当前位置:首页 > 机械/制造/汽车 > 机械/模具设计 > 热力学第二章机械分离和固体流态化
第二章非均相物系的分离和固体流态化(heterogenoussystemseparation)§2-1概述•化工生产过程中,经常遇到非均相混合物的分离,如焙烧气中悬浮细小固体颗粒的体系;沉淀液体中悬浮固体颗粒的体系,非均相混合物的分离是经常要使用的操作。•非均相分离涉及的体系主要有两种,1、气体非均相体系:气体中含有悬浮的固体颗粒,或液滴所形成的混合物,(常见的是气固)。2、液体非均相体系:液体中含有分散的固体颗粒(悬浮液)或与液体不互溶的液滴(乳浊液)或气泡(泡沫液)形成的混合物,常见的是液固。•在非均相混合物中,处于连续状态的流体称为连续相,处于分散状态的称为分散相,•非均相混合物的分离通常采用力学和流体力学的原理进行分离。一般称为机械分离,根据体系的性质(如分散相浓度、颗粒大小、形状、密度、连续相性质、粘度、密度等)和分离的要求不同,可以采用不同的分离方法,气体混合物(气固)与液体混合物(液固)的性质有较大差别,分离方法各有特点,但这些方法都是基于共同的力学、流体力学规律和原理,我们放在一起来讨论。•非均相混合物的分离方法主要可分为以下几种。(1)沉降(重力)(2)过滤(3)惯性碰撞(4)洗涤•分离非均相混合物的主要目的(1)收集分散物质。如结晶、粉尘(2)净化、除尘。如硫酸生产烟道气(3)环保。如废气、废液中的固体颗粒§2-2重力沉降(gravitysettling)•对于非均相物系的分离,如果是在力场中利用分散相和连续相之间的密度差异,使之发生相对运动而实现分离的操作过程,称为沉降•实现沉降操作的作用力可以是重力或惯性离心力,沉降过程又分为重力沉降和离心沉降两种方式。一、描述颗粒的几何特征参数(大小、形状、面积)1、颗粒的当量直径(equivalentdiameter)对于规则形状的颗粒,其大小可用它的某一主要线性尺度来表示,其它尺寸可以用此长度的比例来表示。如常见球形,可以用它的直径来表示大小,而体积和表面积可分别表示为:VP=(π/6)d3A=πd2•颗粒的表面积一般用比表面积来表示,它的定义是单位体积颗粒所具有的表面积,对于球形颗粒来讲a=A/VP=(2-1)•比表面积与d反比,对于不规则的颗粒,其大小和形状的表示比较困难,需要采用人为规定的方法,通常使用球形颗粒作比较,用当量直径和形状系数来表示。A、等体积当量直径(dev),已知颗粒的体积Vp(2-2)看作球形B、等比表面当量直径(2-3)dddpp662236pevVdadea6a——不规则颗粒比表面积1、颗粒的形状系数(shapefactor)•颗粒的形状可用形状系数来表示,最常用的形状系数是球形度Φ(sphericity),它的定义为•Φ=•与球形相差越大,Φ值越小,等体积形状,球形表面最小,对于大多数粉碎颗粒,球形度Φ在0.6-0.7,通过球形度的概念,我们可把dev与dea联系起来。颗粒的表面积的表面积体积与颗粒相等的球形Φ=(2-4)dea=Φdev(2-5)二、沉降过程1、沉降速度(terminalvelocity)ut•颗粒在流体中的流动可以看成是颗粒与流体间产生的相对运动,只要颗粒与流体的密度不同,在力场的作用下,颗粒在流体中就产生相对运动,如重力,可利用这一性质来分离颗粒和流体。•颗粒在流体中的相对运动是一种平行的相对运动,这样我们就只考虑流体与颗粒间的相对速度,而不考虑是流体或是颗粒静止不动。eveaeaevddddaa66固体球•一般的颗粒都可以看作是球形的,下面就以光滑球形颗粒在静止流体中沉降为例来讨论沉降过程。•把球形颗粒放入静止的流体中,颗粒就会受到重力与流体浮力的作用,如果颗粒与流体的密度不同,则颗粒受到的重力与浮力就会不等,如果颗粒的密度ρs大于流体的密度ρ,•颗粒受到的重力为Fg=mg=(π/6)d3ρsg(a)•受到的浮力为Fb=(π/6)d3ρg(b)•颗粒受到向下的净力为Fg—Fb=(π/6)d3(ρs-ρ)g(c)FgFbFdA根据牛顿第二定律,颗粒就会在此净力的作用下产生向下运动的加速度,a=du/dθ•Fg—Fb=ma=m(du/dθ)(d)•这样颗粒与流体就产生一个相对运动,一旦产生相对运动,颗粒又会受到流体对颗粒的运动阻力,Fd(曳力drayforce)其大小为Fd=ξA(ρu2/2)它的方向与颗粒运动方向相反,并随u增大而增大。A为颗粒在垂直方于其运动方向平面上的投影面积A=(π/4)d2m2•所以,当颗粒产生相对运动时,颗粒受到的净力为F=Fg—Fb—Fd(e)沉降过程刚开始时,u=0,Fd=0,此时颗粒所受到向下的力最大,a具有最大值•随着沉降开始,u逐渐增大,而Fg—Fb不变,颗粒受到向下方向的净力减少,沉降过程为一减速运动,当u增加到一定程度时,Fd增大,使得F=0,此时m不为零,a=du/dθ=0,颗粒变为等速运动,(匀速运动),此后颗粒将一直保持此速度作相对运动,颗粒达到等速运动时的速度称为颗粒的沉降速度或终端速度。•在达到沉降速度前的阶段,称为加速阶段。从理论上讲,加速阶段需很长的时间。•但实验证明,颗粒沉降的速度达到接近终端速度u的时间很短。因此,实际上可以忽略颗粒沉降时的加速度阶段,而认为颗粒在流体中始终以沉降速度(终端速度下降)。在静止流体中颗粒的沉降也称为自由沉降,对于流动的流体,则认为颗粒与流体始终以终端速度作相对运动。我们最关心的是颗粒在沉降的时候达到的终端速度是多少?即沉降的速度为多少?知道此速度,我们就可算出沉降过程的时间,从而决定设备尺寸的大小。•当颗粒达到终端速度时,其所受到的净力为0,根据(a)(b)(c)(d)(e)式,有(π/6)d3(ρs-ρ)g-ξ(π/4)(ρut2/2)=0ut=(2-6)3)(4gds•要算ut,关键是要算ξ(阻力系数)2、阻力系数ξ由于颗粒在流体中的相对运动与固体和液体的物性,流动有关,影响颗粒运动及运动阻力Fd的因素相当复杂。通过因次分析和大量实验证明,ξ是颗粒与流体相对运动时的雷诺准数的函数ξ=f(Ret)•ξ的计算可以根据经验公式或算图ξ=24/Ret层流区10-4Ret118.5/Ret0.6过渡区1Ret103(2-7)0.44湍流区103Ret2×1050.1湍流边界层2×105Ret(很少)ut=d2g(ρs-ρ)10-4Ret11Ret103(2-8)103Ret2×105•根据上式,我们就知道沉降速度与各种因素的大小,对于一定的物系,μ、ρs、ρ是一定的,ut只与d有关,可算出不同d颗粒的沉降速度。同样,也可根据测定的ut,求颗粒的直径,如果在层流区,已知d、ρs、ρ,则可用此式来测定流体的粘度。6.0.)(27.0etsRgdgds)(74.13、ut的计算A、试差法(trialanderror)•由于ut←→ξ有关,而ξ←→Ret,Ret←→ut有关,由于ut为待求,Ret也就是未知数,所以ut的计算需要用试差的方法求取,即先假定Ret(流型),选ut计算式计算,再用ut算Ret,是否与假定的流速一致,如一致则是正确,如不正确,则重新设定Ret。B、摩擦数群法(frictionnumbergroup)•为了避免试差的麻烦,我们可作一些变换,∵ut=,ξ=3)(4Sgd23)(4tsugd∵Ret2=•ξ·Ret=(2-9)此式不含ut•令K=(2-10)•则ξ·Ret2=(4/3)K3(2-10a)•把ξ和Ret2的关系变换为ξRet——Ret的关系,见P148图3-32222uudt233)(4gds32)(gds•根据物系的d、ρ、ρS、μ可算出ξRet2,查Ret,反算utut=•也可用K数群法,求K值,判断流型,再用相应的公式计算,避免试差。•例题见P143(自学)4、影响沉降速度的因素前面我们分析的是对一个颗粒在流体中沉降的过程,实际上,沉降过程是含有很多颗粒的,这些颗粒之间在沉降过程中会发生相互作用(如碰撞),另外,器壁对沉降也会发生影响,当颗粒比较细时,流体的分子运动也会对颗粒沉降产生影响,dRet这些影响因素归纳起来有三类。(1)、干扰沉降,由于颗粒含量大,颗粒之间产生相互作用对沉降的影响(校正)。(2)、壁效应β=d/D不算小时,<0.01,则要考虑壁效应,校正。(3)、分子运动的影响当d<0.5μm,非常细时出现此情况,还有形状,球形(快),非球形(慢)四、沉降分离设备1、分离一般原理非均相混合物流入沉降设备,沿一定的途径从入口流向出口,在此过程中颗粒与流体间产生相对运动,颗粒向器底(或其它表面)沉降。如果流体在流出设备以前,颗粒能沉到器底,则颗粒就能留到器中与流体分开,否则仍随流体流出而不能分离。•混合物从设备入口流到出口的时间称为停留时间θ,颗粒从设备入口处位置沉降到器底的时间为沉降时间θt。那么当θ≥θt,颗粒就能分离出来,因此,用沉降方法使颗粒分离出来的必要条件为θ≥θt(1-11)2、降尘室(dust-settlingcompartment)•利用重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室,如P145图。θt=H/ut位于降尘室最高点颗粒降至室底所需时间(最大沉降路线)气体通过降尘室的时间为(停留时间)θ=L/u=(2-12)按降尘分离的必要条件:θ≥θtL/u≥H/utuutHHLbSSVLHbHbVLSSVLHbHbVLVs≤utLb(2-13)•由上式可知,当体系一定,气体的处理量一定时。要求把一定直径的颗粒完全沉降的条件只取决于降尘室的底面积(Lb),与其高度无关,这是降尘室的一个重要特征。因此,降尘室一般上设计为扁型的。(多层,如P145)•降尘室结构简单,流体阻力小,由于重力沉降一般沉降速度小,因此为使颗粒分离,流体在设备中所需的停留时间长,所以一般重力沉降设备的体积都较大,可做成多层。通常降尘室只适用于分离粒度大于50μm的粗颗粒,一般作为预除尘用。tSuHVLHb•要注意的一点•ut应根据需要完全分离下来的最小颗粒尺寸计算,气体在降尘室中的速度不应过高,一般是在层流区。•降尘室的工艺计算可分为两类,一类是设计型,已知气体处理量和除尘要求(dm)计算降尘室大小(H、b)。一类是操作型,已知降尘室的尺寸,求处理气量及除尘效果。其计算原理是一样的。•计算例子见P146,例3-2,(操作型)(自学)3、沉降槽(subsider)•对于液固非均相体系的分离,可使用沉降槽,沉降槽一般只能用于分离颗粒不很细的稀悬浮液,得到清液,及含50%左右的固体颗粒的增稠液,工业上把沉降槽称为增稠器(thickener),应用很广,如烧碱生产中食盐水沉清等。•沉降槽的典型结构见P152图,沉降槽里的沉降过程称为沉聚过程。•沉聚过程可以用沉降试验来说明,把搅拌均匀,粒度分布不宽的悬浮液倒入玻璃筒中,由于颗粒的沉降运动,筒内出现四个区。顶层已无颗粒,称为清液区(A);上层内固相分布均匀,浓度与原悬浮液相同,称为等浓区(B);下部自上而下浓度增大,其中颗粒增多,称为变浓区(C);最下部为沉下来的颗粒,堆积比较紧密,称为沉聚区(D)。•随着沉降过程的进行,B、C逐渐缩小并消失,C区刚刚消失这一时刻称为“临界沉降点”(criticalsedimentationpoint),此时清液区与沉聚区有一清晰的界面。abcdBADABCDACD自此以后,便是沉聚区的压紧过程,沉聚区中液体含量逐渐降低,压紧过程一般很慢,经常占沉聚过程的大部分时间。•沉降槽中由于悬浮液中固体颗粒的含量较高,沉降过程多属于干扰沉降,颗粒的沉降受到其它颗粒的影响,如颗粒下降引起的液体向上运动等,由于这因素的影响,试验观察到的沉降速度要小于颗粒的自由沉降速度,我们把这种沉降速度称为表观沉降速度(apparentsedimentationvelocity),这是沉降槽设计的一个重要参数。•工业上连续沉降槽的设计必须保证得到工艺过程所需的澄清液和一定浓度的增稠液。•因此要求:(1)、槽的直径要保证在槽的任何截面上
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