化工原理(清华大学)第四章非均相物系的分离

1、40第四章非均相混合物的分离第一节重力沉降及设备分离介质气-固降尘室- 分散相 液-固沉降槽上 连续相一、降尘室：V 沉岂T1停假设：气流滞流流动（平推流）2沉降高度 H , ut以 dmin计T 沉乞二停=H /ut- L/u1、处理量VS（ 一定）u=VS/ BH：V-tuLB与 H 无关：H ,VS一定 u/停,二沉2、 可采用多层，适当降低H ,但 a、保证滞流3、一般情况下a、气体流速 1 3m/s, Re（流动）=1400-1700b、H=40mm-100mm ,（除尘）c、除尘颗粒 75 卩 m 以上。、悬浮液沉降槽：目的：取清液；取沉渣（增稠器）1、沉降过程分析：A 清液区、B

2、 等浓度区（均匀悬浮）、C 变浓度区、D 压紧区AB 界面在一定时间内等速下降、干扰沉降、颗粒大小不超过6:1、相同速度。相对于器壁：uo表观沉降速度（不同于 ut）其后：uo= f（c）。AD 界面下降缓慢：压紧过程。2、连续沉降槽计算J清液上浮溢流TI A, h,L 固体进入底流T求 A :假设：固相全部由底流排出； 溢流清液无固体。W :固体质量流量 kg/h X :某截面悬浮液固液比Xc：底流悬浮液固液比以固体为分析对象：固相实际流速=u+u。， u:悬浮液体向下运动（底流带走部分液体）b、方便清理41底流中固相体积流量：W/pS底流总体积流量： W / -s W /XCuW红)/ A

3、PSXCP各截面固体流道：,X / PsA = ASX /PS以液体为对象W 1 uo（A】、X第二节离心沉降及设备一、旋风分离器：（Cyclo ne）1、基本原理：主体：上部圆形筒下部锥形筒含尘气体由上部切线进入，螺旋向下，尘沉落于壁面下落，气体沿中芯螺旋上升。 旋转方向相同5 卩 m 以上尘粒，（不用于粘性，含湿高，腐蚀介质）具体过程十分复杂：1速度：切向、径向、轴向2压力：器壁最高（略低于进口）、向中心降低、气芯可降到负压2、结构尺寸及处理量：1入口：高 H，宽 B2处理量：V = uiBH ui- 15 20 m/s3标准式：h=D/2B=D/4 D1=D/2 H1=2D H2=2DS

4、=D/8 D2=D/43、临界粒径 dede：能被完全分离的最小粒径。假设：在 Cyclone 内切线速度恒定 uT= ui颗粒穿过一定厚度气流：B3若以浓度 C, kg（固）/m （悬浮液）表1 1CCCA)u。若以料浆体积流量 Q,固相体积分率ef进料,ec出料人=如(丄丄)Uoe ec由于 Uo=f（c） , A 需在整个浓度范围求算，求出 一般方法：Y简单模型-小试求 Uo=f（C）,-后x安全系数Amax5m 以下x1.5求 h：压紧时间比沉降时间大得多,tr实验测定，W i W附加 75%安全量，其它高度取Wrt(f)1 2m。423颗粒与气流相对运动为层流4忽略;空2 2 2 2

5、Ur= dsUi/18rm=二沉WfmB/dsUi设气体在 Cyclone 内转 N 圈停=2二rmN/ Uiv 沉-二停dc=、. 9丄B/二NusN 0.53标准N= 5de随 B(D) /而/,T大型分离效果差，并联假设、并不合理，但处理简单。4、分离效率1粒级效率ni,对于 dpi de,ni= 100% 但计算 de时考虑沉降距离为 B ,对于 dpi de颗粒， 若沉降距离小于 B ( BB),亦可以分离：由def；9丄B/二Nq匚 可得dpj/dchfB/B距壁面 B (B) 颗粒 dpi( de)可以分离。假设：进入待分离气流中大小颗粒均匀分布，即与筒壁距离小于B 的各种直径颗

6、粒所占分率均为 B 7B。对于 dpi j=B/ B= ( 4匚/ d：)1：入口2 :出口i .二 B 7 B =0.5，对于标准式 B = D /4 , N=53)总效率o 100%或o =Xj jXi: dpi所占质量分率e入i5、压降:主要包括-进、出口，磨擦、局部阻力 动能损失实测值:Cil-Ci 2Cii1:进口100%2:出口2)分割粒径d50, (cut diameter)i=5 0 %对应的粒径 d50d509D /8 : 5Ui?sL 0.27iD 或 0.27Ui;s43APf=匚 M0：不同型号实验求取2对于标准式；*6 D D / 2=8Di2 人4丿 2 丿8，几何

7、相似，不随 D 变化6、选型和计算-处理量 V设计原则：咼效率分离效率n低阻力-压降：Pf例如：D,V但d,；Uide r;但出现涡流影响，压降f例如：长径比大，出入口截面小T效率咼，阻力大设计计算步骤：已知V m3/s由 pfTUi(假设)3C入(kg/m )由 uiTdc(d50)TD(ni分布)dpi分布no总效率Vi= uiBHI pf 要求压降V/Vi=n , n 为小数时，再推回至适当的整数（气量分配，排灰口增多）离心机：-离心沉降（悬浮液）离心分离（乳浊液）-离心过滤（过滤，转鼓）分离因数Kc500001、离心沉降:Ur=d-rd 日18._*22 .V 二2hVs一 Vs注意效

8、率与阻力的权衡44Vs2 2a rIn (R/rJ2、离心分离：液层作用于界面的静压强相等（静压由离心Fc= m 2rdp二dFC/ A二2 - rhdr2r/2二rh = 2rdr18-45讨论题:已知：Ps=2300kg/m3p=0.674kg/m3Vs=1000m3/h卩=3.6x10-5Pa S标准式D =0.4m= h = 0.2m, B = 0.1m。八Xi-86. 64%。=(c入-(出)c，,出=20. 43RY3、由nO中各ni核算，若nO= 90%,35 段颗粒ni约为 40%, 0.4=(di/dc)J dc约 6.32m若 p 不变，即 ui不变：、.B/B二de/d,

9、B二0.062m取 D=0.24m , B=0.06m , h=0.12m3当Ui=13.89m/s时，Vs=13.89 0.06 0.12 = 360m /h取 N=3de/de=. *B /*B二13.89 0.06/12.86 0.1二0.805de=6. 4 9m55.34%38.0%100%D=0.24m , N=3Ui1000/3/36000.06 0.12=12.86m/s轻液层：r22Id22重液层：22r4drh- 2_1（过于简单， 强调了堰的作用）1、ui1000/3600=13.89m/s0.1 0.2de9B二N uis93. 610_0.8. 0 35m51 3.

10、8 923003. 1 4d50=0.27-5.73lmsUi2、606.6100%464、.：p =1100Pa, = 5 = 20.2m/s2假设取N =1,Vs二UiBh二UiD /8求出 D=0.3316，取 D=0.34m,B=0.085mdQ更亘竺8.035 =0.784x8.035 =6.3Am.19.22 0.1第三节过滤Key Words: Filtrati on, Filter medium, Filter cake, Con sta nt-pressure filtrati on, Con sta nt-ratefiltrati on、基本概念利用多孔介质截留悬浮液中的固

11、体颗粒，液体从孔隙中流过实现固液分离。目的：固液分离一一要滤液；要滤并过程：深层过滤一一孔径颗粒，体积分率 v 0.1%表面过滤-架桥、过滤、洗涤、去湿、卸料介质织物（滤布，金属网）*粒状砂粒，藻土多孔固体介质（高分子膜，陶瓷）助滤剂：对于压缩滤并：保证一定疏松状态予涂 加入不可压缩呂=const、过滤基本方程过程特点：有一定的推动力厶 p 存在过滤阻力（介质，滤并）过滤，洗涤，去湿，卸料四步骤基本物理量： p：过滤面积 A ;过滤时间二；滤液体积 V;过滤速度u =dv/Adv - dq/dr,（若q =V / A:单位面积滤液量）假设：厂w = c o n s t滞流，满足 Kozeny

12、方程-忽略滤并高度先忽略介质阻力，按Kozeny 公式JuLUi1000/36000.342/8=19.22m/s可以满足需要。47dV_ 如Ad 5a21-：；48223:=const .设r =5a 1 -；/ ；比阻(体系)dV dq -p -p Ad r d 一 rL J R假设：单位体积滤液形成滤并为.LA - . V L -.V / AdV _ dq _.：p _.: pAd v d - Vr / A i ：qr若考虑过滤介质阻力：当量高度Le,相当于 Ve滤液量产生LeA = - Ve二A : p或四p_d 日 4rpV+V d 日 Aw(q+qe)若考虑滤并可以压缩：ro：压差

13、为 1N/m , S:压缩扌曰数 01r =r0（Ap）S，理=A# ,此册d日4ru（V+Ve） d日Pro（q+qe）qe,Ve:过滤介质（用滤液体系表示）；.：体系（浓度函数）r ：体系（& , a）;V-:滤液； S :体系三、过滤过程的计算：1、恒压过滤：（恒定高位槽供料）令k=1/r。（过滤体系物性）dV/dr - kASp1/V VeV-i21 SoV VedV = j kApdV22VVe=2kA：pT令K=2r p1（与操作条件有关）dVKA2石=2 V Ve假定 Ve对应入Ve=KA2K可以写作：V * Ve2=KA2V乙讨论：R:阻力项.m3: m3滤并/m3滤液

14、a /AV0VVedV寸KA0V22VVe= KA249当滤并阻力过滤介质阻力Ve L V,V2= KA当VL Ve（砂滤）2VeV二KA勺二dV/讯=const等速过滤502、恒速过滤：（正位移泵供料）V2VV=KA2I，K :随B变化(T p 随B变化)e23、恒速后恒压若 r 时，.中达到定值四、过滤常数的测定:1、K, qe,Be：由q22 qqe= KJ恒定 dr/dq =(2/ K)q (2 / K)q .：q q= q；=Khe或n /q二q/K （2 / K）qer/qq2、S：改变=pK =2k=p1_S五、过滤设备：1、板框压滤机-滤板:-滤框交替排列2、 加压叶滤机 滤叶

15、外加滤布，外一；内3、转筒真空过滤机六、间歇过滤机的生产能力：1、操作周期与生产能力：厂过滤周期 3 洗涤工B=BF+BW+BD卸料，安装生产能力 Q=V/工B2、洗涤速率：1洗涤压力=过滤压力2洗水卩 3 滤液洗涤速率与恒压过滤的最终过滤速率有关置换法横穿洗发（2 倍厚，面积 1/2）VV1V VedV22 2-dr，V _Vio2VeV -Vi二KAJ其中 V1C1满足：V12VeV2二KA2K，K 为达厶 p 时的值2dVKA2（譽几（乎）十厂dd2（q qe）终、=1 或 1/ 4513、最佳操作周期：q22qqe= K vdq KlqKd 日 2 (q+ q ) 2 日丿w2 (q+

16、 q )2若终了时滤液量为VF-qF再二坐 如虫 qF2qeKK若洗涤量qw=JqF升 址冬空(dq / dTW Kx- qK- qF2qeqFqe九取dQ=0dqF解出qF“1/K +2J/K62 2若忽略介质阻力qe = 0, m = qF/ K九=2 JqF/ K：；可推出：0D=0F+0w板框不满为条件七、连续式过滤机生产能力直径 D，长度 L,转速 n(1/S), 浸没率$ =3/2n=浸入角度/360 若旋转一周时间 1/n(S), 过滤时间(全面积)0= $ /n,旋转一周的滤液量 VV = KA2e-Ve=.KA2/ nV -Ve每小时滤液量 Q =3600 nV，若 Ve=0

17、,氏=0 (介质阻力不计)QL360 0J KA= 3 6 0耿 n(n : )1 S若 n：转/分Q=46刘K申(A兀DL= 2 p )D4-2Q =3600 A _K：n2=15：, Q - 1.5Q3：p=0p真，卩0 -1.5 p真j=1.5：pK =2k：p K W. 5K Qi. 5Q4n =1.5 n ,A = ”：DL(D =1.5D, L =1.5L),A j 1.5D 1.5L=2.25A,Q =2.25Q52固体分率20% LI 30%（滤并固含率 60%）0.2/0.6 _21-0.3/0.61 -0.2/0.6K JP评01 KK2Q= 2Q J = 0.5 7K -

18、2P, K-2K,Q *2Q相同基准：相同时间Q=3600A K n,Q1/ Q2二,?,：n1/ n2一个周期内（一圈）Hi _V并1_V /A彳=K_二応H7_V并_V2忽略介质阻力屯_ In_,讨论题D4 4一、原生产能力：2A=0.8X0.8X10X2=12.8m3充满滤框 V并=0.8X0.8X10X0.1=0.64mOOO01=1h V1=26.24m02=2h V2=37.75m（充满滤框，V浆=38.39m ）清水密度P水：（固相衡算）水=9 9 9. k5可以解出：2332K =4.724m /h,Ve=1.629m,q0.127m /mV12 2V Ve= KA勺V22V V= KA2 j-20.5=2h,Q二V2/ v - 37.75/ 2.5 =15.1 m3/h/ 0.3/0.6、=（ ）V浆20kg / m20.75x-0.25 /水0.75/?固32000kg /m53二、改造方案生产能力：1、求 V稀，V稠基准：充满滤框的2V浆2