化工原理-3非均相物系的分离

1、1.第三章：异构系统的分离；2.非均相体系：包含两相或多相的体系，如固体颗粒、液体悬浮液、固体颗粒、气体、粉尘和气体分离方法：沉降(重力沉降、离心沉降)过滤，这两种方法都称为机械分离方法(相对于传质分离方法，如蒸馏和吸收)。3、重力沉降、4、含尘气体、清洁气体、灰分、离心沉降、旋风分离器、5、板框过滤器、过滤、6、1颗粒和颗粒床的特性、沉降和过滤涉及流体相对于固体颗粒和颗粒床的运动(如过滤过程中形成的滤饼)。1.粒子1的特性。单个颗粒(1)球形颗粒：直径d比表面积A(每单位体积颗粒的表面积)a=(d2)/(d3/6)=6/d(与颗粒直径成反比)，(2)体积当量直径de:等于颗粒体积SS/Sp的

2、非球形颗粒，球形颗粒s 1，非球形颗粒s 1，Sp是颗粒的(实际)表面积，S是与颗粒具有相同体积的球体的表面积，即Sd2，在实施例333中为边长为A的立方体颗粒颗粒群的特征(1)颗粒尺寸分布通常通过一套标准筛(筛分析)来测量，结果显示在表格或图表中。xi是第一级颗粒的质量分数，di是第一级颗粒的筛分直径(取上下筛孔的算术平均值)。(2)平均粒径有多种表达方式。对于流体和颗粒之间的相对运动，平均比表面积直径da，10，1通常是根据等比表面积原理计算的。床层空隙率(无量纲)是指单位体积颗粒床层中空隙所占的体积。如果忽略颗粒之间接触面积的影响，床的比表面积ab和颗粒的比表面积A之间的关系是ab(1

3、)a，2。颗粒床的特性，11。科兹尼方程(经验公式):适用于床层层流(过过滤时通常为层流)，3。流体流经床层的压降，空床速度u=沉降是利用密度差从流体中分离颗粒的过程，分为重力沉降(重力作用下)和离心沉降(离心力作用下)。重力沉降速度(1)球形颗粒的自由沉降：任何颗粒的沉降都不会受到其他颗粒存在的干扰，也就是说，颗粒相互独立，不会相互影响。要求流体中的颗粒稀疏(通常，颗粒的体积浓度小于0.2)。1.重力沉降，14，阻力(阻力，向上):假设球形粒子的直径为d，密度为s，流体处于静止状态，密度为(s)。当粒子在流体中下沉时，力为：阻力系数(无量纲)，u为粒子下沉速度，重力(向下)，浮力(向上):加

4、速阶段为：下沉可分为两个阶段：即建立时间。根据牛顿第二定律，16，沉降速度的公式为，ut(m/s)，d(m) g=9.81(m/s2)，s(kg/m3)，表示沉降速度和密度之间的差异。对于球形颗粒，阻力(阻力)系数是颗粒沉降雷诺数的函数，通常由实验确定，结果绘制在p145的图32(双对数坐标)中。Ret曲线大致分为三个区域，即层流(Ret1)、过渡区(1Ret1000)和湍流(Ret1000)，可用相应的公式表示。18，P145图3-2，不同的球形度、层流、过渡区、湍流、Ret、19、过渡区(1Ret1000)=18.5/Ret0.6(经验公式)，湍流区(1000Ret2105) 0.44层流

5、区(104Ret1)=24/Ret(理论公式)，斯托克斯公式：0，20，颗粒浓度：当颗粒体积浓度较大时，发生干扰沉降，沉降较慢。壁效应：容器壁和底部的阻力ut。颗粒形状：对于非球形颗粒，使用当量直径de，阻力系数与球形度(形状系数)s相关，球形度大于球形颗粒，ut减小。沉降速度的其他影响因素，21，P145图3-2，不同的球形度，层流，过渡区，紊流，Ret，22，(4)计算沉降速度的试错法首先假设沉降区的范围，即Ret(层流，过渡区，紊流)，然后要求ut检查Ret=dut/是否在假设范围内，如果是，ut不在，则重新假设沉降面积。根据摩擦数群方法，Ret2称为摩擦数群，与ut无关。23，P148

6、图3-3，Ret2，Ret，湍流，层流，过渡区，方法a:将图32中的Ret曲线转换为图33中的Ret2Ret曲线。从计算的Ret2中找出Ret，然后计算ut=Ret/d，以避免反复试验。K2.62(对应于Ret1)滞止区2.62K69.1过渡区K69.1(对应于Ret1000)紊流区，方法b:用无量纲组k判别流态，然后用相应的沉降速度公式计算ut。25，将图32中的Ret曲线转换成/ret曲线(图33)，从计算的/Ret中找出Ret，然后找出d=Ret/ut。试错法首先假定沉降面积，即Ret的范围(滞止、过渡和紊流)，然后找出D来检查Ret=dut/是否在假定范围内。(5)颗粒直径的计算(已知

7、沉降速度)，摩擦数组方法：定义了独立于D、26、P148图3-3、Ret、湍流、层流、/Ret、过渡区、27、P148的摩擦数组。实施例3-2试图计算直径为95m、密度为3000kg/m3的固体颗粒。(1)试凑法(2)摩擦数组Ret2与Ret的关系曲线法(3)无量纲数组k，用以判断水为ut0.0098 m/s，空气为ut0.62 m/s，28。在垂直方向上，颗粒从室的顶部沉降到底部所需的时间为3360t=h/ut。在水平方向，气体通过灰尘沉降室的时间(停留时间)。2.重力沉降设备(1)粉尘沉降室：利用重力沉降去除气流中的颗粒，u为气体在粉尘沉降室水平方向上的平均流速uVS/Hb，VS为粉尘沉降

8、室的处理能力，即气体体积流量(m3/s)，29，颗粒能从气流中分离的条件为： t，即VS blut(粉尘沉降室的基本公式)。 对应于VSblut的ut在理论上是完整的(100)。因此，灰尘沉降室可以设计成扁平的形状，或者可以在室内布置多层水平隔板以形成多层灰尘沉降室。 30，多层粉尘沉降室的处理能力VS与挡板数n: vs (n1)的关系钝，31，粉尘沉降室适用于分离大于50m的粗颗粒，一般用于预除尘。多层集尘室虽然可以分离较细的颗粒，节省地面，但不便于除尘。32，P151实施例3-3建议使用粉尘沉降室来回收包含在常压炉气中的球形固体颗粒。沉降室底部面积为10m2，宽度和高度均为2m。在操作条件

9、下，气体密度为0.75千克/立方米，粘度为2.6105帕；固体密度为3000千克/立方米。粉尘沉降室的生产能力为3 m3/s。试求：(1)理论上能完全捕集的最小粒径；(2)粒径为40m的颗粒回收率；(3)如果要完全回收直径为10米的尘粒，在原有的沉降室中应设置多少层水平隔板？(1)ut=VS/bl 0.3m/s的粒径：dmin6.9110-5 m，(2)回收的沉降高度(停留时间内)/粉尘沉降室的沉降高度，沉降速度停留时间，33，40m颗粒的回收率为(40/69.1)20.335。(3)10m颗粒的沉降速度ut0.00629 m/s VS=(n1)blut n=47，即两种颗粒的比例等于它们的沉

10、降速度之比33，360回收率/100ut/0.3。由于小颗粒在停滞区沉降，沉降速度与直径的平方成正比，因此回收率为/100 (d/69.1) 2，300。悬浮液(泥浆)从中心入口送到液面以下0.31米处，固体颗粒沉入罐底部。增稠的泥浆由以下因素驱动混合颗粒从上部加入，水通过可调锥体和外壁之间的环形间隙向上流动。沉降速度大于环形间隙中水的上升速度的颗粒进入底流，而沉降速度小于该速度的颗粒通过溢流排出。应时，小方铅矿和大方铅矿。方铅矿和应时的混合物被这个双锥分级机分离。众所周知：颗粒形状：立方体颗粒尺寸：边长：0.08-0.7毫米；方铅矿密度：s 17500kg/m3；应时密度：PS2=2650千

11、克/立方米；水的密度和粘度：=998.2kg/m3=1.00510-3pa.s，36；(1)为了获得纯方铅矿颗粒，首先计算当量直径和球形度，然后通过ut0.0696米/秒获得最小的纯方铅矿颗粒。(2)是其沉降速度正好等于0.0696米/秒的颗粒，其边缘长度计算为0.2565毫米。假设颗粒在上升水流中自由沉降，尝试找出3360 (1)上升水流速度需要多少米才能获得纯方铅矿颗粒。(2)纯方铅矿颗粒的尺寸范围。37是由惯性离心力实现的沉降。对于颗粒小或两相密度差小的系统，重力沉降速度慢且效率低，离心沉降可以大大提高分离效果。惯性离心力fdi:对于质量为m的物体，fdi=muT2/r存在于距旋转轴距离

12、为r且切向速度为uT的位置，并且方向沿着旋转半径从中心指向外围。离心沉降：当流体与颗粒一起旋转时，如果颗粒的密度高于流体的密度，则颗粒在惯性离心力的作用下沿径向与流体相对运动，并飞离中心。uT，离心沉降方向，含尘气体，R，38，离心沉降的典型应用：分离含尘气体的旋风分离器。39，ur是颗粒相对于流体在径向上的运动速度，即离心沉降的沉降速度。(2)向心力(相当于重力场中的浮力):(1)离心沉降速度，离心力场中颗粒的径向应力：(1)离心力：(3)阻力：40，类似于重力沉降。与重力沉降速度相比，离心沉降速度为41，离心沉降和重力为41。但是，ur方向从中心向外呈放射状指向，并随r而变化。阻力系数相似

13、，如果是停滞沉降，则为=24/Rer，但离心沉降的雷诺数定义为Rerdur/，停滞重力沉降和停滞离心沉降为42。离心分离系数：Kc=(uT2/R)/g Kc是反映离心分离设备性能的重要指标，一般远大于1，高速离心机的K值可达10万以上。43，(2)离心沉淀设备：旋风分离器)1。结构和工作原理标准旋风分离器的结构如图所示。h=d/2d 1=d/2b=d/4 h1=2d H2=2d s=d/8d 2=d/4，44，工作原理：含尘气体从进气口切向引入，从上到下螺旋运动(称为外旋流)，然后从下到上(称为内旋流或气芯)，最后从中心出口排出。在螺旋运动过程中，尘粒被抛向壁面，然后沿壁面落入灰斗。通常用于清

14、除5m以上的颗粒。旋风分离器的性能(1)临界粒度dc是指理论上可以完全(100%)分离的最小颗粒的直径。46、简化假设：进入旋风分离器的气流严格按照螺旋路线匀速运动，其切向速度uT等于入口气体速度UI；当颗粒沉降到壁面时，它们必须穿过厚度等于整个进气口宽度b的气流层，这样壁面才能分离；临界粒径计算公式，47，颗粒到达旋风分离器壁所需的沉降时间为：如果旋风分离器中气流的有效转数(外旋)为ne(对于标准Ne=5)，则气流在旋风分离器中的停留时间为：颗粒在滞流下自由沉降，其径向沉降速度为(约为S-S): (RM为平均旋转半径)，40因此，当气体处理能力较大时，通常使用几个平行于m的小旋风分离器也就是

15、说，t=对应于临界粒度dc。注：临界粒径直流越小，分离(除尘)效果越好。49，颗粒尺寸效率p:具有不同颗粒尺寸的颗粒的质量分数分离pi=(c1i-c2i)/c1i，(2)总分离效率0:除去的颗粒质量占进入分离器的所有颗粒质量的分数0=(c1-c2)/c1，c1和c2是入口和出口气体的粉尘浓度(g/m3)，c1i和c2i分别是入口和出口气体中平均直径为di的颗粒的浓度(g/m3)，总效率和颗粒尺寸效率之间的关系是3360通常，粒度效率P被绘制为粒度比d/d50的曲线，其中d50是50的粒度效率。对于标准旋风分离器，有(D是分离器的直径):(p158是错误的)，注意：和临界粒度(理论效率为100)

16、dc之间的差异，(ui是入口流速)，52，D50，P158，标准旋风分离器的一般pd/d50曲线，53，(3)当压降气体流过旋风分离器时， 由于进气管、排气管和主体壁造成的摩擦阻力和局部流动阻力，气体压力降低(进、出口压差):p=(ui2/2)为阻力系数(标准旋风分离器=8.0)，p通常为5002000Pa。ui，ui，54，(4)旋风分离器的串联和并联N :pi=p/n，=1-(1-i)n，Vi=Vs n :pi=p，=i，Vi=Vs/n，I为单个单元的效率，它是总效率，Vi为单个单元的流速，I=(C1-C2)/C1=(C2-C3)/C2=(C1-C3)/C1=1-(1-I)2，两个串联，55，p11已知固体密度为1100千克/立方米，颗粒直径