证与假设是否相符；如果不相符，则转①。如果相符，OK!求沉降速度通常采用试差法。沉降速度的求法：图解法.例：计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃的空气和水中的自由沉降速度。计算Re，核算流型：假设正确，计算有效。解：在20℃的水中：20℃水的密度为998.2kg/m3，粘度为1.005×10-3Pas先设为层流区。1)颗粒直径dp:应用：啤酒生产，采用絮状酵母，dp↑→ut↑↑，使啤酒易于分离和澄清。均质乳化，dp

6、↓→ut↓↓，使饮料不易分层。2)连续相的粘度：应用：加酶：清饮料中添加果胶酶，使↓→ut↑，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使↑→ut↓，不易分层。加热：3)两相密度差(p-)：2影响沉降速度的因素(以层流区为例)4)颗粒形状在实际沉降中：非球形颗粒的形状可用球形度s来描述。s——球形度；S——颗粒的表面积，m2；Sp——与颗粒体积相等的圆球的表面积，m2。不同球形度下阻力系数与Re的关系见课本图示，Re中的dp用当量直径de代替。球形度s越小，阻力系数越大，但在层流区不明显。ut非球

7、.5m)，应考虑分子热运动的影响，不能用沉降公式计算ut；沉降公式可用于沉降和上浮等情况。注意：6)干扰沉降（hinderedsettling）：当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。5)壁效应(walleffect)：当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。重力沉降的应用依靠颗粒本身重力的沉降常用于直径0.1mm以上的颗粒，它的应用主要在以下几个方面：（1）气体的除尘：气体除尘或除雾滴时，重

8、力沉降主要作为除尘的预处理，沉降在空的或有挡板的沉降室中进行。（2）悬浮液的增稠：悬浮液经重力沉降可分离出大部分液体，作为一种预处理，它可以节省进一步过滤或离心分离时的能量和发挥设备的生产能力