化工原理课件：第四章 非均相物系的分离

1、第四章 非均相物系的分离第一节 概 述第二节 颗粒与颗粒群的特性第三节 颗粒的沉降第四节 过 滤 化工生产中，需要将混合物加以分离的情况非常多。例如：第一节 概 述 回收或获取混合物中的有用物质除去混合物中有害物质以保护环境如：原油脱水、风机进气的除尘、除水如：汽油脱臭、回收再生烟气里的催化剂 处理工厂中排出的废气、废液如：回收加氢装置尾气中的氢气 原料或产品的分离与提纯；混合物均相混合物非均相混合物物系内部各处均匀且无相界面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。例如：互溶溶液及混合气体固体颗粒的混合物（颗粒间为气体分隔）固体颗粒与液体构成的悬浮液催化油浆不互溶液体

2、构成的乳浊液水中的油滴固体颗粒或液滴与气体构成的混合气体沙尘暴、雾例如：问题：空气是非均相混合物吗？非均相混合物中包含几种物质？非均相物系分散相(分散物质)连续相(分散介质)处于分散状态的物质包围着分散物质而处于连续状态的流体例如：空气和粉尘、水滴的混合物连续相 (分散介质)分散相(分散物质)原油和水滴的混合物乳浊液（液-液混合物）: 离心分离含尘气体、含雾气体（气-固、气-液混合物）: 沉降(重力、离心力)悬浮液（固-液混合物）: 过滤分离机械分离 沉降 过滤 不同的物理性质 连续相与分散相发生相对运动的方式 分散相和连续相 尺寸不同 质量不同 本章研究内容：对非均相混合物进行机械分离第二节

3、 颗粒及颗粒群的性质 一、单个颗粒的性质体 积 V =dp3/6表 面 积 S =dp2比表面积：大小（尺寸）、形状、表面积(或比表面积)球形颗粒：表示颗粒大小的几何参数：a球 = S/V=6/ dp比表面积当量直径de,a:表面积当量直径de,S :非球形颗粒： 颗粒的形状系数球形度球形颗粒， =1，非球形颗粒而言， 1。与颗粒体积相等的球的表面积颗粒的表面积体积当量直径de,V : 即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径问题：球形颗粒的球形度为多少？与非球形颗粒相比那个大？即表面积等于颗粒表面积的球形颗粒的直径即比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直径二、颗粒群的特性 颗粒粒度的测量：筛分法、

4、沉降法、光的散射与衍射法等。标准筛：泰勒（Tyler）标准筛筛号(目数)：每英寸边长的筛孔数目筛过量：通过筛孔的颗粒量筛余量：截留于筛面上的颗粒量筛号代表了筛孔的大小1、筛分与标准筛颗粒的尺寸泰勒（Tyler）标准筛目数孔 径目数孔 径inmminmm30.2636680480.011629540.1854699650.008220860005814780.09323621500.0041104100.06516512000.002974140.04611682700.002153200.03288334000.001538350.0164417频数分布函数 f0频率

5、函数f粒径dpdp,ifi定义： 某一粒度范围内的颗粒占全部样品的质量分数等于该粒度范围内频数函数曲线下的面积；2、筛分结果di-1di-2didpdi-1di+1dpdi问题：频数函数曲线下的全部面积等于多少？累积分布函数F0分布函数F粒径dpdp,idp,max1.0Fi定义： 对应某一尺寸dp,i的Fi值表示所有直径小于dp,i的颗粒占样品的质量分率；0频率函数f粒径dpdp,ifi问题：1、最大直径dp,max处，累积分布函数为多少？ 2、频率函数 f 与累积分布函数 F 的关系是什么？3、颗粒群的平均特性参数 表面积平均直径即表面积等于颗粒群平均表面积的球形颗粒的直径长度平均直径全部

6、颗粒直径的平均值体积平均直径即体积等于颗粒群平均体积的球形颗粒的直径比表面积平均直径比表面积等于颗粒群平均比表面积的球形颗粒的直径三、颗粒床层的特性颗粒床层：固定床，填料塔中的填料层，过滤形成的滤饼等。床层的空隙率：单位体积中的空隙体积，它表示了床层颗粒堆积的紧密程度。 其中： 形状系数； D床径。均匀颗粒 =0.48 最松排列0.26 最密排列粒度分布越宽（粒度越不均匀） 床层的平均自由截面积 单位床层截面上未被颗粒所占据的面积称为自由截面积。对颗粒均匀堆积的床层平 均自由截面积的数值与床层空隙率 是相等的。 床层的比表面b：单位体积床层所具有的颗粒物料表面积，m2/m3。此式包括了由于相互

7、重叠或接触的表面积。其中：颗粒物料的比表面积 四、流体通过固定床的流动 设计所需参数：通过固定床的压降P。特点：通道很不规则，弯弯曲曲，相互交错，通道截面大小变化很大，很难以纯理论计算。应简化流动过程推导并由实验确定公式中的系数（半经验）。可想象成流体在许多并联的细小管路上流动。流体在圆管中流动时：通过固定床层的压力降 卡曼（Carman）实验得出 Re的关系曲线 通常采用欧根（Ergum）的半经验公式来计算床层的压力降 2第三节 颗粒的沉降 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。 作用力 重 力 惯性离心力 重力沉降离心沉降 电 场 力 电

8、 沉 降1、球形颗粒的自由沉降假设： 颗粒间彼此相距较远，沉降时互不干扰； 颗粒下沉而置换的流体的向上运动对颗粒的沉降影响可以忽略； 沉降设备尺寸远大于颗粒直径，故器壁和底面对颗粒沉降的端效应不计； 颗粒直径较大，不存在布朗运动。一、重力沉降重力Fg阻力FD浮力Fb重力浮力阻力u=0 du/dmaxu=ut du/d =0加速沉降等速沉降等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut 称为沉降速度2、 阻力系数(曳力系数)通过量纲分析得知, 值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。层流 (Stokes)区 Rep 2过 渡 (Allen)区 2 Rep 500湍流 (Newton)区 500 R

9、ep 2105沉降速度表达式 阻力系数ReP=0.1250.2200.6000.8061.0003、 影响沉降速度的因素 颗粒的体积浓度 颗粒浓度2%时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降。 器壁效应 颗粒形状的影响对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径代替颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数愈大投影面积的当量直径4、 沉降速度的计算 假设沉降属于层流区 ut Ret Ret2 ut为所求Ret2 过 渡 段求ut判断公式适用为止 试差法 gpt利用无因次数群K判别流型 Stokes区 当：K3.33.3K43.6过渡区 K43.6牛顿区 摩擦数群法 令：二、重力沉降

10、设备降尘室内的颗粒运动 以速度u随气体流动 以速度ut作沉降运动1、降尘室(1) 降尘室的工作原理与结构 气体 气体 进口 出口 集灰斗 降尘室 L B u 气体 ut H 颗粒在降尘室中的运动(2) 降尘室的生产能力及计算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qV 表示，m3/s。HBLuu t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最大生产能力:降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积A和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关。将降尘室分为n层例：试计算直径为95m，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20的水和空气中的自由沉降速度。 20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3 Pa.s 20时空气的密度为1.205kg/m3,=1.8110-5 Pa.s解：1）在20水中的沉降。用试差法计算先假设颗粒在层流区内沉降 ，核算流型 原假设层流区正确，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