化工原理课件非均相物系分离全.ppt
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1、第三章 非均相物系的分离,授课教师:庞煜霞,3.1 概述,3.1.1 混合物的分类,混合物,均相混合物(均相物系),非均相混合物(非均相物系),物系内部各处组成均匀且不存在相界面,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,例如:溶液及混合气体,例如:含尘气体、悬浮液等,非均相物系,分散相(分散物质):处于分散状态的物质,如固体颗粒、液滴、气泡,连续相(分散介质):包围着分散物质而处于连续状态的物质,3.1.2 非均相物系的分类,根据连续相的状态分:液态非均相物系:固、液、气分散在液相中。悬浮液、乳浊液、泡沫液气态非均相物系:固、液分散在气相中。含尘气体、含雾气体,3.1.3 非
2、均相物系的分离目的,回收有用的分散相净化连续相环境保护的需要,3.1.4 非均相物系的分离方法,1、沉降:颗粒相对于流体运动。重力沉降 离心沉降2、过滤:流体相对于固体颗粒床层运动。重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤,3.2.2 颗粒床的特性,由颗粒堆积而成的颗粒层称为颗粒床层。,1、床层的空隙率 单位体积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。空隙率通过实验测得一般乱堆床层的空隙率大致在0.470.70之间,2、床层的比表面积,单位体积床层所具有的颗粒的表面积称为床层的比表面积。ab=(1-)a,ab床层比表面积;a 颗粒的比表面积;床层空隙率。,3.3 颗粒的沉降,3.3.1 重力沉降 重
3、力沉降分离设备 离心沉降 离心沉降设备,3.3.1 重力沉降,1、球形颗粒的自由沉降与干扰沉降,自由沉降:颗粒在流体中沉降时,不受其它颗粒或器壁的影响。干扰沉降以下讨论自由沉降过程。,2、球形颗粒的自由沉降速度,设直径为dp、密度为p的光滑球形颗粒在密度为,粘度为的静止流体中作自由沉降。颗粒受力:,重力 浮力 阻力,u则Fd,根据牛顿第二定律可知,上式称为重力沉降速度基本方程式。,3、沉降速度实用公式,因次分析,曳力系数与ReP的关系:(1)圆球(2)圆盘(3)圆柱,ReP,(1),(2),(3),层流区(Stokes定律区,Re0 2),过渡区(Allen定律区,2 Re0 1000),湍流
4、区(Newton定律区,1000 Re0 2105),4、强化重力沉降的方法,增加颗粒的直径,加凝聚剂、助附着剂 减小流体的密度、粘度ut 减对于液体=f(T)T 对于气体=f(T)T,6、沉降速度的影响因素,颗粒的体积浓度,颗粒的体积浓度小于0.2%时,理论计算值的偏差在1%以内;颗粒浓度较高时便发生干扰沉降,需要根据浓度进行修正。,器壁效应,颗粒形状的影响,当容器尺寸D远远大于颗粒尺寸dp时(100倍以上),器壁效应可忽略,否则需加以考虑。,同一种固体物质,球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些。实际计算时非球形颗粒的大小可用当量直径表示。,颗粒大小的影响,颗粒直径0.5um时,沉
5、降受到流体分子布朗运动的影响。,3.3.2 重力沉降分离设备,1、降尘室,工作原理,气体入室 减速,颗粒的沉降运动&随气体运动,合速度:抛物线,沉降运动时间气体停留时间分离,所需沉降时间t=H/ut,在室内停留时间=L/u,分离满足的条件:,流道面积扩大,说明:(1)不同直径d的颗粒ut不同,相应的t不同。d,ut 容易除去。(2)当某直径的颗粒满足t 时,它能够被完全(100%)地分离;当某直径的颗粒满足t时,它不是不能被分离,仍然可以被分离,只不过是不能被完全分离。,(3)能(100%)被除去的最小颗粒直径,最低沉降速度能被分离的最小粒径,(4)最大处理量(生产能力),VmaxutLb=u
6、tA0,Vmax为某一粒径能100%被去除的最大处理量,即沉降速度ut应按需要完全分离下来的最小颗粒计算;,Vmax与(100%去除的)d,A0有关,而与H无关。,多层降尘室,清洁气流,含尘气流,挡板,隔板,降尘室一般用水平隔板做成多层,间距为40100mm。多层降尘室生产能力(n层水平隔板):VS(n+1)utLb,说明,气流速度u不应太高,以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起。为此,应保证气体流动的雷诺准数处于滞流范围之内;降尘室结构简单,流动阻力小,但体积庞大,分离效率低,通常仅适用于分离直径大于50m的颗粒,用于过程的预除尘。多层降尘室虽能分离细小的颗粒,并节省地面,但出灰
7、麻烦。,(1)一球形石英颗粒,在空气中按斯托克斯定律沉降,若空气温度由20升至50,则其沉降速度将。,(2)在除去某粒径的颗粒时,若降尘室的高度增加一倍,则沉降时间,气流速度,生产能力。,课堂练习,(3)在滞流(层流)区,颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比;在湍流区,颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比。,【例】采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为10,宽和高均为2m。操作条件下气体密度为0.75kg/m3,粘度为2.610-5Pas,颗粒密度为3000 kg/m3。降尘室的生产能力为3m3/s。试求:(1)理论上可完全回收的最小颗粒直径;(2)粒径为40 m的颗粒的
8、回收百分率;(3)如将降尘室改为多层以完全回收10m的颗粒,在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。,解:,(1)理论上可完全回收的最小颗粒直径,在降尘室中能完全被分离出的最小颗粒的沉降速度为,假设沉降在层流区,用Stokes公式求最小颗粒直径,核算沉降流型,假设成立,求得的最小粒径有效。,(2)粒径为40 m的颗粒的回收百分率,假设颗粒在炉气中的分布是均匀的,则在气体的停留时间内颗粒沉降的高度与降尘室的高度之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。,由于各种尺寸的颗粒在降尘室内的停留时间均相同,故40 m的颗粒的回收率也可用其沉降速度ut与69.1 m的颗粒的沉降速度ut之比来确定,在层流区,(
9、3)需设置水平隔板层数及板间距,由上面计算可知,10 m的颗粒的沉降必在层流区,可用stokes公式计算沉降速度,需设置水平隔板层数,板间距,核算气体在多层降尘室内的流型:若忽略隔板厚度所占的空间,则气体的流速为,即气体在降尘室的流动为层流,设计合理。,3.3.3 离心沉降,离心沉降:依靠惯性离心力的作用从而实现沉降的过程。离心沉降效率较重力沉降效率高。对于两相密度差较小或颗粒粒径较小的情况,应采用离心分离。,1、离心沉降速度,流体作圆周运动时,形成惯性离心力场。当颗粒在距中心r处旋转时,其切向速度uT,径向速度ur。,惯性离心力场强度:uT2/r轨迹:逐渐扩大的螺旋线,颗粒在旋转流体中的运动
10、,Fc,Fb,FD,dp,p的球形颗粒受力分析:,离心力,向心力,阻力,(方向向外),(方向向内),(方向向内),当三个力达到平衡时:Fc-Fb-FD=0,2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较,表达式:重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度数值:1)重力沉降速度基本上为定值2)离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量,数值随颗粒在离心力场中的位置而变。,3、离心分离因数,同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值。,3.3.4 离心沉降设备,气固 旋风分离器液固 旋液分离器,旋风分离器 1、结 构:主体的上部为圆筒形,下部为圆锥形,中央有一升气管。矩形切线入口。,旋风分离器尺寸及
11、操作原理示意图(各部分尺寸按比例以D为基准),2、工作原理,气流旋转向下螺旋运动到锥口,向上螺旋运动(气芯),顶部中央排气口,颗粒,器壁,与气流分离,滑落,离心力,41,评价指标,总效率粒级效率,分离效果压强降,临界直径分离效率,3、旋风分离器的性能,1)临界粒径定义:理论上在旋风分离器中能被完全分离下来的最小颗粒。计算公式的推导:,假设:(1)气流严格按螺旋形路线作等速运动,其切向速度等于进口气速ui;(2)颗粒向器壁沉降时,必须穿过厚度等于进气宽度B的气流层,方能达到器壁而被分离;(3)颗粒的流动类型为滞流。,Stokes公式可用,旋转半径取rm(平均旋转半径),颗粒沉降速度,说明,D或B
12、=D/4,则dC,设备尺寸(直径、进气口宽度)不能太大,以维持较高的分离效率。,V或 ui,则dC,B一定时,提高气流量或提高进口气速,可提高分离效率,但进口阻力增加,同时湍流状况增大,易带起灰尘,所以一般不采用此法。当气体处理量大时,使用若干小尺寸旋风分离器并联使用。,对于标准旋风分离器,一般取,课堂练习,(1)沉降操作是指在某种 中利用分散相和连续相之间的 差异,使之发生相对运动而实现分离的操作过程。沉降过程有 沉降和 沉降两种方式。,(2)旋风分离器性能的好坏,主要以 来衡量。越小,说明分离性能越好。,3.4 过滤,过滤的基本概念 过滤基本方程式 过滤设备 过滤计算,1、过滤操作,3.4
13、.1 过滤的基本概念,以某种多孔物质为介质,在外力的作用下,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。,过程推动力:重力;压力(差);离心力,操作目的:获得固体或清净的液体,洗涤回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质,2、过滤方式(1)滤饼过滤:固体沉积物在介质表面堆积、架桥而形成滤饼层。滤饼层是有效过滤层。,适用于:处理固体含量较高的混悬液。,(2)深层过滤:过滤介质是较厚的粒状介质的床层,过滤时悬浮液中的颗粒沉积在床层内部的孔道壁面上,而不形成滤饼。,适用于:生产量大而悬浮颗粒粒径小、含量微或是粘软的絮状物。,3、过滤介质,支撑滤饼或截留颗粒,使滤液通过。
14、要求:1)多孔性,孔道大小合适(既对流体的阻力小,又能截住要分离的颗粒);2)具有足够的机械强度;3)化学稳定性好(耐腐蚀、耐热、抗老化);4)价格便宜。,过滤介质种类:织物介质 滤布(织物、网),截留的粒径5m以上,工业应用广泛多孔固体介质具有微细孔道的固体,截留粒径13m的微细粒子 堆积介质固体颗粒或纤维等堆积,适用于深层过滤 微孔膜由高分子材料制成的薄膜状多孔介质。适用于滤除0.0210m的混悬微粒。,4、滤饼的压缩性和助滤剂,(1)滤饼的压缩性,滤饼,不可压缩滤饼:,可压缩滤饼:,颗粒有一定的刚性,所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形。,颗粒较软,所形成的滤饼在压差的作用下变形,使滤饼
15、中的流动通道变小,阻力增大。,(2)助滤剂助滤剂具有一定刚性的颗粒或纤维状的固体。加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力。,加入方法,预涂,用助滤剂配成悬浮液,在正式过滤前用它进行过滤,在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。,将助滤剂混在滤浆中一起过滤,预混,1、颗粒床层的物理模型与基本参数,颗粒床层一组平行细管流体通道,细管内表面=床层颗粒的全部表面,细管的总体积=床层空隙体积,3.4.2 过滤基本方程式,合理简化,本质近似,基本参数,空隙率:床层的空隙体积/床层的总体积,比表面积a:颗粒表面积/颗粒体积,孔道(细管)平均长度 l:床层厚度L,孔道(细管)当量直径de:,2、过滤速度及其表达
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