第三章非均相物系分离

1、化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 10:04:53Principles of Chemical Engineering主讲：易 均 辉化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 20:04:533 3.1 .1 概述概述3 3.2 .2 沉降分离沉降分离( () )3 3.3 .3 过滤过滤( () )3 3. .4 4 非非均均混和物混和物分离分离技术与设备的新进展技术与设备的新进展 ( (自学自学) )3 3. .5 5 离心机离心机( (自学自学) )3 3. .6 6 固体流态化固体流态化( (自学自学) )第三章 非均相物系的分

2、离化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 30:04:53清水沉降池清水沉降池滤药渣滤药渣化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 40:04:54自来水厂沉降池自来水厂沉降池旋风分离器锅炉烟气除尘脱硫锅炉烟气除尘脱硫化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 50:04:543.1 3.1 概概 述述3.1.1 3.1.1 非均相混合物的分离方法非均相混合物的分离方法3.1.2 3.1.2 颗粒的特性颗粒的特性化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 60:04:543.1.1 非均相混合物的分离方法非均相混合物的分离方法混合物均相混合

3、物非均相混合物溶液：混合气体：精馏、萃取吸收、吸附气态非均相液态非均相含尘气体含雾气体悬浮液乳浊液泡沫液沉降过滤分散相(被分散物质)连续相(分散介质)1. 混合物的分类混合物的分类化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 70:04:542. 非均相物系的分离方法非均相物系的分离方法 按运动方式的不同沉降settling过滤filtration分散相运动连续相静止分散相静止连续相运动 利用连续相和分散相物理性质上的差异，在外力的作用下使两者发生相对运动相对运动，实现分离机械分离操作化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 80:04:541)1)回收有用物质回收有用

4、物质( (分散物质分散物质) ) 如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作为产品，或者从某些排泥中回收带走的液体等。2)2)净化物料及分散介质净化物料及分散介质 如除去催化反应中原料气中尘粒等杂质，以保证催化剂的活性。3)3)环境保护环境保护 烟道气的排放、废液的排放都要求其固含量达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污染3.非均相物系分离的目的非均相物系分离的目的化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 90:04:54AS1）球形颗粒）球形颗粒d： 颗粒的直径；V： 球形颗粒的体积；S：球形颗粒的表面积；a：比表面积单位体积颗粒的表面积。dadSdV66232366dSa

5、Vdd球形颗粒比表面积：1.单一颗粒的特性化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 100:04:54球形颗粒非球形颗粒非球形颗粒2）非球形颗粒）非球形颗粒指：与颗粒指：与颗粒体积相等体积相等的的球形颗粒球形颗粒的直径。的直径。 体积当量直径体积当量直径d de e（equivalent diameter equivalent diameter ）36pseeVVdd即：1/36peVd因此，Vp:非球体颗粒的实际体积非球体颗粒的实际体积,m3注明：注明：表面积当量直径表面积当量直径d de,ae,a,pe aSd因此，S Sp p为非球形颗粒的表面积。为非球形颗粒的表面积。化工

6、原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 110:04:54 颗粒的形状系数（球形度颗粒的形状系数（球形度）s与颗粒等体积的球形颗粒的表面积球形度颗粒的表面积spSS公式表示：11sS Sp p为非球形颗粒的表面积为非球形颗粒的表面积。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 120:04:54颗粒的比表面积颗粒的比表面积 a23()()pppSmamV颗粒表面积颗粒体积36peVd2epsdS6psead化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 130:04:542.颗粒群的特性1 1）粒度分布（粒径分布）粒度分布（粒径分布） 定义：不同粒径范围内所含粒

7、子的个数或质量。定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。 测定方法：测定方法： 筛分分析筛分分析1.1.标准筛标准筛: :一般使用的筛。有泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。我国用泰勒制。2.2.筛号筛号: :指沿丝线走向1英寸长具有的孔数。3.3.筛余量筛余量: :截留在该筛面上的颗粒质量。4.4.筛过量筛过量: :通过该号筛的颗粒质量。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 140:04:54单位：单位：目目目数目数为筛网上为筛网上1英寸（英寸（25.4mm）长度内的长度内的网孔数网孔数 标准筛系列：标准筛系列：10 14 20 28 35 48 65 100 150 2

8、00 270 325 400其中最细的是其中最细的是400目，孔径目，孔径38m。 （p 145, 表32）国际标准筛制：国际标准筛制：Tyler(泰勒泰勒)标准标准25.4a ddam4.25化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 150:04:54以以100目为例：目为例：网线直径规定为网线直径规定为0.0042 in（英尺，（英尺，0.107mm），），故筛孔的宽度为：故筛孔的宽度为：1/100-0.0042=0.0058in(0.147mm) 相邻筛号的筛孔大小按相邻筛号的筛孔大小按计，以计，以 的倍数递增，即的倍数递增，即按按 2 的倍数递增。的倍数递增。2化工原理教

9、学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 160:04:542 2）平均粒径）平均粒径121121nniianixxxxdddddxi粒径段内颗粒的质量分率;di-筛分直径mda-平均比表面积直径m以球形颗粒为例，以球形颗粒为例，化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 170:04:553.2 3.2 沉降分离沉降分离3.2.1 3.2.1 重力沉降重力沉降 (gravity settling )3.2.2 3.2.2 离心沉降离心沉降( (centrifugal settling) 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 180:04:55原理原理: :依

10、靠某种力的作用依靠某种力的作用, ,利用分散相与连续相之间存在利用分散相与连续相之间存在密度差密度差使之发生使之发生相对运动相对运动而而分离分离的过程。的过程。前提条件：密度差、外力前提条件：密度差、外力外力场外力场重力沉降和离心沉降重力沉降和离心沉降沉降分离沉降分离(gravity settling) 所受影响所受影响自由沉降与干扰沉降自由沉降与干扰沉降以下讨论以下讨论表面刚性球形颗粒表面刚性球形颗粒自由沉降过程。自由沉降过程。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 190:04:551 1）球形颗粒的自由沉降：）球形颗粒的自由沉降：gdFsg 36 gdFb36 2)4(2

11、2udFd重力：重力：浮力：浮力：阻力：阻力： s 颗颗粒粒密密度度 流流体体密密度度l受力分析受力分析颗粒运动方向上的投影面积颗粒运动方向上的投影面积1.1.沉降速度沉降速度 Fd 阻力 Fg 重力 Fb 浮力3.2.1 重力沉降重力沉降化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 200:04:55maFFFdbg 刚开始沉降：刚开始沉降： 0 ugbFF 不变不变0 dFa最大最大 开始沉降开始沉降 udFdbgFFFa t u u0加速段匀速段曲线的斜率曲线的斜率化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 210:04:55tuu dbgFFFa0 u增加至一定值

12、时增加至一定值时 自由沉降速度自由沉降速度 匀速沉降匀速沉降 24161612233tsudgdgd4()3stgdu自由沉降速度公式自由沉降速度公式 终端速度终端速度( terminal velocity ) 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 220:04:552) 2) 阻力系数阻力系数 t(Re ,)(,)tssduffRes ttd u球形度球形度SSsp = =与颗粒体积相等的圆球的表面积与颗粒体积相等的圆球的表面积颗粒的表面积颗粒的表面积1 ut-沉降速度,m/sds-颗粒的粒径,m流体的密度流体的粘度化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 2

13、30:04:55图图3-2 关系曲线关系曲线-p147 Ret化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 240:04:55由图由图3-2可以看出，对于球形颗粒的曲线，按可以看出，对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：值大致分为三个区：tRe24182stdu斯托克斯公式斯托克斯公式 a) 滞流区或托斯克斯滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（定律区（10 4Ret1）化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 250:04:556 . 0Re5 .18t6 . 0Re269. 0tgdust艾伦公式艾伦公式 c) 湍流区或牛顿定律区（湍流区或牛顿定律区（Ne

14、wton）（）（1000Ret 2105） 44. 0gdust74. 1牛顿公式牛顿公式 b) 过渡区或艾伦定律区（过渡区或艾伦定律区（Allen）（）（1Ret1000） 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 260:04:551）颗粒的体积浓度）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度小于0.2%时，理论计算值的偏差在时，理论计算值的偏差在1%以内，但当以内，但当颗粒颗粒浓度较高浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适

15、用。，自由沉降的公式不再适用。2）器壁效应）器壁效应 当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。容器效应可忽略，否则需加以考虑。 Dduutt1 . 213)、沉降速度的影响因素、沉降速度的影响因素化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 270:04:553）颗粒形状的影响）颗粒形状的影响 对于球形颗粒，对于球形颗粒，s=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形颗粒形状与球形的差异愈大，球形度度s值愈低。值愈低。对于非球形颗粒，雷诺准数对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径中的直径要用

16、当量直径de代代替替 。peVd3636PeVd颗粒的球形度愈小，对应于同一颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数值的阻力系数愈大愈大但但s值对值对的影响在滞流区并不显著，随着的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种的增大，这种影响变大。影响变大。2esdA与颗粒体积相等的球表面积球形度非球形颗粒的表面积化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 280:04:554 4、沉降速度的计算、沉降速度的计算 假设沉降属于层流区假设沉降属于层流区 方法：方法：182stduut dutReRet Ret1 ut为所求为所求Ret1 艾伦公式艾伦公式求求ut判断判断公式适公式

17、适用用为止为止 2) 摩擦数群法摩擦数群法 34stgdu由由得得243stdgu1）试差法）试差法 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 290:04:5522222Rettud23234Regdst32sgKd 令令234Re3tK 因因是是Ret的已知函数，的已知函数，Ret2必然也是必然也是Ret的已知函数，的已知函数，Ret曲线便可转化成曲线便可转化成 Ret2Ret曲线。曲线。 a)已知已知d，计算，计算ut。 先由已知数据先由已知数据算出算出Ret2的值的值，再再由由Ret2Ret曲线曲线查得查得Ret值值，最后由最后由Ret反算反算ut 。duttRe化工原理

18、教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 300:04:55Ret2Ret曲线曲线化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 310:04:55 b) 已知已知ut ，计算，计算d。 计算在一定介质中计算在一定介质中具有某一沉降速度具有某一沉降速度ut的颗粒的直径的颗粒的直径，令令与与Ret-1相乘，相乘， 2213)(4Retstug Ret-1Ret关系绘成曲线关系绘成曲线 ，由由Ret-1值查得值查得Ret的值，的值， 再根据再根据沉降速度沉降速度ut值计算值计算d。ttudRe 3)无因次数群无因次数群K也可以也可以判别流型判别流型 182gdust2318Regds

19、t183K化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 320:04:55当当Ret=1时时K=2.62，此值即为此值即为斯托克斯区的上限斯托克斯区的上限 牛顿定律区的下限牛顿定律区的下限K值为值为69.1 182gdust 附录查得，附录查得，20时水的密度为时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s【例例3-1】：试计算直径为试计算直径为95m，密度为密度为3000kg/m3的固体颗粒分的固体颗粒分别在别在20的空气和水中的自由沉降速度。的空气和水中的自由沉降速度。用试差法计算用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降先假设颗粒在滞流区内沉降 ，化工原理教学与实验中

20、心化工原理教学与实验中心 Page 330:04:5532610005. 11881. 92 .99830001095tusm/10797. 93核算流型核算流型 ttduRe33610005. 12 .99810797. 910959244. 01原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。2） 20的空气中的沉降速度的空气中的沉降速度用摩擦数群法计算用摩擦数群法计算20空气：空气：=205 kg/m3，=8110-5 Pa.s化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 340:04:5532gdKs32561081. 181. 9205. 1300

21、0205. 1109552. 42.61K69.1，沉降在过渡区。，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。用艾伦公式计算沉降速度。 4 . 16 . 04 . 14 . 04 . 114 . 16 . 14 . 11154. 0stdgusm/619. 0根据无因次数根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型值判别颗粒沉降的流型 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 350:04:55【练习练习】：求直径求直径40m球形颗粒在球形颗粒在30大气中的自大气中的自由沉降速度。已知由沉降速度。已知颗粒颗粒为为2600kg/m3,大气压为大气压为0.1MPa。解：解：设为层流，则：设为层流，

22、则：查查30、0.1MPa空气：空气：3mkg165.1 sPa1086.15 18)(2gdust 校核：校核：sm12. 0 23 . 0 tduRe( (正确正确) )5261086. 118)165. 12600(81. 9)1040( 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 360:04:552.2.重力沉降设备重力沉降设备降尘室是依靠重力沉降从气流中分离出固体颗粒的设备。降尘室是依靠重力沉降从气流中分离出固体颗粒的设备。 1 1、降尘室、降尘室1)单层降尘室化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 370:04:55 bVs ut u l HA b l

23、 SbHsVHb u 降尘室底面积：降尘室底面积：含尘气体积流量：含尘气体积流量：含尘气含尘气流通截面积流通截面积：化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 380:04:55ul颗粒沉降到室底所需的时间颗粒沉降到室底所需的时间 ttuHt为了满足除尘要求为了满足除尘要求 tuHul降尘室使颗粒沉降的条件降尘室使颗粒沉降的条件HbVusssVlHbHbVltsuHVlHbtsbluV 单层降尘室的生产能力，单层降尘室的生产能力，b:降尘室宽度降尘室宽度 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。 气体通过降尘室的时间气体通过降尘室的时

24、间 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 390:04:55化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 400:04:55 多层降沉室清洁气流含尘气流挡板隔板除尘室生产能力与沉降面积除尘室生产能力与沉降面积bl及颗粒沉降速度有及颗粒沉降速度有关，与关，与H无关无关沉降室为扁平型，设计成多层水平隔板，间距沉降室为扁平型，设计成多层水平隔板，间距40-100mmtblunVs) 1( * *沉降速度按完全分离的最小颗粒直径计算沉降速度按完全分离的最小颗粒直径计算1)多层降尘室化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 410:04:55降尘室结构简单，流动

25、阻力小，但降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大体积庞大，分离效率低分离效率低，通常只适用于分离粒度大于，通常只适用于分离粒度大于50m的的粗颗粒粗颗粒，作为，作为预除尘预除尘使用。使用。沉降速度沉降速度u0 应根据应根据需要完全分离下来的需要完全分离下来的最小颗最小颗粒尺寸粒尺寸计算计算。气速气速u 一般应保证气体处于一般应保证气体处于层流区层流区，以免干扰颗，以免干扰颗粒沉降或把颗粒重新扬起。粒沉降或把颗粒重新扬起。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 420:04:55【例例3-2】采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底

26、面积为粒。降尘室底面积为10，宽和高均为，宽和高均为2m。操作条件。操作条件下气体密度为下气体密度为0.75kg/m3，粘度为，粘度为2.6 10-5Pa s，颗粒密，颗粒密度为度为3000 kg/m3。降尘室的生产能力为。降尘室的生产能力为3m3/s。试求：。试求：（1）理论上可完全回收的最小颗粒直径；）理论上可完全回收的最小颗粒直径；（2）粒径为）粒径为40 m的颗粒的回收百分率；的颗粒的回收百分率；（3）如将降尘室改为多层以完全回收）如将降尘室改为多层以完全回收10 m的颗粒，的颗粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。 化工原理教学与实验

27、中心化工原理教学与实验中心 Page 430:04:55解：解：（1）理论上可完全回收的最小颗粒直径）理论上可完全回收的最小颗粒直径在降尘室中能完全被分离出的最小颗粒的沉降速度在降尘室中能完全被分离出的最小颗粒的沉降速度为为smAVut/3 . 01030s假设沉降在层流区，用假设沉降在层流区，用Stokes公式求最小颗粒直径公式求最小颗粒直径mgudt5pmin1091. 618化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 440:04:55核算沉降流型核算沉降流型2598. 0Reminttud假设成立，求得的最小粒径有效。假设成立，求得的最小粒径有效。（2）粒径为）粒径为40

28、m的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体的停留时假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体的停留时间内颗粒沉降的高度与降尘室的高度之比即为该尺寸颗间内颗粒沉降的高度与降尘室的高度之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。粒被分离下来的分率。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 450:04:55由于各种尺寸的颗粒在降尘室内的停留时间均相由于各种尺寸的颗粒在降尘室内的停留时间均相同，故同，故40 m的颗粒的回收率也可用其沉降速度的颗粒的回收率也可用其沉降速度ut与与69.1 m的颗粒的沉降速度的颗粒的沉降速度ut之比来确定，在层之比来确定，在层流区

29、流区%5 .33)1 .6940()(22mindduutt回收率（3）需设置水平隔板层数及板间距）需设置水平隔板层数及板间距由上面计算可知，由上面计算可知，10 m的颗粒的沉降必在层流区，的颗粒的沉降必在层流区，可用可用stokes公式计算沉降速度公式计算沉降速度smgdu/1029. 6183s20化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 460:04:55需设置水平隔板层数需设置水平隔板层数层，取4769.4611029. 61031300uAVns板间距板间距mnHh042. 04821核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚度

30、所占的空间，则气体的流速为度所占的空间，则气体的流速为smbHVus/75. 0223化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 470:04:55mhbbhde082.0)042.02(2042.024)(241774106 . 275. 075. 0082. 0Re5ude即气体在降尘室的流动为层流，设计合理。即气体在降尘室的流动为层流，设计合理。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 480:04:55 分离悬浮液，在中心距液面下分离悬浮液，在中心距液面下0.30.31m1m处连续加料，清液往上走，稠液往下走，锥形处连续加料，清液往上走，稠液往下走，锥形底部有

31、一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠浆从底部出口出去。（内部沉降分为底部有一缓慢旋转的齿耙把沉渣慢慢移至下部中心，稠浆从底部出口出去。（内部沉降分为上部自由沉降和下部干扰沉降）大的增稠器直径可达上部自由沉降和下部干扰沉降）大的增稠器直径可达1010100m100m，深，深2.52.54m4m。它一般用于。它一般用于大流大流量、低浓度悬浮液的处理量、低浓度悬浮液的处理，常见的污水处理就是一例。，常见的污水处理就是一例。( (2 2）沉降槽）沉降槽化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 490:04:56(3)分级器 利用它将密度不同或尺寸,不同的粒子混合物分开。混合粒子由上

32、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。双锥分级器化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 500:04:56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。适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。重力场重力场离心力场离心力场力场强度力场强度重力加速度重力加速度gut2/R 方向方向指向地心指向地心 沿旋转半径从中心指向外周沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg 2TcuFmR作用力作用

33、力 3.2.23.2.2 离心沉降离心沉降( (centrifugal settling ) )惯性离心力场与重力场的区别惯性离心力场与重力场的区别化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 510:04:56一、离心沉降速度一、离心沉降速度1、离心沉降速度、离心沉降速度ur惯性离心力惯性离心力=236TsudR向心力向心力=236TudR阻力阻力= 2422rud三力达到平衡，则：三力达到平衡，则：236TsudR236TudR02422rudR1R2ARCB化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 520:04:56 平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度平衡时颗

34、粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置便是此位置上的上的离心沉降速度离心沉降速度。243sTrduuR2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较、离心沉降速度与重力沉降速度的比较 表达式表达式：重力沉降速度公式中的：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度重力加速度改为离心加速度4 ()3stdgu243sTrduuR2TugR数值：数值：重力沉降速度基本上为重力沉降速度基本上为定值定值,离心沉降速度为离心沉降速度为绝对速度在径绝对速度在径向上的分量，向上的分量，随颗粒在离心力场中的随颗粒在离心力场中的位置而变位置而变。 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 530:04

35、:56阻力系数阻力系数 ：层流时：层流时eR242218sTrduuR 同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速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度的比值为 ：2rTctuuKugR 比值比值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强度之比称为离心分离因数离心分离因数(centrifugal separation factor )。 例如；当旋转半径例如；当旋转半径r=0.4m，切向速度切向速度uT=20m/s时，求分离时，求分离因数。因数。2102TcuKgR化工原理教学与实验中心化工原理教学与实

36、验中心 Page 540:04:56二、旋风分离器的操作原理二、旋风分离器的操作原理标准型标准型旋风分离器：4822422211DDDSDHHDDDBDh，化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 550:04:56化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 560:04:56三、旋风分离器的性能三、旋风分离器的性能 旋风分离器性能的主要操作参数为旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量，气体处理量，分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。1、气体处理量、气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流旋风分离器的处理量由

37、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量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速一般入口气速ui在在1525m/s。旋风分离器的处理量旋风分离器的处理量 SiVub h 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 570:04:56判断旋风分离器判断旋风分离器 分离效率高低的重要依据是临界粒径。分离效率高低的重要依据是临界粒径。临界粒径临界粒径 ： 理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。颗粒直径。1） 临界粒径的计算式临界粒径的计算式 a) 进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运进入旋风分离器的气流严格

38、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颗粒沉降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度b。ruduTsr2218表示表示c) 颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用颗粒在滞流情况下做自由沉降，径向速度可用 2、临界粒径、临界粒径 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 580:04:56S，故故可略去，而旋转半径可略去，而旋转半径r可取平均值可取平均值rm，并用进并用进口速度口速度ui代替代替ut。气流中颗粒的离心沉降速度为：气流中颗粒的离心沉降速度为： misrrudu

39、1822颗粒到达器壁所需要的时间：颗粒到达器壁所需要的时间： 2218mtrsir BBudu停留时间为：停留时间为： imunr2 对某尺寸的颗粒所需的沉降时间对某尺寸的颗粒所需的沉降时间t恰好等于停留时间恰好等于停留时间，该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒，用dc表示表示这种颗粒的直径，即这种颗粒的直径，即临界粒径临界粒径 (critical particle size) 。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 590:04:5622182mmcsiir Br nduu9csiBdnu 临界粒径的表达式临界粒径的表达式

40、 2）临界粒径的影响因素）临界粒径的影响因素 a) 由由 9csiBdnu ，知，知 cdB即即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。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。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。 b)入口气速入口气速ui愈大，愈大，dc愈小，愈小，效率愈高效率愈高。 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 600:04:563、分离效率、分离效率 分离效率分离效率 总效率总效率o 进入旋风分离器的全部粉尘中被分进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分率离下来的粉尘的质量分率 %1001210CCC粒级效率粒级效率pi 进入旋风分离

41、器的粒径为进入旋风分离器的粒径为di的颗的颗粒被分离下来的质量分率粒被分离下来的质量分率 %100121iiipiCCC化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 610:04:56 通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒的浓度通过实测旋风分离器进、出气流中所含尘粒的浓度 有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲的函数曲同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器同一型式且尺寸比例相同的旋风分离器 曲线相同，因此此曲线估算旋风分离器的效率较为方便曲线相同，因此此曲线估算旋风分离器的效率较为方便。 线，线，d50为粒级效率为为粒级效率为50%的颗粒

42、直径，称为的颗粒直径，称为分割粒径分割粒径。pi-d/d50及粒度分布，可得粒级效率及粒度分布，可得粒级效率pi与颗粒直径与颗粒直径di的对应关系的对应关系曲线，该曲线称为曲线，该曲线称为粒级效率曲线粒级效率曲线。 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 620:04:56101.00.1粒径比 di/ d50204060100化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 630:04:564、压强降、压强降 气体通过旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体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器壁所引起的摩擦阻

43、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，旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降， 22icup对型式不同或尺寸比例不同的设阻力系数对型式不同或尺寸比例不同的设阻力系数c的值也不同，的值也不同，要通过实验测定，对于要通过实验测定，对于标准旋风分离器标准旋风分离器c=8.0。旋风分离器的压降一般在旋风分离器的压降一般在3002000Pa内。内。 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 640:04:56四、旋风分离器的选型四、旋风分离器的选型 旋风分离器的形式多种多样，主要是在对标准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

44、计出来的。的旋风分离器的改进设计出来的。进气口进气口 ：为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较为了保证高速气流进入旋风分离起时形成较规律设计分离器的结构，一般规律设计分离器的结构，一般细长的旋风分离器效率高，细长的旋风分离器效率高，规则的旋转流，减少局部涡流与死角，设计了规则的旋转流，减少局部涡流与死角，设计了倾斜螺旋进倾斜螺旋进口，螺壳形进口、轴向进口口，螺壳形进口、轴向进口等。等。 主体结构与各部分尺寸比例的优化主体结构与各部分尺寸比例的优化：根据流场与颗粒流动：根据流场与颗粒流动但超过一定限度，分离效率提高不明显，而压降却增加。但超过一定限度，分离效率提高不明显，而压降却增加。改进下灰口

45、改进下灰口 ：防止已分离下来的粉尘重新扬起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，目前，我国已定型了旋风分离器，制定了标准流型系列，如如CLT,CLT/A,CLP/A,CLP/B等。等。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 650:04:56【例 】：某含尘空气中微粒密度为1500kg/m3，温度70，常压下流量1200 。现采用筒体直径400mm的标准旋风分离器进行除尘，试求能分离出尘粒的最小直径。13hmiscuNBd9解：临界直径解：临界直径5,1 . 044 . 04NmDBsPa106 .20631500mkgs1227

46、.164 . 0360012008842smDVDDVBhVAVuimmdc9 . 6109 . 615007 .1651 . 0106 .20966化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 660:04:563 3.3.3过过 滤滤3 3.3.3.1.1、过滤操作的基本概念、过滤操作的基本概念( () )3 3.3.3.2.2、过滤基本方程式、过滤基本方程式( () )3 3.3.3.3.3、恒压过滤、恒压过滤( () )3 3.3.3.4.4、过滤常数的测定、过滤常数的测定( () )3 3.3.3.5.5、过滤设备、过滤设备( (了解了解) )3 3.3.3.6.6、滤饼的

47、洗涤、滤饼的洗涤( (了解了解) )3 3.3.3.7.7、过滤机的生产能力、过滤机的生产能力( (了解了解) )化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 670:04:56一、过滤操作的基本概念一、过滤操作的基本概念1 1、过滤的概念、过滤的概念过滤：过滤：利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（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。介质），使悬浮液中固液得到分离的单元操作。滤浆：滤浆：过滤操作中所处理的悬浮液过滤操作中所处理的悬浮液滤液滤液 ：通过多孔介质的液体：通过多孔介质的液体 滤渣（滤饼）滤渣（滤饼） 被截留住的固

48、体物质被截留住的固体物质 实现过滤操作的外力有重力、压力、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。离心力，化工中应用最多的是压力过滤。 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 680:04:56 2 2、过滤方式、过滤方式过滤过滤 深床过滤深床过滤 滤饼过滤滤饼过滤 固体颗粒的沉积发生在较固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤厚的粒状过滤介质床层内介质床层内部部。适用于悬浮液中颗粒适用于悬浮液中颗粒甚小且含量甚微。甚小且含量甚微。 固体颗粒成饼层状沉积固体颗粒成饼层状沉积于于过滤介质表面过滤介质表面，形成滤，形成滤饼饼。适用于处理固相含量适用于处理固相含

49、量稍高的悬浮液。稍高的悬浮液。 膜过滤膜过滤化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 690:04:56 3 3、过滤介质、过滤介质 过滤介质是滤饼的支承物过滤介质是滤饼的支承物，应具有下列条件：应具有下列条件： a) 多孔性多孔性，孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要孔道适当的小，对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒。分离的颗粒。 b) 物理化学性质稳定，物理化学性质稳定，耐热，耐化学腐蚀。耐热，耐化学腐蚀。 c)足够的机械强度足够的机械强度，使用寿命长。使用寿命长。 d) 价格便宜价格便宜。工业常用的过滤介质主要有工业常用的过滤介质主要有 a) 织物介质：织物介质：又称又

50、称滤布滤布，包括有棉、毛、丝等天然纤维，包括有棉、毛、丝等天然纤维，玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网玻璃丝和各种合成纤维制成的织物，以及金属丝织成的网能截留的粒径的范围较宽，从能截留的粒径的范围较宽，从几十几十m 到到 1m。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 700:04:56优点：优点：织物介质薄，阻力小，清洗与更新方便，价格比较便织物介质薄，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。宜，是工业上应用最广泛的过滤介质。b)多孔固体介质多孔固体介质：如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的如素烧陶瓷，烧结金属塑料细粉粘成的多孔塑料，棉

51、花饼等多孔塑料，棉花饼等 这类介质较厚，孔道细，阻力大，这类介质较厚，孔道细，阻力大，能截留能截留13m的颗粒的颗粒。c) 堆积介质：堆积介质：由各种固体颗粒（砂、木炭、石棉粉等）或非由各种固体颗粒（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。编织的纤维（玻璃棉等）堆积而成，层较厚。d) 多孔膜多孔膜：由高分子材料制成，膜很薄（几十由高分子材料制成，膜很薄（几十m到到200m），），孔很小，可以分离小到孔很小，可以分离小到0.05m的颗粒的颗粒,应用多孔膜的过应用多孔膜的过滤有超滤和微滤。滤有超滤和微滤。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 710:04:

52、564 4、助滤剂、助滤剂 滤饼滤饼不可压缩滤饼不可压缩滤饼: 颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形不因所受的压力差而变形 可压缩滤饼可压缩滤饼: 颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作颗粒比较软，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，用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。阻力增大。 加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力加入方法加入方法预涂预涂 将助滤剂混在滤浆中一起过滤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

53、质上形成一层由助滤剂组行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。成的滤饼。 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 720:04:561、颗粒床层特性、颗粒床层特性a) 空隙率空隙率:单位体积床层中的空隙体积，用单位体积床层中的空隙体积，用表示。表示。二、颗粒床层特性及流体流过床层的压降二、颗粒床层特性及流体流过床层的压降众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层称为众多固体颗粒堆积而成的静止的颗粒层称为颗粒床层颗粒床层。床层体积颗粒体积床层体积影响的因素：如颗粒的大小、形状、粒度分布与充填方式等。单分散性球形颗粒作最松排列时=0.48；作最紧密排列时=0.26；乱堆的非球形颗粒

54、床层往往大于球形的。s愈小，其超过球形的可能性愈大；多分散性颗粒形成的床层空隙率较小；充填时设备受到震动， 小；湿法充填（即设备内先充以液体）， 大；乱堆床层=0.470.70之间。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 730:04:56 b)床层的比表面积床层的比表面积ab：单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层比表面积。若忽略颗粒间接触面积的影响，则1baa式中：ab床层比表面积，m2/m3；a颗粒的比表面积，m2/m3；床层空隙率c)床层的自由截面积床层的自由截面积床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由流过的面积。床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由流过的面积。工业上，

55、小颗粒床层一般用乱堆的方法堆成，而非球形颗粒的定向是随机的，所以一般认为流体通过的自由截面（即空隙截面）与床层截面之比在数值上等于空隙率；实际上会有壁效应出现，本章研究范围按处理。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 740:04:562. 流体流过床层的压降流体流过床层的压降1)1)床层的简化模型床层的简化模型：（a）滤饼（b）简化模型Lleuu 许多研究者将床层中的不规则通道简化成长度le的一组平行细管，并规定：（1）细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；（2）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积。化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 750:04:

56、57根据假定，求得这些虚拟细管的当量直径根据假定，求得这些虚拟细管的当量直径d de e：44441ebdaa通道截面积床层流动空间润湿周边细管的全部内表面积按此简化模型，流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量直径de、长度Le的细管的压降。2)2)流体通过床层压降的数学描述流体通过床层压降的数学描述根据简化模型，流体通过一组平行细管流动的压降为：212febuLpd化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 760:04:571/ uu又因为u1 与按整个床层截面计算的空床流速u的关系为：式中：p流体通过床层的压降，Pa； L床层高度，m； de床层流道的当量直径，m； u1

57、流体在床层内的实际流速，m/s。23(1)fpauL /1uu 212febuLpd41eda化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 770:04:573)3)模型的实验测定模型的实验测定 上述模型只是一种假设，其有效性必须通过实验检验，其中的 模型参数 必须由实验测定。（1）康采尼（）康采尼（Kozeny）实验结果）实验结果 康采尼通过实验发现，在流速较低，床层雷诺数Reb2的层流情况下，模型参数可用下式表示：ebKR 5.0K式中：康采尼常数，可取作；1d41ebebuuRa 22233115fpaa uuL（2）欧根（）欧根（Ergun）实验结果（略）实验结果（略）化工原

58、理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 780:04:57 )()1 (5223Lpauc过滤速度表达式过滤速度表达式1、过滤速率、过滤速率 过滤速度过滤速度过滤速率过滤速率单位时间通过单位过单位时间通过单位过滤面积的滤液体积滤面积的滤液体积 单位时间获得的滤液体单位时间获得的滤液体积称为过滤速率积称为过滤速率 定义定义322()5(1)cA pdVdaL322()5(1)cpdVAdaL表达式表达式三、过滤基本方程式三、过滤基本方程式滤液通过饼层的流动常属于滞流流型滤液通过饼层的流动常属于滞流流型化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 790:04:572 2、滤饼

59、的阻力、滤饼的阻力 推动力速度阻力 滤饼的比阻滤饼的比阻，1/m2 cpdVAdrL令令 rLR 滤饼阻力滤饼阻力cpdVAdR令令 322)1 (5arR为过滤阻力化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 800:04:57 由由RrL可知，比阻可知，比阻r是单位厚度滤饼的阻力，是单位厚度滤饼的阻力， 数值上等于粘度为数值上等于粘度为1Pa.s的滤液以的滤液以1m/s的平均流速通过厚的平均流速通过厚度为度为1m的滤饼层时，所产生的压强降的滤饼层时，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 床层空隙率床层

60、空隙率愈小及颗粒比表面积愈小及颗粒比表面积愈大，则床层愈致密愈大，则床层愈致密，对流体流动的阻滞作用也愈大。，对流体流动的阻滞作用也愈大。3 3、过滤介质的阻力、过滤介质的阻力 过滤介质的阻力也与其厚度及本身的致密程度有关，通常过滤介质的阻力也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。把过滤介质的阻力视为常数。 化工原理教学与实验中心化工原理教学与实验中心 Page 810:04:57滤液穿过过滤介质层的速度关系式滤液穿过过滤介质层的速度关系式 ：mmpdVAdR 式中：式中：p=pC+pm，代表滤饼与滤布两侧的总压强降，称代表滤饼与滤布两侧的总压强降，称为过滤为过滤压强差压