化工原理课件非均相物系分离(全)

返回华南理工大学化工原理电子课件第三章非均相物系的分离授课教师：庞煜霞返回华南理工大学化工原理电子课件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、悬浮液等返回华南理工大学化工原理电子课件非均相物系分散相（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返回华南理工大学化工原理电子课件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、含雾气体返回华南理工大学化工原理电子课件3.1.3非均相物系的分离目的返回华南理工大学化工原理电子课件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离心过滤返回华南理工大学化工原理电子课件3.2.2颗粒床的特性返回华南理工大学化工原理电子课件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0.47~0.70之间床层体积颗粒体积）（床层体积床层体积空隙体积返回华南理工大学化工原理电子课件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-ε)aab—床层比表面积；a—颗粒的比表面积；ε—床层空隙率。返回华南理工大学化工原理电子课件3.3颗粒的沉降3.3.1重力沉降3.3.2重力沉降分离设备3.3.3离心沉降3.3.4离心沉降设备返回华南理工大学化工原理电子课件3.3.11、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。返回华南理工大学化工原理电子课件2、球形颗粒的自由沉降速度设直径为dp、密度为ρp的光滑球形颗粒在密度为ρ，粘度为μ的静止流体中作自由沉降。颗粒受力：FbFgFd重力浮力阻力gdmgFppg36gdFpb36242222uduAFppdu↑则Fd↑返回华南理工大学化工原理电子课件ddummaFFFdbgddummaudgdppp246223颗粒做匀速沉降时当tuuddua,034pptgdu末端速度沉降速度/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。返回华南理工大学化工原理电子课件3、沉降速度实用公式因次分析)(tRefttduRe曳力系数ξ与ReP的关系：(1)圆球(2)圆盘(3)圆柱10-410-310-210-11.01010210310410510610-11.010102103105RePξ(1)(2)(3)返回华南理工大学化工原理电子课件①层流区（Stokes定律区，Re02）tRe24182gduppt②过渡区（Allen定律区，2Re01000）6.0Re5.18t6.0Re27.0tpptgdu③湍流区（Newton定律区，1000Re02×105）44.0pptgdu74.1返回华南理工大学化工原理电子课件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ρ↓μ↓→ut↑减μ——对于液体μ=f(T)T↑μ↓对于气体μ=f(T)T↓μ↓,,tpdfu返回华南理工大学化工原理电子课件6、沉降速度的影响因素①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。②器壁效应③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。④颗粒大小的影响颗粒直径＜0.5um时，沉降受到流体分子布朗运动的影响。返回华南理工大学化工原理电子课件3.3.21、降尘室返回华南理工大学化工原理电子课件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θt=H/ut在室内停留时间θ=L/u分离满足的条件：uLuHt流道面积扩大返回华南理工大学化工原理电子课件说明：（1）不同直径d的颗粒ut不同，相应的θt不同。d，ut容易除去。（2）当某直径的颗粒满足θt≤θ时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足θt＞θ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。返回华南理工大学化工原理电子课件（3）能(100%)被除去的最小颗粒直径0sAVLBHBuLHuut最低沉降速度~能被分离的最小粒径0ss2min18AVgdut0ssmin18AVgd返回华南理工大学化工原理电子课件（4）最大处理量（生产能力）Vmax≤ut·Lb=utA0①Vmax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；②Vmax与(100%去除的)d,A0有关，而与H无关。返回华南理工大学化工原理电子课件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40～100mm。多层降尘室生产能力(n层水平隔板)：VS≤(n+1)ut·Lb1nHh)(1bluVntS隔板间距：取整返回华南理工大学化工原理电子课件〖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50μm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，但出灰麻烦。返回华南理工大学化工原理电子课件（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。返回华南理工大学化工原理电子课件【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2.610-5Pas，颗粒密度为3000kg/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的颗粒的回收百分率；（3）如将降尘室改为多层以完全回收10m的颗粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。返回华南理工大学化工原理电子课件解：（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smAVut/3.01030s假设沉降在层流区，用Stokes公式求最小颗粒直径mgudt5pmin1091.618返回华南理工大学化工原理电子课件核算沉降流型2598.0Reminttud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。返回华南理工大学化工原理电子课件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%5.33)1.6940()'('22mindduutt回收率＝（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smgdu/1029.6183s20返回华南理工大学化工原理电子课件需设置水平隔板层数层，取4769.4611029.61031300uAVns板间距mnHh042.04821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smbHVus/75.0223返回华南理工大学化工原理电子课件mhbbhde082.0)042.02(2042.024)(241774106.275.075.0082.0Re5ude即气体在降尘室的流动为层流，设计合理。返回华南理工大学化工原理电子课件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。返回华南理工大学化工原理电子课件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r1r2ArCBuruuT颗粒在旋转流体中的运动返回华南理工大学化工原理电子课件uTurrFcFbFDdp，p的球形颗粒受力分析：离心力rudFTppc236π向心力rudFpb2T36π阻力4π222prDduF（方向向外）（方向向内）（方向向内）返回华南理工大学化工原理电子课件04π26π6π222T32T3prpppdurudrud当三个力达到平衡时：Fc-Fb-FD=0rudruduTppTpp222r18)(3)(4相对运动为层流返回华南理工大学化工原理电子课件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。返回华南理工大学化工原理电子课件3、离心分离因数重力离心力重力加速度离心加速度gagruuuKTtr/2C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。返回华南理工大学化工原理电子课件3.3.4离心沉降设备气固旋风分离器液固旋液分离器返回华南理工大学化工原理电子课件旋风分离器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。B净化气体含尘气体AD1A=D/2S1B=D/4H1D1=D/2DH1=2DHH2=2DS1=D/8H2D2D/4D2尘粒图3-19旋风分离器的尺寸及操作原理图旋风分离器尺寸及操作原理示意图（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）顶部中央排气口返回华南理工大学化工原理电子课件颗粒器壁与气流分离，滑落离心力返回华南理工大学化工原理电子课件41返回华南理工大学化工原理电子课件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、旋风分离器的性能返回华南理工大学化工原理电子课件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：返回华南理工大学化工原理电子课件假设：（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）m2i2r18rudupp颗粒沉降速度返回华南理工大学化工原理电子课件〖说明〗D↑或B=D/4↑，则dC↑，η↓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。多级旋风分离器V↑或ui↑，则dC↓，η↑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