第三章非均相物系的分离

第三章非均相物系的分离第1页，课件共51页，创作于2023年2月要求沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算、降尘室的设计和旋风分离器选型。过滤操作原理、过滤基本方程式的推导思路，恒压过滤的计算、过滤常数的测定，过滤操作的强化、过滤设备的选型。注意学习将流体力学的基本原理用于处理绕流和流体通过颗粒床层流动等复杂工程问题简化处理的思路和方法。第2页，课件共51页，创作于2023年2月一概述非均相混合物的分类由具有不同物理性质（尺寸、密度差别）的分散相和连续相组成的物系。气态非均相混合物含尘、含雾气体液态非均相混合物悬浮液、乳浊液、泡沫液机械分离方法两相相对运动气态分散相相对于连续相运动——沉降（重力（降尘室）、离心（旋风分离器））液态连续相相对于分散相运动——过滤（重力、离心，加压、真空）第3页，课件共51页，创作于2023年2月其他方法气态：静电除尘、湿式除尘液态：旋液分离、离心分离机分离目的收集分散相净化连续相环保与安全第4页，课件共51页，创作于2023年2月二颗粒特性颗粒与流体的相对运动特性和颗粒本身特性密切相关——形状、大小、表面积球形颗粒体积V=Лd3/6表面积S=Лd2比表面积α=S/V=6/d第5页，课件共51页，创作于2023年2月非球形颗粒球形度Φs=S/SP

S等体积球体的表面积当量直径de=(6VP/Л)

1/3VP=Лde3/6SP=Лde2/ΦsαP=SP/VP=6/Φsde应用：沉降过程中阻力系数计算第6页，课件共51页，创作于2023年2月三沉降分离利用密度差的分离过程分类：外力场不同：重力、离心颗粒沉降过程是否受到器壁和其他颗粒影响：自由、干扰属于流体相对于颗粒的绕流问题（相对运动、相对速度）刚性球形颗粒自由沉降第7页，课件共51页，创作于2023年2月３.１重力沉降

３.１.１沉降速度的推导F=ma合力＝重力－浮力－阻力ma=Лd3/6ρSg-Лd3/6ρg-ξAρu2/2一开始u=0，a最大随着u增大，阻力增大，直至F=0，a=0匀速下降，此时０=Лd3/6ρSg-Лd3/6ρg-ξAρu2/2ut=［４d（ρS-ρ）g／３ξρ］１／２第8页，课件共51页，创作于2023年2月阻力系数ξ为沉降雷诺准数Ret=deutρ/μ与球形度Φs的函数．实验测定，对于Φs＝１时层流区Stokes定律区ξ＝２４／Ret过渡区Allen定律区ξ＝18.5／Ret0.6湍流区牛顿定律区ξ＝０．４４思考：de与非圆管当量直径？ξ与流体流动中的λ和

ξ的比较Ret和Re的关系？第9页，课件共51页，创作于2023年2月非球形当量直径与非圆管当量直径定义应用非球形当量直径de=(6VP/Л)

1/3Ret=deutρ/μ非圆管当量直径de=4×流通截面÷润湿周边hf=λ(l/de)u2/2第10页，课件共51页，创作于2023年2月Ret和Re比较定义式参数滞流湍流Ret=deutρ/μ颗粒与流体相对运动的雷诺数deut颗粒性质ρμ流体性质Ret<1Ret>1000Re＝du

ρ/μ流体流动运动的雷诺数d管子尺寸u

ρ/μ流体性质Ret<2000Ret>4000第11页，课件共51页，创作于2023年2月ξ与流体流动中的λ、

ξ比较定义式计算式滞流区过渡区湍流区颗粒沉降ξFd=ξAρu2/2ξ＝２４／Ret仅与流体粘度有关ξ＝18.5／Ret0.6ξ＝0.44仅与形体阻力、即边界层分离有关流体流动直管阻力系数λhf=λ(l/d)u2/2λ＝64／Reλ＝f(Re,ε/d)λ＝常数仅与管壁粗糙度有关有关局部阻力系数ξHf’=ξ

u2/2第12页，课件共51页，创作于2023年2月则沉降速度分别为：ut=［４d（ρS-ρ）g／３ξρ］１／２层流区ut=d２（ρS-ρ）g／１８μ

过渡区ut=０.２７［d（ρS-ρ）gRet0.6／ρ］１／２湍流区ut=１.７４［d（ρS-ρ）g／ρ］１／２

第13页，课件共51页，创作于2023年2月３.１.２影响因素颗粒特性d（＞０．５μm，否则有布朗运动）ρS（>ρ沉降，<ρ

浮升）流体特性ρ

μ层流区μ引起的表面摩擦力起主要作用过渡区摩擦力、形体阻力共同作用湍流区形体阻力占主要地位随着Φs减小ξ增大颗粒体积分数大于０.２％时发生干扰沉降器壁效应（容器尺寸小于100倍的颗粒尺寸）：ut’＝ut／（１＋２.１d/D)第14页，课件共51页，创作于2023年2月３.１.３沉降速度的计算试差法（最常用）：假设－验证摩擦数群法(图３－２）将ξ－Ret关系转化成ξRet２－

RetξRet２＝４d３（ρS-ρ）ρg／３μ２可由d求ξRet２查

Ret求ut将ξ－Ret关系转化成ξRet-1－

RetξRet-1＝４μ

（ρS-ρ）g／３ut３

ρ

２可由ut求ξRet-1查

Ret求d

ξ=４d（ρS-ρ）g／３ut2

ρRet=deutρ/μ第15页，课件共51页，创作于2023年2月K值法令K3＝d３（ρS-ρ）ρg／μ２则层流区１０－４＜Ret＜１：Ret＝K3／１８２．６２＜K＜１湍流区１０３＜Retut=１．７４［d（ρS-ρ）g／ρ］１／２

Ret＝１．７４K3÷2>1000K＞６９．１第16页，课件共51页，创作于2023年2月３．２重力沉降设备降沉室从气流中分出尘粒沉降槽提高悬浮液浓度1降沉室的设计原则气体停留时间＞颗粒降到室底的时间l/u>H/utu使deuρ/μ处于滞流区2降沉室生产能力u=Vs/bHVs<=blut与H无关3多层降沉室隔板间距４０－１００mmVs=(n+1)blutut按最小颗粒尺寸计算HlbuutVs第17页，课件共51页，创作于2023年2月降尘室除尘效率

ut=d２（ρS-ρ）g／１８μ

粒径ut正比于d２沉降时间除尘效率要达到100％所需层数nd<dminut<ut刚好停留时间<沉降时间Ht/H=ut/ut刚好=d2<dmin21/n=ut/ut刚好=d2/dmin2d=dminut=ut刚好停留时间＝沉降时间100%d>dminut>ut刚好停留时间>沉降时间>100%第18页，课件共51页，创作于2023年2月３．２离心沉降依靠惯性离心力场的作用实现的沉降过程旋风分离器旋液分离器沉降离心机3.2.１离心沉降速度通式合力＝离心力－向心力－阻力ur=［４d（ρS-ρ）／３ξρ*uT2/R］１／２层流区ur=d２（ρS-ρ）uT2/R／１８μuT流体切向速度，相当于uiUr径向速度，相当于沉降速度第19页，课件共51页，创作于2023年2月离心分离因数Kc=uT2/R/g旋风分离器旋液分离器Kc5-2500第20页，课件共51页，创作于2023年2月3.2.2旋风分离器操作原理含沉气体在器内做螺旋运动时，由于存在密度差，颗粒在惯性离心力的作用下被抛向器壁而与气流分离。外旋流上部为主要除尘区，净化气沿内旋流从排气管排出。内外旋流气体的旋转方向相同。第21页，课件共51页，创作于2023年2月旋风分离器性能参数分离效率临界粒径理论上能够完全除去的最小颗粒尺寸推导：气流螺旋形等速运动，切向速度等于进口气速ui；颗粒穿过宽度为B的气流层到达壁面；颗粒做自由沉降，径向速度为ur=d２（ρS-ρ）uT2/R／１８μρS-ρ＝ρS；uT＝ui；R＝Rmur=d２

ρSui2/Rm／１８μ第22页，课件共51页，创作于2023年2月颗粒到达壁面所需时间θt=B/ur=１８μB

Rm／d２

ρSui2气流的有效旋转圈数为Ne（＝5），运行距离为2Л

RmNe，则停留时间为θ＝2Л

RmNe/uiθt=θ的颗粒为最小颗粒，则dc=(9μB/ЛNeρsui)1/2第23页，课件共51页，创作于2023年2月讨论：dc与B成正比，因此选用小旋风分离器并联操作，以提高效率；另外降低气体温度，降低粘度，提高进口气速，均有利于提高分离效率。第24页，课件共51页，创作于2023年2月分离总效率进入旋风分离器的全部颗粒被分离出来的质量百分率ηo=(C1-C2)/C1*100%C1进口气体含沉浓度C2出口气体含沉浓度g/m3粒级效率规定粒径di的颗粒被分离下来的质量百分率ηP=(C1i-C2i)/C1i*100%ηP–di的关系为粒级效率曲线，由试验测得。第25页，课件共51页，创作于2023年2月ηP–di/d50的关系曲线d50是粒级效率恰好为50％的颗粒直径，称为分割粒径。对于标准旋风分离器：d50=0.27(μD/ut(ρs-ρ))1/2对于同一结构形式，且尺寸比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通过同一条ηP–di/d50曲线，这就给旋风分离器效率的估算带来了很大方便。第26页，课件共51页，创作于2023年2月可由粒级效率估算总效率ηO＝

∑ηPixiXi为粒径在小范围内占全部颗粒的质量分数第27页，课件共51页，创作于2023年2月压强降摩擦阻力、局部阻力、动能损失∆P＝ξ

ρu2/2对于同一结构形式，且尺寸比例相同的旋风分离器ξ＝8，旋风分离器的∆P一般为500－2000Pa。第28页，课件共51页，创作于2023年2月旋风分离器的结构形式和选用提高分离效率，减小压强降选择依据处理量，即生产能力Vs；根据处理量，选型，确定尺寸允许的压强降；根据尺寸，计算压强降，与设备允许值比较除尘效率。计算d50，由d/d50查粒级效率曲线，得到效率第29页，课件共51页，创作于2023年2月操作温度对沉降设备的影响T升高ut=dmin２（ρS-ρ）g／１８μ结果dc=(9μB/ЛNeρsui)1/2dmin=[18μut

／（ρS-ρ）g]1/２μ增大ut减小ur减小沉降时间长降尘室操作型计算：处理量量不变，A不变，ut不变则

dmin增大dc增大要保持dmindc不变处理量要减小使uT减小ρ减小体积流量增大ui增大uT增大停留时间短第30页，课件共51页，创作于2023年2月流量为1m3/s的20度常压含尘气体在进入反应器前需尽可能除尽尘粒并升温至400度。已知固粒密度ρs=1800kg/m3，降尘室底面积65m2.先除尘后升温理论上能够除去的最小颗粒直径；先升温后除尘理论上能够除去的最小颗粒直径；如欲更彻底地除尘，降尘室应如何改造？第31页，课件共51页，创作于2023年2月用旋风分离器组处理上述尘粒。四台直径为560mm的标准旋风分离器组成。先除尘后升温。气体处理量为2.4m3/s。试计算：旋风分离器的离心分离因数；临界粒径和分割粒径；气体在旋风分离中的压强降。标准旋风分离器：B=D/4；h=D/2；Ne=5ξ＝8第32页，课件共51页，创作于2023年2月3.4过滤分离处理物系：悬浮液特点：比沉降更迅速、彻底比干燥蒸发更节能3.4.1基本概念过滤是以多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的操作。悬浮液称为滤浆或料浆；液体称为滤液；固体物质称为滤饼或滤渣。第33页，课件共51页，创作于2023年2月过滤介质过滤操作采用的多孔物质。织物介质－滤布棉毛丝麻玻璃丝金属丝5－65微米堆积介质用于深床过滤，细沙木炭石棉硅藻土堆积而成多孔固体介质具有微细孔道的固体材料，多孔陶瓷多孔塑料多孔金属板1－3微米第34页，课件共51页，创作于2023年2月饼层过滤与深层过滤饼层过滤：固体物质沉降于过滤介质表面而形成滤饼层的操作。当颗粒在孔道中形成“架桥”现象之后，真正发挥截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质。适合处理固体含量高的悬浮液。深层过滤：固体颗粒不形成滤饼层，而是沉积于较厚的粒状过滤介质床层内部的过滤操作。应用场合：生产能力大，颗粒小，含量甚微如饮水的净化膜过滤：微滤和超滤第35页，课件共51页，创作于2023年2月滤饼的压缩性及助滤剂当过滤压强差发生变化时，如构成滤饼的颗粒形状及颗粒间空隙发生明显变化，即单位厚度床层的流动阻力发生明显变化，则滤饼为可压缩滤饼。当以获得清净的滤液为目的产品时，可采用某种质地坚硬的助滤剂预涂于过滤介质或预混于悬浮液，以形成疏松饼层，降低可压缩滤饼的流动阻力，提高过滤速率。刚性颗粒，使滤饼具有良好的渗透性、较高的空隙率及较低的流动阻力。化学稳定，不溶于液相。第36页，课件共51页，创作于2023年2月3.4.2过滤基本方程从分析滤液通过滤饼层流动的特点入手，将复杂的实际流动加以简化，推导基本方程式，并以此分析强化过滤操作的途径。1流动特点滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构；随着过滤进行，滤饼厚度不断增加，流动阻力逐渐加大，非定态细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触表面，滤液的流动大都在滞流区。第37页，课件共51页，创作于2023年2月2简化模型颗粒层不规则通道——长度为l的平行细管，l随滤饼层的厚度而变化。细管的当量直径de=4*流通截面（×流道长度）÷润湿周边（×流道长度）＝流道容积×流道表面积＝4×ε÷（1－ε）a细管的全部流动空间等于床层的空隙容积细管的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积第38页，课件共51页，创作于2023年2月滤液通过平行细管作滞流流动，用泊谡叶方程描述：u=d2∆p/32lμu1=V/A隙＝V/εA=u/ε=de2∆pc/32LμL床层厚度de孔道当量直径＝4×ε÷（1－ε）a代入u=ε3/5（1－ε）2a2×∆pc/Lμ第39页，课件共51页，创作于2023年2月3过滤速率和过滤速度过滤速率：单位时间获得的滤液体积dv/dθ过滤速度：单位面积上的过滤速率第40页，课件共51页，创作于2023年2月4不可压缩滤饼的过滤基本方程式第41页，课件共51页，创作于2023年2月5可压缩滤饼的过滤基本方程式第42页，课件共51页，创作于2023年2月6基本方程式的应用提高过滤速率的措施分析洗涤速率和最终过滤速率之间的关系指导过滤机的设计，获得最大生产能力针对具体的过滤操作方式，对基本方程式积分，可得到不同操作条件下的计算式第43页，课件共51页，创作于2023年2月3.4.3恒压过滤第44页，课件共51页，创作于2023年2月3.4.4先恒速后恒压过滤第45页，课件共51页，创作于