第三章非均相体分离..ppt

第三章机械分离,沉降过程过滤离心机,第一节沉降过程,一、重力沉降,1、重力沉降速度,1）球形颗粒的自由沉降,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：,3）影响沉降速度的因素a）颗粒的体积浓度在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。,b）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。,c）颗粒形状的影响,球形度,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；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。,对于球形颗粒，s=1,颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数愈大；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a）试差法,方法,b)摩擦数群法,令,因是Ret的函数，Ret2必然也是Ret的函数，Ret曲线便可转化成Ret2Ret曲线。计算ut：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。,计算颗粒的直径d：令与Ret-1相乘，,将Ret-1Ret关系绘成曲线，由Ret-1值查得Ret的值；,判别流型,再根据沉降速度ut值计算d。,当Ret=1时，K=2.62，为斯托克斯区的上限牛顿定律区的下限K值为69.1。,2、重力沉降设备,1）降尘室,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。,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。,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要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量,降尘室的特点结构简单，但设备庞大、效率低，只适用于分离粗颗粒-直径75mm以上的颗粒，或作为预分离设备。,2）沉降槽,二、离心沉降,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,一、离心沉降速度,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。,离心加速度ac=2r=ut2/r不是常量沉降过程没有匀速段，但在小颗粒沉降时，加速度很小，可近似作为匀速沉降处理,2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较表达式：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。,对照重力场,离心沉降速度,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：,Kc：粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比。,离心分离因数：,二、旋风分离器的操作原理,构造操作原理,三、旋风分离器的性能,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。,2、临界粒径：理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。,1）临界粒径的计算式a)进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运动，且切线速度恒定，等于进口气速ut=ui；b)颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度Bc)颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用表示为,S，故可略去，而旋转半径R可取平均值Rm，并用进口速度ui代替ut。,气流中颗粒的离心沉降速度为：,颗粒到达器壁所需要的时间：,停留时间为：,对某尺寸的颗粒所需的沉降时间t恰好等于停留时间，用dc表示这种颗粒的直径。,临界粒径的表达式,2）临界粒径的影响因素,a)由,，知,即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。,b)入口气速ui愈大，dc愈小，效率愈高。,3、分离效率,粒级效率pi与颗粒直径di的对应关系可通过实测得到，称为粒级效率曲线。,如图，临界粒径约为10m。理论上，凡直径大于10m的颗粒，其粒级效率都应为100%而小于10m的颗粒，粒级效率都应为零，图中折线obcd。,实测的粒级效率曲线，直径小于10m的颗粒，也有可观的分离效果，而直径大于dc的颗粒，还有部分未被分离下来。直径小于dc的颗粒中有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面，在停留时间内能够达到壁面上。有些在器内聚结成了大的颗粒，因而具有较大的沉降速度。直径大于dc的颗粒由于气体涡流的影响，可能没达到器壁。即使沉到器壁也会被重新扬起,有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲线，d50为粒级效率为50%的颗粒直径，称为分割粒径。对于标准旋风分离器,4、压强降,气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力，气体流动时的局部阻力以及气体旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降，,对型式不同或尺寸比例不同的设备c的值也不同，要通过实验测定，对于标准旋风分离器c=8.0。旋风分离器的压降一般在5002000Pa内。,评价旋风分离器性能的两个主要指标：,1、旋风分离器的型式旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准型式的旋风分离器的改进设计出来的。,进气口：为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较规则的旋转流，减少局部涡流与死角，设计了倾斜螺旋进口，螺壳形进口、轴向进口等。,主体结构与各部分尺寸比例的优化：,根据流场与颗粒流动规律设计旋风分离器的结构，一般细长的旋风分离器效率高，但超过一定限度，分离效率的提高不明显，而压降却增加。,四、旋风分离器的型式与选用,改进下灰口：,防止已分离下来的粉尘重新扬起。目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列，如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B以及扩散式旋风分离器。,2、旋风分离器的设计计算例如，已知气体流量VS(m3/s)、原始含尘量C1(g/m3)、粉尘的粒度分布，除尘要求及气体通过旋风分离器允许的压强降，要求选择旋风分离器的形式，确定旋风分离器的直径和个数。,步骤：a)根据具体情况选择合适的型式，选型时应在高效率与地阻力者之间作权衡，一般长、径比大且出入口截面小的设备效率高且阻力大，反之，阻力小效率低。b)根据允许的压降确定气体在入口的流速uic)根据分离效率或除尘要求，求出临界粒径dCd)根据ui和dc计算旋风分离器的直径De)根据ui与D计算旋风分离器的处理量，再根据气体流量确定旋风分离器的数目。f)校核分离效率与压力降,特点：与旋风分离器相比，直径小、锥形部分长。,旋液分离器：,第二节过滤,过滤操作的基本概念过滤基本方程式恒压过滤恒速过滤过滤常数的测定过滤设备滤饼的洗涤过滤机的生产能力,一、过滤操作的基本概念,1、过滤方式,深层过滤,滤饼过滤,固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质床层内部，悬浮液中的颗粒直径小于床层直径，当颗粒随流体在床层的曲折孔边穿过时，便粘附在过滤介质上。适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微（固相体积分率在0.1%以下）的场合,固体颗粒成饼层状沉积于过滤介质表面，形成滤饼适用于处理固相含量稍高（固相体积分率在1%以上）的悬浮液。,过滤：利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（过滤介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。滤浆：过滤操作中所处理的悬浮液。滤液：通过多孔介质的液体。滤渣（滤饼）：被截留住的固体物质,2、过滤的概念,实现过滤操作的外力有重力、压力、离心力，化工中应用最多的是压力过滤。,推动力：重力、压力、离心力,架桥现象,3、过滤介质过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件：a)多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒。b)物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。c)足够的机械强度，使用寿命长d)价格便宜工业常用的过滤介质主要有：a)织物介质：又称滤布，棉、毛、丝等天然纤维，玻璃丝和各种合成纤维制成的织物及金属网。截留的粒径的范围从几十m到1m。优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。,b)多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的多孔塑料，棉花饼等。这类介质较厚，孔道细阻力大，能截留13m的颗粒。c)堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。d)多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十m到200m），孔很小，可以分离小到0.05m的颗粒，应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。,4、助滤剂,滤饼,不可压缩滤饼:,颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形,可压缩滤饼:,颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。,助滤剂：可减少可压缩滤饼的流动阻力,加入方法,预涂：,将助滤剂混在滤浆中一起过滤,用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。,二、过滤的基本方程,1、滤液通过饼层的流动空隙率:单位体积床层中的空隙体积，用表示。=空隙体积/床层体积m3/m3颗粒比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，用a表示。a=颗粒表面/颗粒体积de=4水力半径=4管道截面积/润湿周边,(1)细管长度le与床层高度L成正比(2)细管的内表面积等于全部颗粒的表面积，流体的流动空间等于床层中颗粒之间的全部空隙体积。,简化模型：假定：,de流通截面积流道长度润湿周边长度流道长度de流道容积流道表面积取面积为1m2厚度为1m的滤饼考虑：床层体积111m3流道容积1m3流道表面积颗粒体积颗粒比表面（1）am2所以床层的当量直径为：,滤液通过饼层的流动常属于滞流流型，,(1),颗粒床层的当量直径可写为：,滤液通过饼床层的流速与压强降的关系为：,（2）,在与过滤介质层相垂直的方向上床层空隙中的滤液流速u1与按整个床层截面积计算的滤液平均流速u之间的关系为：,（3）,将（1）、（3）代入（2）并写成等式,比例常数K与滤饼的空隙率、粒子形状、排列及粒度范围等因素有关。对于颗粒床层的滞流流动，K值可取为5。,过滤速度表达式,单位时间通过单位过滤面积的滤液体积,2、过滤速率,单位时间获得的滤液体积称为过滤速率,3、滤饼的阻力,-单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积,即过滤速度,滤饼的比阻，1/m2,令,滤饼阻力,由RrL可知，比阻r是单位厚度滤饼的阻力，数值上等于粘度为1Pa.s的滤液以1m/s的平均流速通过厚度为1m的滤饼层时，所产生的压强降。反映了颗粒形状、尺寸及床层空隙率对滤液流动的影响床层空隙率愈小及颗粒比表面积愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。,滤液穿过过滤介质层的速度关系式：,式中：P=P1+P2，代表滤饼与滤布两侧的总压强降，称为过滤压强差。也称为过滤设备的表压强。,4、过滤介质的阻力过滤介质的阻力与其厚度及本身的致密程度有关，通常把过滤介质的阻力视为常数。,可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降来表示过滤推动力，用两层的阻力之和来表示总阻力。,设想以一层厚度为Le的滤饼来代替滤布，,式中：Le过滤介质的当量滤饼厚度，或称为虚拟滤饼厚度，m在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定悬浮液时，Le为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Le值不同。,5、过滤基本方程式,设每获得单位体积滤液时，被截留在过滤介质上的滤饼体积为c（m3滤饼/m3滤液），则,代入过滤速度表达式中：,过滤介质的当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3在一定的操作条件下，以一定介质过滤一定的悬浮液时，Ve为定值，但同一介质在不同的过滤操作中，Ve值不同。,过滤速率的一般关系式,令,故,-过滤基本方程,三、恒压过滤,恒压过滤：在恒定压强差下进行的过滤操作。恒压过滤时，滤饼不断变厚致使阻力逐渐增加。但推动力P恒定，过滤速率逐渐变小。,令,表征过滤物料特性的常数（m4/N.s）,过滤速率,对于一定的悬浮液，,r及均可视为常数。,假定获得体积为Ve滤液所需的虚拟过滤时间为e,则积分的边界条件为：过滤时间滤液体积0e0Vee+eVeV+Ve,积分得：,积分两式，并令K=2kP1-s,两式相加，得：,恒压过滤方程式,表明：恒压过滤时，滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程当介质阻力可以忽略时，Ve=0，e=0，则,令,K过滤常数,由物料特性及过滤压强差所决定，m2/s,e和qe介质常数,反映过滤介质阻力大小，s及m3/m2，由过滤介质的性质（孔的结构、r0、厚度）决定。,当介质阻力可以忽略时，,四、恒速过滤,特点：,K不为常数，而u为常数。,整理得：,若过滤介质阻力可忽略不计，则,或,或,五、过滤常数的测定,1、恒压下K、qe、e的测定实验原理：,对于一定恒压下过滤的悬浮液，测出延续的时间及滤液的累计量q（按单位面积计）的数据，然后算出一系列的与q的对应值。,然后在直角坐标纸上从/q为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得到一斜率为2/K，截距为2qe/K的直线。,求得,然后在直角坐标纸上以/q为纵坐标，以q为横坐标进行标绘，可得到一斜率为2/K，截距为2qe/K的直线。,求得：,由：,.,2、压缩性指数s的测定,常数,lgk与lg(p)的关系在对数坐标纸上标绘时应是直线,直线的斜率为1-s，截距为lg(2k)。由此可得到滤饼的压缩性指数s及物料特性常数k。,六、过滤设备,1、板框压滤机1）结构：,滤框、滤板,1060块不等，过滤面积约为280m2,2）板框压滤机的操作板框压滤机为间歇操作，每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸饼、清理5个阶段组成。悬浮液在指定压强下经滤浆通路由滤框角上的孔道并行进入各个滤框。滤液分别穿过滤框两侧的滤布，沿滤板板面的沟道至滤液出口排出颗粒被滤布截留而沉积在滤布上，待滤饼充满全框后，停止过滤。,横穿洗涤法：洗涤时，先将洗涤板上的滤液出口关闭，洗涤水经洗水通路从洗涤半角上的孔道并行进入各个洗涤板的两侧。特点：洗涤水穿过的途径正好是过滤终了时滤液穿过途径的二倍。优点：结构简单，制造