化工原理第三章讲稿-修改

2019/8/12第三章非均相物系分离一、概述二、颗粒及颗粒床层三、沉降分离四、过滤五、离心机六、固体流态化2019/8/12•1、了解重力沉降与离心沉降分离的原理及常见设备的基本结构；•2、掌握重力沉降与离心沉降设备的选型计算；•3、了解过滤设备的类型及基本特征；•4、了解过滤速度方程与过滤过程方程的推导与应用；•5、了解通过过滤实验及使用数据的处理获得过滤常数的测试方法；•6、了解过滤机生产能力的概念与计算；•7、了解固体颗粒流态化过程及流化床操作范围；•8、了解流化床主要特性及流化类型；•9、了解气流输送原理、压降计算及气力输送的类型及装置。2019/8/12清水沉降池在我国广大西部农村，农民不仅喝不上矿泉水、自来水，连大河的水也喝不上。只能喝小河沟里的水和小泥塘的水。水中含有许多泥沙，只好澄清后，才可用作饮用水和生活用水。泥沙在水中的澄清就是沉降。农民家里都有一个水缸，水缸就是一个沉降槽。黄河水由于含有较多的泥沙，在用于灌溉或其他生产过程时必须沉淀。2019/8/12一般家庭里，吃中药是传统而有效的治病方法。熬完中药之后，总要将药渣滤去，才可以喝。滤药渣，就是一个过滤操作。这就是我们生活中的沉降和过滤。滤药渣2019/8/12混合物均相混合物非均相混合物物系内部各处物料性质均匀而且不存在相界面的混合物。例如：互溶溶液及混合气体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的混合物。例如固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液不互溶液体构成的乳浊液液体颗粒和气体构成的含雾气体2019/8/12非均相物系分散相分散物质处于分散状态的物质如：分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡连续相分散相介质包围着分散相物质且处于连续状态的流体如：气态非均相物系中的气体液态非均相物系中的连续液体分离机械分离沉降过滤不同的物理性质连续相与分散相发生相对运动的方式分散相和连续相2019/8/12第三章非均相物系分离一、沉降速度1、球形颗粒的自由沉降2、阻力系数3、影响沉降速度的因素4、沉降速度的计算5、分级沉降二、降尘室1、降尘室的结构2、降尘室的生产能力第一节沉降分离一、重力沉降2019/8/12一、重力沉降沉降在某种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。作用力重力惯性离心力重力沉降离心沉降1、沉降速度1）球形颗粒的自由沉降设颗粒的密度为ρs，直径为d，流体的密度为ρ，2019/8/12重力gdFsg36浮力gdFb36而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变，可仿照流体流动阻力的计算式写为：22uAFd24dA对球形颗粒2422udFdmaFFFdbg2019/8/12adudgdgdss3223362466(a)颗粒开始沉降的瞬间，速度u=0，因此阻力Fd=0，a→max颗粒开始沉降后，u↑→Fd↑；u→ut时，a=0。等速阶段中颗粒相对与流体的运动速度ut称为沉降速度。当a=0时，u=ut，代入（a）式024662233tsudgdgd3)(4stdgu——沉降速度表达式2019/8/122、阻力系数ξ通过因次分析法得知，ξ值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数Ret的函数。对于球形颗粒的曲线，按Ret值大致分为三个区：a)滞流区或托斯克斯(stokes)定律区（10–4＜Ret1）tRe24182gdust——斯托克斯公式2019/8/122019/8/126.0Re5.18t6.0Re269.0tgdust——艾伦公式c)湍流区或牛顿定律区（Nuton）（103＜Ret＜2×105）44.0gdust74.1——牛顿公式b)过渡区或艾伦定律区（Allen）（1＜Ret103）2019/8/123、影响沉降速度的因素1）颗粒的体积浓度在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，但当颗粒浓度较高时，由于颗粒间相互作用明显，便发生干扰沉降，自由沉降的公式不再适用。2）器壁效应当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时，（例如在100倍以上）容器效应可忽略，否则需加以考虑。Dduutt1.21'2019/8/123）颗粒形状的影响psSS球形度对于球形颗粒，φs=1，颗粒形状与球形的差异愈大，球形度φs值愈低。对于非球形颗粒，雷诺准数Ret中的直径要用当量直径de代替。peVd3636PeVd颗粒的球形度愈小，对应于同一Ret值的阻力系数ξ愈大但φs值对ξ的影响在滞流区并不显著，随着Ret的增大，这种影响变大。2019/8/124、沉降速度的计算1）试差法假设沉降属于层流区方法：182stduutdutReRetRet＜1ut为所求Ret＞1艾伦公式求ut判断……公式适用为止2)摩擦数群法34stgdu由得234tsudg2019/8/1222222Retudt23234Regdst32gdks令3234Rekt因ξ是Ret的已知函数，ξRet2必然也是Ret的已知函数，ξ～Ret曲线便可转化成ξRet2～Ret曲线。计算ut时，先由已知数据算出ξRet2的值，再由ξRet2～Ret曲线查得Ret值，最后由Ret反算ut。duttRe2019/8/122019/8/12计算在一定介质中具有某一沉降速度ut的颗粒的直径，令ξ与Ret-1相乘，2213)(4RetstugξRet-1～Ret关系绘成曲线，由ξRet-1值查得Ret的值，再根据沉降速度ut值计算d。ttudRe无因次数群K也可以判别流型182gdust2318Regdst183K2019/8/12当Ret=1时K=2.62，此值即为斯托克斯区的上限牛顿定律区的下限K值为69.1例：试计算直径为95μm，密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20℃水中的自由沉降速度。解：1）在20℃水中的沉降。用试差法计算先假设颗粒在滞流区内沉降，182gdust附录查得，20℃时水的密度为998.2kg/m3,μ=1.005×10-3Pa.s2019/8/1232610005.11881.92.99830001095tusm/10797.93核算流型ttduRe33610005.12.99810797.910959244.01＜原假设滞流区正确，求得的沉降速度有效。2019/8/12二、重力沉降设备——（一）降尘室1、降尘室的结构2、降尘室的生产能力降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量，用Vs表示，m3/s。降尘室内的颗粒运动以速度u随气体流动以速度ut作沉降运动2019/8/122019/8/12颗粒在降尘室的停留时间ul颗粒沉降到室底所需的时间ttuHt为了满足除尘要求tuHul——降尘室使颗粒沉降的条件HbVusssVlHbHbVltsuHVlHbtsbluV——降尘室的生产能力降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积bl和颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度无关。2019/8/12例：拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1标m3/s，炉气温度为427℃，相应的密度ρ=0.5kg/m3，粘度μ=3.4×10-5Pa.s，固体密度ρS=400kg/m3操作条件下，规定气体速度不大于0.5m/s，试求：1．降尘室的总高度H，m；2．理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸；3.粒径为40μm的颗粒的回收百分率；4.欲使粒径为10μm的颗粒完全分离下来，需在降降尘室内设置几层水平隔板？2019/8/12解：1）降尘室的总高度HsmtVVS/564.2273427273127327330buVHS5.02564.2m564.22）理论上能完全出去的最小颗粒尺寸blVustsm/214.062564.2用试差法由ut求dmin。假设沉降在斯托克斯区2019/8/12gudst18min807.95.04000214.0104.3185m51078.5核算沉降流型1182.01014.35.0214.01078.5Re55ttdu∴原假设正确3、粒径为40μm的颗粒的回收百分率粒径为40μm的颗粒定在滞流区，其沉降速度smgdust/103.0104.318807.95.0400010401852622019/8/12气体通过降沉室的时间为：suHt12214.0564.2直径为40μm的颗粒在12s内的沉降高度为：muHt234.112103.0'假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的，则颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。直径为40μm的颗粒被回收的百分率为：%13.48%100564.2234.1'HH2019/8/124、水平隔板层数由规定需要完全除去的最小粒径求沉降速度，再由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。粒径为10μm的颗粒的沉降必在滞流区，smgdust/1041.6104.318807.95.0400010118362521tSbluVn1104.662564.233.32取33层板间距为1nHhm0754.0133564.22019/8/12沉降除尘室动画2019/8/12第三章非均相物系分离一、离心沉降速度二、旋风分离器操作原理三、旋风分离器的性能四、旋风分离器的结构型式与选用第二节离心沉降2019/8/12离心沉降：依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程适于分离两相密度差较小，颗粒粒度较细的非均相物系。惯性离心力场与重力场的区别重力场离心力场力场强度重力加速度gut2/R方向指向地心沿旋转半径从中心指向外周Fg=mgRumFtC2作用力2019/8/12一、离心沉降速度1、离心沉降速度ur惯性离心力=Rudts236向心力=Rudt236阻力=2422rud三力达到平衡，则：Rudts236Rudt23602422rud2019/8/12平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。Rudutsr342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：重力沉降速度基本上为定值离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在离心力场中的位置而变。2019/8/12阻力系数：层流时eR24Rudutsr2218同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为：cTtrKgRuuu2比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比称为离心分离因数。例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度ur=20m/s时，求分离因数。1022gRuKTc2019/8/12二、旋风分离器的操作原理2019/8/12旋风分离器动画2019/8/12三、旋风分离器的性能旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量，分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。1、气体处理量旋风分离器的处理量由入口的气速决定，入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在15～25m/s。旋风分离器的处理量hBuVi2019/8/122、临界粒径判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。临界粒径：理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。1）