化工原理第三章第一节.ppt

2019/6/23,第三章 非均相物系分离,通过本章学习，掌握沉降和过滤过程的原理、 计算方法、典型设备的结构特性，能够根据生产 工艺的要求，合理选择设备。,学习目的 与要求,2019/6/23,第三章 非均相物系分离,一、沉降速度 1、球形颗粒的自由沉降 2、阻力系数 3、影响沉降速度的因素 4、沉降速度的计算 5、分级沉降 二、降尘室 1、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力,第一节 重力沉降,2019/6/23,均相混合物,非均相混合物,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。,固体颗粒和气体构成的含尘气体,固体颗粒和液体构成的悬浮液,不互溶液体构成的乳浊液,液体颗粒和气体构成的含雾气体,2019/6/23,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,沉降,过滤,2019/6/23,一、重力沉降,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。,重力,惯性离心力,1、沉降速度,1）球形颗粒的自由沉降,2019/6/23,重力,浮力,阻力,(a),2019/6/23,颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，阻力Fd=0，amax 颗粒开始沉降后，u Fd ；u ut 时，a=0 。 等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut 称为沉降速度。 当a=0时，u=ut，代入（a）式,沉降速度表达式,2019/6/23,a) 滞流区或斯托克斯(Stokes)定律区（10 4Ret1）,斯托克斯公式,2、阻力系数,2019/6/23,2019/6/23,艾伦公式,c) 湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103Ret 2105）,牛顿公式,b) 过渡区或艾伦定律区（Allen）（1Ret103）,2019/6/23,3、影响沉降速度的因素 1）颗粒的体积浓度 当颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用。 2）器壁效应 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，容器效应可忽略，否则需加以考虑。,2019/6/23,3）颗粒形状的影响,球形度,对于球形颗粒，s=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度s值愈低。 对于非球形颗粒，,颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数愈大，如图3-2所示。,2019/6/23,4、沉降速度的计算 1）试差法,假设沉降属于层流区,方法：,Ret1,Ret1,艾伦公式,2) 摩擦数群法,2019/6/23,Ret曲线转化成 Ret2Ret曲线。 计算ut时，先由已知数据算出Ret2的值，再由Ret2Ret曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut 。,2019/6/23,图3-3 及 关系曲线,2019/6/23,计算在一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，,无因次数群K判别流型,K69.1牛顿定律区,2019/6/23,例：试计算直径为95m，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。 解：1）在20水中的沉降。 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降 ，,附录查得,20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s,2019/6/23,核算流型,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 用摩擦数群法计算 20空气：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s 根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型,2019/6/23,2.61K69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。,2019/6/23,例：本题附图所示 为一双锥分级器，利 用它可将密度不同或 尺寸不同的粒子混合 物分开。混合粒子由 上部加入，水经可调 锥与外壁的环形间隙 向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升流速的颗粒进入底流，而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出。,5、分级沉降,2019/6/23,利用此双锥分级器对方铅矿与石英两种粒子混合物分离。已知： 粒子形状 正方体 粒子尺寸 棱长为0.080.7mm 方铅矿密度 s1=7500kg/m3 石英密度 s2=2650kg/m3 20水的密度和粘度 =998.2kg/m3 =1.00510-3 Pas 假定粒子在上升水流中作自由沉降，试求：1）欲得纯方铅矿粒，水的上升流速至少应取多少m/s？2）所得纯方铅矿粒的尺寸范围。,2019/6/23,解：1)水的上升流速 分析：纯方铅矿粒,对于正方体颗粒，先算出其当量直径和球形度。 设l代表棱长，Vp代表一个颗粒的体积。,全部石英粒子被溢流带出,u水=utmax,utd,最大的石英粒子的沉降速度,2019/6/23,用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度,s=0.806，查图3-3，Ret=60，则：,2019/6/23,2）纯方铅矿的尺寸范围 所得到的纯方铅矿粒尺寸最小的沉降速度应等于0.0696m/s 用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。,s=0.806，查图3-3，Ret=22，则：,2019/6/23,与此当量直径相对应的正方体的棱长为：,所得方铅矿的棱长范围为0.25650.7mm。,2019/6/23,二、降尘室,1、降尘室的结构,2、降尘室的生产能力 降尘室的生产能力Vs 降尘室所处理的含尘气体的体积流量，m3/s。,降尘室内的颗粒运动,2019/6/23,2019/6/23,颗粒在降尘室的停留时间,颗粒沉降到室底所需的时间,为了满足除尘要求,降尘室使颗粒沉降的条件,降尘室的生产能力,降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积bl和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关。,2019/6/23,对设置了n层水平隔板的降尘室，其生产能力为,图3-5 多层除尘室 1-隔板 2、6-调节闸阀 3-气体分配道 4-气体集聚道 5-气道 7-清灰口,2019/6/23,3、降尘室的计算,设计型,操作型,已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小,用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量。,2019/6/23,例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427，相应的密度=0.5kg/m3，粘度=3.410-5Pa.s，固体密度S=400kg/m3，操作条件下规定气体速度不大于0.5m/s，试求： 1降尘室的总高度H，m； 2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸； 3. 粒径为40m的颗粒的回收百分率； 4. 欲使粒径为10m的颗粒完全分离下来，需在降尘室内 设置几层水平隔板？,2019/6/23,解：1）降尘室的总高度H,2）理论上能完全除去的最小颗粒尺寸,用试差法由ut求dmin。 假设沉降在斯托克斯区,2019/6/23,核算沉降流型,原假设正确 3、粒径为40m的颗粒的回收百分率 粒径为40m的颗粒的沉降必定在滞流区 ，其沉降速度,2019/6/23,气体通过降尘室的时间为：,直径为40m的颗粒在12s内的沉降高度为：,假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是