第3章沉降与过滤ppt.ppt

第三章沉降和过滤，化学工程原理，3.1概述3.2颗粒和颗粒床特性3.3重力沉降3.4离心沉降3.5过滤2，2020年5月28日，星期四，均质混合物、非均质混合物、具有均质材料特性且材料系统所有部分无相界面的混合物。例如：互溶溶液和混合气体，存在两相分离界面的混合物，界面两侧的材料性质完全不同。由固体颗粒和气体组成的含尘气体，由固体颗粒和液体组成的悬浮液，由不混溶液体组成的乳液，由液体颗粒和气体组成的含雾气体，3.1.1混合物的分类，3.1概述，3，星期四，2020年5月28日，分散相分散物质，分散状态的物质，例如固体颗粒，分散在流体中的液滴或气泡，连续相分散相介质，围绕分散相物质并处于连续状态的流体， 例如气体非均相系统中的气体、液体非均相系统中的连续液体、分离、沉淀、过滤，2020年5月28日，星期四，3.1.2非均相系统分离的目的(1)分散物质的收集，例如从气流干燥器或喷雾干燥器排出的气体中回收固体产品。 (2)净化分散介质，如硫酸生产、含有杂质的二氧化硫炉气，并进行净化。(3)空气中的环保粉尘、废水和废气处理。3.1.3非均质系统分离的常用方法(1)沉降分离(颗粒相对于流体的运动过程)重力沉降：颗粒通过自身重力在介质中沉降而分离，适用于处理粗悬浮固体。2020年5月28日，星期四，(2)离心分离：颗粒通过惯性离心力与介质分离，这适用于处理细悬浮颗粒。(2)过滤使用某种多孔物质作为过滤介质，当固体颗粒被捕获在介质上时，流体通过介质，从而获得分离。它适用于处理较细的悬浮固体。(3)湿式除尘：用液体(通常是水)清洗含尘气体，以去除尘粒，适用于细粒。(4)电除尘：悬浮在气相中的颗粒在高压电场的作用下带电，并被板状或管状电极吸引除尘。它适用于分离较细的悬浮固体。2020年5月28日星期四，3.2粒子和粒子床的特征。当流体流经颗粒或颗粒床时，其流动特性与流经管道的流体相同，即流体相对于固体界面流动。然而，由颗粒在床中的随机堆积形成的流动通道在形状上是可变的，在边界条件上是不规则和复杂的。为了研究这种复杂流动通道中的流动规律，有必要从组成流动通道的颗粒开始。3.2.1颗粒特性(1)球形颗粒球形颗粒的尺寸由直径D决定，其他参数可以是直径的函数。例如，体积表面积比表面积，7，星期四，2020年5月28日，(2)非球形颗粒的球形度(形状系数)定义为等于颗粒体积的球体表面积除以颗粒表面积，即，SP-颗粒表面积，S-等于颗粒体积的球体表面积。由于球形颗粒的表面积在具有相同体积和不同形状的颗粒中是最小的，所以对于非球形颗粒，颗粒的形状总是越接近球形，越接近1，对于球形颗粒。(2)颗粒的当量直径颗粒的当量直径代表非球形颗粒的尺寸，通常有两种表达方法：a)等体积当量直径-颗粒体积M3，2020年5月8日，星期四，28 m3，和b)等比表面积当量直径，即等于非球形颗粒比表面积的球形颗粒直径是颗粒的等比表面积当量直径。即比表面积(3)颗粒群粒度分布筛选分析：泰勒标准筛(表3-2) 颗粒群平均粒度，9，星期四，2020年5月28日。可以计算停留在第一层筛网上颗粒的平均直径dpi3.2.2颗粒床的特性(1)床的空隙率。2020年5月28日星期四，的大小与颗粒形状、颗粒大小分布、颗粒直径与床层直径之比、床层填充方式等因素有关。床的空隙率可以通过实验来确定：向体积为v的颗粒床中加水，直到水面达到床的表面。如果加入的水的体积v被确定，床的空隙率为=v水/v。也可以通过称重法测量，称重体积v的颗粒床的质量g，如果固体颗粒的密度为，空隙率为。一般来说，=0.4 0.7为砟床；均匀球体：松散排列的=0.4，紧密排列的=0.26。(2)床的自由横截面积未被颗粒占据的流体可以自由通过的床的横截面积称为床的自由横截面积。2020年5月28日星期四，床层的各向同性：小颗粒无序的床层可以被认为是各向同性的。各向同性床的一个重要特征是其自由横截面积与横截面积的比值在数值上等于床的空隙率。与床层空隙率一样，由于壁面效应，壁面附近的自由横截面积很大。壁效应：在床的同一横截面上分布不均匀。靠近容器壁的较大，而床中心的较小。上的壁效应称为壁效应。壁面效应使流体通过床层的速度不均匀，流阻较小的壁面附近的速度大于床层内部的速度。改善壁面效应的方法通常是将床层直径与颗粒直径之比限制在不小于某一极限值。(3)床的比表面积是指每单位体积床中颗粒的表面积(即颗粒和流体之间的接触面积)。如果忽略相互重叠的粒子的接触面积，可以在2020年5月28日星期四估计堆积密度。(4)等效直径床的简化模型：将固定床中的不规则流道简化为一组与床等高的平行细管。细管的等效直径可以通过床层的空隙率和颗粒的比表面积来计算。高度为1米、高度为1平方米的固定床被考虑。床体积=11=1 m3假设细管的整个流动空间等于床层的空隙体积，因此流动通道体积=1=m，13，星期四，2020年5月28日，14，星期四，2020年5月28日。如果床层中由于相互接触而被颗粒覆盖的表面积被忽略。那么流动通道表面积=颗粒体积颗粒比表面积=1(1-)m所以床的等效直径是：(5)流体通过固定床的压降流体通过固定床的压降主要有两个方面：一是流体和颗粒表面之间的摩擦引起的压降；第二个是由导管横截面面积的突然膨胀和收缩以及流体在流动过程中对颗粒的冲击所引起的压降。在层流中，压降主要由表面摩擦引起，而在湍流和薄层流中，突然膨胀和突然收缩损失起主要作用。使用上述简化模型，流过床层流通道的流体被视为流过一组直径相等的平行细管。压降为：2020年5月28日，星期四，15，其中：-通过床的流体的压降Pa；l-床高m-层流通道的当量直径m；-床中流体的实际流速m/s。由整个床的横截面计算的与空床流量的关系如下：通过将=u/代入压降公式计算：通过床的流体的摩擦系数是床雷诺数Reb的函数。2020年5月28日，星期四，Konzeri在层流(Ret2)中进行了一次实验，并获得以下结果：Ogun方程：适用于RET=0.17 330。当层流发生时，第二项很小，可以忽略不计；当湍流发生时，第一项很小，可以忽略。3.3重力沉降，2020年5月28日星期四沉降，在一定的力场中，利用分散相和连续相之间的密度差使其相对运动，实现分离。重力，惯性离心力，3.3.1重力沉降，球形颗粒的3.3.1.1自由沉降，在2020年5月28日星期四，Fd、Fg、Fb、重力、浮力和阻力随着颗粒和流体之间的相对运动速度而变化，这可以被建模为流体流动阻力的计算公式，并被写成：19，在2020年5月28日星期四，当颗粒开始沉降时，速度u=0，所以阻力Fd=0，a最大颗粒开始沉降，uFd当uut时，a=0。在恒速阶段，颗粒相对于流体的速度ut称为沉降速度。当a=0时，u=ut被代入等式(a)，沉降速度表达式，其中：-球形颗粒的自由沉降速度(m/s)，DP-颗粒直径，-颗粒密度(kg/m3)，-流体密度(kg/m3)，g-重力加速度(m/S2)-阻力系数，无量纲，20，2020年5月28日，星期四，3.3.1.2阻力系数(阻力系数)，并且许多两相流与化学生产的单元操作中的颗粒和流体相关。例如，沉降和过滤，固体流化，以及吸附、离子交换和浸出通常在流体流过固体颗粒层的条件下进行。因此，了解流体通过颗粒和颗粒层的流动规律对于掌握许多化学单元和化学反应过程的操作具有重要意义。球形粒子在流体中运动的阻力如图所示。当粘性流体流过球形颗粒并且面向颗粒的流体接近点A时，流速为零，静压最大。因为流体是不可压缩的，所以沿着原始流动方向的流体及其邻近的邻近流体必须在点A处的高压下将部分静压能量转换成动能，并且被迫改变原始流动方向，绕过粒子的两侧并向下游流动以在粒子后面形成涡流。2020年5月28日，星期四，1A2，21，由于涡流的产生，流体失去了部分能量。重质流体的能量值损失了其能量值的一部分，即颗粒和流体相对运动时形状阻力引起的压头，被认为是单位M液柱。此外，流体沿颗粒表面的流动具有摩擦阻力损失。如果用流体流经颗粒时的摩擦阻力和形状阻力损失来表示，流体绕过颗粒前后的能量守恒关系(即图中的1-2)为：在公式中，能量损失(m-液柱)u1=u2，Z1=z2，8756；U2=0，Z=0，由单位重量流体的总阻力引起。代入能量守恒方程，我们得到，在2020年5月28日星期四，22，我们称单位重量流体的阻力所造成的能量损失与单位重量流体所拥有的动能之比为阻力系数(阻力系数)。2020年5月28日星期四，颗粒周围流动的流体的阻力系数与流体的流动状态有关，流动状态可以通过颗粒雷诺数Ret的大小来判断。均匀来流绕过球形颗粒。当流速很低时，就叫做蠕动流。此时，可以从理论上推导出作用在颗粒上的阻力，从而得到：这个公式叫做斯托克斯定律。表面阻力占2/3，身体阻力占1/3。对于球形颗粒的曲线，根据雷诺数大致分为四个区域：a)滞止区或斯托克斯定律区(104 Ret 2)摩擦阻力占优势，斯托克斯公式，24，2020年5月28日星期四，b)过渡区或艾伦定律区(Allen) (2 ret500)。当它超过层流区域时，涡流填充在颗粒的后半部。涡流导致很大的摩擦损失。同时，涡流中的流体具有大的角速度和旋转动能，这降低了其压力，从而产生大的物体阻力。结果，作用在颗粒上的总阻力增加，表明曲线图中曲线的这一部分趋于减慢。25，星期四，2020年5月28日，c)湍流区或牛顿定律区(nuton) (500 ret 2105)。随着颗粒雷诺数的增加，边界层内的层流变为湍流，阻力系数从0.44降低到0.1，几乎保持不变。在这个区域，随着速度的增加，涡流加剧，体阻力的比例增加，表面阻力的比例降低到可以忽略不计。因此，阻力与流速的平方成正比，与粘度无关。阻力系数是常数，平均值为0.44。d)湍流边界层区域ret 2105)，26，星期四，2020年5月28日，层流区域(104 Ret 2)，过渡区域(2 2105)，湍流区域(500 2105)，27，星期四，2020年5月28日，3.3.1.3影响沉降速度的因素1)颗粒的体积浓度处于上述各种沉降速度关系中。当颗粒体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓度较高时，由于颗粒间明显的相互作用，会发生干涉沉降，自由沉降公式不再适用。2)壁效应当壁尺寸远大于颗粒尺寸时(例如超过100倍)，容器效应可以忽略，否则需要考虑。2020年5月28日星期四，3)颗粒形状、球形度的影响，对于球形颗粒，s=1，颗粒形状和球形度之间的差异越大，球形度s值越低。对于非球形颗粒，雷诺数Ret中的直径应由当量直径de代替。颗粒的球形度越小，对应于相同Ret值的阻力系数越大，但在滞止区s值对的影响不显著，且随着Ret的增加影响越大。29，星期四，2020年5月28日，3.3.1.4计算沉降速度1)试验差分法，假设沉降属于层流区，方法：Ret 2，艾伦公式，2)摩擦数分组法，30，星期四，2020年5月28日，使得，因为是Ret的已知函数，Ret2也必须是Ret的已知函数，-RET曲线可以转换成 ret2-RET曲线。在计算ut时，首先从已知数据计算Ret2的值，然后从 ret2 Ret曲线找到Ret值，最后从Ret反算ut。31，星期四，2020年5月28日，32，星期四，2020年5月28日，计算在特定介质中具有特定沉降速率ut的颗粒的直径，将乘以Ret-1，将Ret-1 Ret关系绘制成曲线，从Ret-1值中找到Ret值，然后根据沉降速率ut值计算dp。2020年5月28日，星期四，33，当Ret=2，k=3.3时，该值是斯托克斯区的上限，牛顿定律区的下限，k=69.1例3-1:尝试计算直径为95m、密度为3000kg/m3的固体颗粒在20的空气和水中的自由沉降速度。解决方案：1)在20水中沉降。首先用试错法假设颗粒在滞止区的沉降。根据附录，20时的水密度为998.2千克/立方米，=1.00510-3帕。2020年5月28日，星期四，34。计算流型。停滞区的原始假设是正确的，获得的沉降速度是有效的。2)20空气中的沉降速度采用摩擦数群法计算：=1.205kg/m3，=1.8110-5pa.s。颗粒沉降的流态根据无量纲数k，35，2020年5月28日星期四，3.3k69.1，过渡区沉降来确定。用艾伦公式计算的沉降速度：3.1.1.5分级沉降包含两种不同直径或密度的混合物，也可用沉降法分离。36，星期四，2020年5月28日，3.3.2重力沉降设备，3.3.2.1粉尘沉降室，(1)粉尘沉降室的生产能力粉尘沉降室的生产能力是指经粉尘沉降室处理的含尘气体的体积流量，以qV，m3/s表示。为了满足除尘要求，粉尘沉降室的沉降颗粒条件，粉尘沉降室的生产能力和粉尘沉降室的生产能力仅与粉尘沉降的沉降面积bl有关，38，星期四，2020年5月28日，39，星期四，2020年5月28日，实施例3-2:质量流量