化工原理课件(天大版) 第三章 非均相系分离.ppt

第三章非均相系的分离,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,3.1概述,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,连续相连续相介质,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,3.2颗粒及颗粒床层的特性,颗粒的特性及描述,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,设颗粒的密度为s，直径为d，流体的密度为，,3.3.1重力沉降,3.3沉降分离,重力,浮力,而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算式写为：,(a),颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，amax颗粒开始沉降后，uFd；uut时，a=0。等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut称为沉降速度。当a=0时，u=ut，代入（a）式,沉降速度表达式,2、阻力系数通过因次分析法得知，值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：a)滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（104Ret1）,斯托克斯公式,艾伦公式,c)湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103Ret2105）,牛顿公式,b)过渡区或艾伦定律区（Allen）（1Ret103）,3、影响沉降速度的因素1）颗粒的体积浓度在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，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，（例如在100倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。,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，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代替。,颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数愈大但s值对的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。,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,令,因是Ret的已知函数，Ret2必然也是Ret的已知函数，Ret曲线便可转化成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。,Ret,Ret,Ret2,计算在一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，令与Ret-1相乘，,Ret-1Ret关系绘成曲线，由Ret-1值查得Ret的值，再根据沉降速度ut值计算d。,无因次数群K也可以判别流型,当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限牛顿定律区的下限K值为69.1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,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：=205kg/m3，=8110-5Pa.s根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型,2.61K69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。,5.重力沉降设备,1）降尘室的结构,2）降尘室的生产能力降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量，用Vs表示，m3/s。,降尘室内的颗粒运动,1.降尘室,降尘室,则表明，该颗粒能在降尘室中除去。,思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？,思考2：为什么降尘室要做成扁平的？,100%,思考3：要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被100%除去，必须满足什么条件？,思考5：粒径比dmin小的颗粒，被除去的百分数为多少？,粒径比dmin大的颗粒，被除去的百分数为多少？,100%,注意：降尘室内气体流速不应过高，以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验，多数灰尘的分离，可取u3m/s，较易扬起灰尘的，可取u1.5m/s。,可见：降尘室生产能力与底面积、沉降速度有关，而与降尘室高度无关,多层降尘室,n层隔板的多层降尘室生产能力：,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d的尘粒时所能处理的气体流量。,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，需在降降尘室内设置几层水平隔板？,解：1）降尘室的总高度H,2）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸,用试差法由ut求dmin。假设沉降在斯托克斯区,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的颗粒定在滞流区，其沉降速度,气体通过降沉室的时间为：,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均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。直径为40m的颗粒被回收的百分率为：,4）水平隔板层数由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度，再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。粒径为10m的颗粒的沉降必在滞流区，,取33层,板间距为,降尘室,结构简单，但设备庞大、效率低，只适用于分离粗颗粒-直径75m以上的颗粒，或作为预分离设备。,2.增稠器（沉降槽）,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。,3.分级器,利用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/m320水的密度和粘度=998.2kg/m3=1.00510-3Pas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。,解：1)水的上升流速为了得到纯方铅矿粒，应使全部石英粒子被溢流带出，应按最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速。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。,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的，Ret=60，则：,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的，Ret=22，则：,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。,离心沉降：,依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。惯性离心力场与重力场的区别,重力加速度g,uT2/R（可变）,指向地心,沿旋转半径从中心指向外周,Fg=mg,3.3.2离心沉降,1、离心沉降速度ur,惯性离心力=,向心力=,阻力=,三力达到平衡，则：,平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。,表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度数值：重力沉降速度基本上为定值离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置而变。,离心沉降速度与重力沉降速度的比较,阻力系数：层流时,同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为：,比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比称为离心分离因数。例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度uT=20m/s时，求分离因数。,一般离心设备Kc在52500之间，高速离心机Kc可达几万数十万。,2旋风分离器的工作原理,构造及气、固运动轨迹,旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量，分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。1）气体处理量旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在1525m/s。旋风分离器的处理量,3旋风分离器的性能,2）临界粒径判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。临界粒径：,理论上在旋风分离器中