第三章-非均相物系分离

第三章非均相物系分离非均相物系：有隔开两相界面的存在且界面两侧的物料性质又截然不同的体系称为非均相物系。非均相物系分离举例：1、液固非均相分离：柴油脱蜡2、液液非均相分离：原油脱水3、气固非均相分离：气态的油气和催化剂颗粒分离本章主要介绍气－固非均相物系的分离及液－固非均相物系的分离概述颗粒-流体非均相分离技术均基于颗粒与流体两相性质上的差异，如颗粒尺度差(过滤)和颗粒与流体的密度差(沉降)。第一节沉降1、球形颗粒一、单颗粒的特性体积：表面积：比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积沉降：借助某种外场力的作用，利用分散物质与分散介质的密度差异使之发生相对运动而分离的过程。按外场力的不同，可分为重力沉降、离心沉降和电沉降等。B：面积当量直径：C：比表面当量直径：常用球形度Ψ表示，即与颗粒等体积的一个球的表面积与颗粒的表面积之比（2）形状因数（1）当量直径2、非球形颗粒A：体积当量直径二、重力沉降重力沉降：利用流体中的固体颗粒受重力作用而自然沉降的原理，将颗粒和流体分离的过程。颗粒在静止流体中的重力沉降主要包括以下两类:自由沉降：任一颗粒的沉降不因流体中存在其它颗粒而受干扰。即颗粒彼此间相互独立，互不影响。它发生在流体中颗粒稀疏的情况下实验发现：自由沉降速度与颗粒浓度有关。仅当颗粒浓度<0.2%，或者颗粒之间距离大于10～20倍粒径时，方可视为自由沉降。本节主要介绍自由沉降。

干扰沉降：流体中颗粒的含量较大时，颗粒沉降时彼此相互影响。A区：清液区；B区：均匀沉降区。该区颗粒分布均匀，浓度与原始悬浮液相同(c=c0)；C区：浓缩区。此区自上而下颗粒浓度增高、粒度也增大；D区：沉淀堆集的沉聚区。干扰沉降的规律：混合均匀的悬浮液在直立圆筒中静置一段时间即会从上到下出现四个分区。随着沉降过程进行，A、D两区逐渐扩大，B区逐渐缩小，A、B两区界面为清水与浑水的分界面，称为浑液面。该界面将等速下行直至与B、C两区的界面合并，B区消失(t=t3时)。A、B界面相对于器壁下行的速度uc称为原始悬浮液中颗粒的表观沉降速度。由于颗粒下降而引起的流体上升置换运动的存在，颗粒在流体中的沉降速度ut要大于表观沉降速度uc。

临界沉降点：A、C界面下行直至C区消失(t=t5时)，体系只有A、D两区且界面清晰。沉淀压缩过程：沉淀区颗粒之间的间隙逐渐紧缩，液体被排挤而上升到清液区。颗粒压紧阶段所需的时间往往很长。壁效应：颗粒与容器壁面间的摩擦碰撞对颗粒的沉降速度产生影响。颗粒粒径dp与容器直径D之比值越大，壁效应影响越大。一般当dp/D大于0.01时，壁效应影响会使颗粒的沉降速度减小。Fd

Fg

Fb

1、沉降过程中颗粒的受力分析(P206)重力浮力阻力对球形颗粒

是压力当Fg=Fb+Fd时，匀速运动，以ut表示，加速过程很短，所以近似认为粒子始终以ut等速下降。t＝0时，u=0，Fd=0，净力F最大，加速度最大。t＞0时，u↑，Fd↑，净力F↓，加速度↓。t＝t0时，u＝ut，Fd最大，F＝0，a=0t＞t0时，u＝ut，匀速下降，ut为自由沉降速度2、自由沉降过程3、沉降速度当Fg=Fb+Fd时u=ut,由此可解出CD为阻力系数，与颗粒的雷诺数Rep有关。对球形颗粒A：Rep＜2，层流区此时

由此推出适用范围10－4＜Rep＜2－斯托克斯公式B：2＜Rep＜500过渡区C：500＜Rep＜2×105，充分发展的湍流区，CD＝0.44

D：Rep＞2×105，湍流边界层区，CD约为0.1左右已知dp、ρ、ρp、μ求u。算法：设状态（一般设为层流），然后由Stokes公式求出ut，再校核Rep，判断是否在所设状态，若不在，重设状态。4、沉降的计算【例】某油品的密度为880kg/m3，为了估计油品的粘度，今将一直径为1.25mm的钢球（密度7900kg/m3）放入油中，并测得钢球于6.35s内下降25cm，试计算此油品的粘度。解：设小球沉降在斯托克斯定律区由沉降速度的计算式得校核雷诺数上述计算有效三、重力沉降设备－降尘室降尘室：分离含尘气体中颗粒的重力沉降设备。降尘室作为预除尘设备，可除去d>50μm的粒子，再小的粒子处理效果不好。含尘气体从进口经扩大段后流速降为u，进入流通截面积为H·B的降尘段气体通过速度为u，尘粒沉降速度为ut。若设颗粒的水平移动速度与气流速度相同，则颗粒通过长度为L的降尘段的时间(停留时间)为t=L/u，而粒径为dp、沉降速度为ut的颗粒从高度为H的顶部降至底部所需时间为t’=H/ut。使粒径为dp的颗粒在降尘室内全部沉降的条件为t≥t’，即可见，H越小越好，L越长越好。但H↓，则u↑，如何解决？采用加多层隔板的方法设备最大生产能力(即最大处理气体流量)为降尘室的生产能力理论上正比于颗粒的沉降速度和沉降方向上的截面积、即降尘室底面积，而与沉降室的高度无关。工业上降尘设备多为扁平形状或一室多板结构。同气速下，装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。因为隔板间基本上保持了相同的流动速度，而颗粒达到隔板通道底部的沉降距离更短。为便于清灰，可将隔板装成可翻动或倾斜式。对一定结构尺寸的降尘室，当气体处理量一定时，理论上该降尘室所能全部捕集的最小颗粒粒径为【例】欲利用重力沉降除去烟气中粒径在50μm以上的烟尘，已知烟气流量为3000m3/h（标准状态计），烟气温度为130℃，烟气密度为0.87kg/m3，烟气粘度为2.15×10-5Pa·s，烟尘密度为2150kg/m3，试设计一重力降尘室。解：130℃烟气流量为设烟尘沉降属斯托克斯定律区，并设ρP－ρ≈ρP，则上述计算有效取沉降室内烟气流速u=0.5m/s，沉降室高度H=2.0m，则降尘室长度最小需显然降尘室过长，应采用装有横向隔板的多层降尘室。取隔板数n=3，每层高度ΔH=0.45m，则总高H＝ΔH(n+1)=1.8m降尘室长度为取L=1.8m,则降尘室宽度为取B=1.4m,室内实际烟气流速为该降尘室能捕集的最小粒径为所设计的多室降尘室能满足生产要求四、离心沉降重力沉降速度一般很小，故设备体积庞大。将同样的流-固体系置于加速度为r

2的离心力场中，颗粒的沉降速度(如颗粒细小，Rep<2.0，服从斯托克斯定律)为r和

，对密度差小、颗粒很细的流-固体系采用离心沉降分离也可获得很高的分离效率。离心沉降分离设备：旋流(旋风或旋液)分离器和沉降离心机。前者的特征是设备静止、流体旋转，后者则是机器带动流体一起旋转。旋风分离器用途：适用于含颗粒浓度为0.01～500g/m3、粒度不小于5μm的气体净化与颗粒回收操作，尤其是各种气-固流态化装置的尾气处理。结构和工作原理：含尘气体以较高的线速度切向进入器内，在外筒与排气管之间形成旋转向下的外螺旋流场，到达锥底后以相同的旋向折转向上