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1第3章非均相物系的分离和固体流态化2主要内容3.1概述3.2颗粒及颗粒床层的特性3.3沉降分离3.4过滤3.5离心机(自学)3.6固体流态化3基本要求掌握单个颗粒、颗粒群、颗粒床层特性的表示方法;掌握重力沉降和离心沉降的基本原理、沉降速度的定义和基本表示方法;了解并熟悉降尘室、旋风分离器的结构特点、工作原理及其性能参数;掌握过滤的基本操作过程、典型的设备,熟练掌握恒压过滤的操作及计算;了解流化床的主要特征和操作范围;掌握数学模型法。4概述混合物的分类非均相混合物均相混合物无相界面,采用传质方法分离有相界面,采用机械方法分离:过滤、沉降悬浮液-----固-液混合物乳浊液-----液-液混合物含尘气体----气-固混合物含雾气体----气-液混合物5概述连续相分散相非均相物系中处于分散状态的物质。如悬浮液中的固体颗粒。包围分散质的处于连续状态的流体。如悬浮液中的液体。非均相物系分离的依据:分散相与连续相之间的物理性质的差异。如密度、颗粒外径等。非均相物系的分离方法:机械法,使分散质与分散相之间发生相对运动,实现分离。67概述非均相混合物分离的目的回收分散质,如从气固催化反应器的尾气中收集催化剂颗粒;净化分散介质,如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料,环保方面烟道气中煤炭粉粒的除去。环境保护与安全生产83.2.1颗粒的特性3.2.2颗粒床层的特性3.2.3流体通过床层流动的压降3.2颗粒及颗粒床层的特性91.单一颗粒的特性1)球形颗粒用粒径d(球形颗粒的直径)表示。比表面积表面积体积63dV2dSda/6m2/m3。m2m3单位体积颗粒具有的表面积101.单一颗粒的特性2)非球形颗粒用当量直径和形状系数表示。形状系数(球形度)体积当量直径与非球形颗粒体积相等的球形颗粒的直径。36peVd非球形颗粒体积表示颗粒形状与球形的差异psSS该颗粒体积相等的圆球的表面积,m2;颗粒的表面积,m2;φS≤1111.单一颗粒的特性2)非球形颗粒比表面积表面积体积36epdVsepdS2esda6122.颗粒群的特性1)粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。可采用泰勒标准筛通过筛分分析得到。料被截留在筛面上的尺寸大于筛孔尺寸的物料的量筛余量(筛上产品)筛过量(筛下产品)通过筛孔的尺寸小于筛孔尺寸的物料的量132.颗粒群的特性2)颗粒的平均粒径iiiiadxGGdd11平均比表面积直径,mi层筛网的筛余量筛分直径:i-1和i层筛网的平均孔径颗粒总质量质量分数143.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1颗粒的特性3.2.2颗粒床层的特性151.床层空隙率e床层体积床层体积-颗粒体积e影响因素:颗粒大小、形状、粒度分布、充填方式等。一般非均匀、非球形颗粒的乱堆床层:0.47~0.7。均匀的球体最松排列时:0.48,最紧密排列时:0.26。162.床层的比表面积ab单位体积床层中具有的颗粒表面积(即颗粒与流体接触的表面积),ab。用堆积密度表示用颗粒比表面积a表示如忽略床层中颗粒间相互重叠的接触面积):ddasbb)1(66e)1(eaab颗粒的堆积密度颗粒的真实密度173.床层的自由截面积定义:床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积对乱堆床层,各向同性,床层自由截面积与床层截面积之比等于空隙率;受壁效应影响,壁面附近床层空隙率大于床层内部。改善壁效应的方法通常是限制床层直径与颗粒直径之比不得小于某极限值。若床层的直径比颗粒的直径大得多,则壁效应可忽略。183.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1颗粒的特性3.2.2颗粒床层的特性3.2.3流体通过床层流动的压降191.床层的简化模型uL流体通过颗粒层产生压降的主要原因:1)粘性摩擦阻力2)形体阻力流体通过颗粒层的流动多呈爬流,无边界层脱体现象发生,流动阻力主要为粘性摩擦阻力,由颗粒层内固体表面积大小决定,而颗粒形状并不重要。201.床层的简化模型uuLLde流体在固定床内流动的简化模型(1)细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积;细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。(2)细管长度=床层高度L。假定(保证单位体积表面积相等):流体在固定床内流动的简化模型211.床层的简化模型润湿周边流通截面积4debVa4εV4b细管的全部内表面积细管的流动空间e1aabee14a床层体积细管的当量直径:222.流体通过床层压降的数学描述221udLpebf)1(4eeadeb压降真实流速uuLLdeb流体在固定床内流动的简化模型u1流体在固定床内流动的简化模型euu1uAAue1由质量守恒得:空床气速表观速度)232.流体通过床层压降的数学描述23')1(uaLpfee23)1(8uaLpfee'说明:λ′是模型参数,固定床的流动摩擦系数,须由实验检验和测定。243.模型参数的实验测定23')1(uaLpfeebKRee)1(Re1auudebb(1)康采尼实验结果:流速较低,床层雷诺数Reb2时:322)1(5eeuaLpf康采尼常数K′=5康采尼方程253.模型参数的实验测定(2)欧根实验结果:当Reb=0.17~330时,23')1(uaLpfee29.0Re17.4b32322)1(29.0)1(17.4eeeeuauaLpf)/(6esda26)()1(75.1)()1(15032232esesfduduLpeeeeReb20时,层流流动,上式右边第二项可忽略;Reb1000时,湍流流动,上式右边第一项可忽略。3.模型参数的实验测定(2)欧根实验结果:23')1(uaLpfee273.3沉降分离3.3.1重力沉降3.3.2离心沉降28概述沉降:悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向运动,从而实现与流体相分离,或者使颗粒相增稠、流体相澄清的一类操作。干扰沉降自由沉降离心沉降重力沉降主要讨论刚性颗粒的自由沉降。受其它颗粒或壁面影响沉降不受影响重力作用下沉降离心力作用下沉降291.沉降速度图3-1沉降颗粒的受力情况颗粒受到三个力重力浮力阻力S3gπ6Fdg3bπ6Fdg2d2uFA阻力系数或曳力系数301.沉降速度根据牛顿第二运动定律2323ssπππd()()6426duudgdd分析颗粒运动情况:加速度最大阻力加速度0utuuu加速度=0加速段匀速段加速段极短,一般仅考虑匀速段的运动。31沉降速度等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称为沉降速度。由于这个速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度,故又称为“终端速度”。tust4()3gdu1.沉降速度322.阻力系数μρduRtet),(Retf332.阻力系数on定律区)湍流区(牛顿Nuwtn区)过渡区(艾仑Alleokes定律区)层流区(斯托克斯St)(1Re104ttRe24182gdust)(1000Re1t6.0Re5.18t6.0Re27.0tstgdu)(200000Re1000t44.0stgdu74.134gdust343.影响沉降速度的因素34gdust1)流体的粘度滞流区湍流区过渡区表面摩擦阻力形体阻力353.影响沉降速度的因素34gdust2)颗粒的体积分数3)器壁效应4)颗粒形状体积分数大,发生干扰沉降,ut。由于器壁存在,ut,当容器尺寸大于颗粒尺寸100倍以上时,可忽略。非球形颗粒比等体积球形颗粒沉降速度小,φs,ut,36练习题目思考题1.描述非球形颗粒的参数有哪些?2.颗粒沉降分为哪两个阶段?沉降速度是指哪个阶段的速度?372.重力沉降设备—液固体系—沉降槽—气固体系—降尘室382.重力沉降设备1)降尘室气体气体进口出口集灰斗降尘室停留时间t沉降时间t若ultuH则表明,该颗粒能在降尘室中除去。思考1:为什么气体进入降尘室后,流通截面积要扩大?思考2:为什么降尘室要做成扁平的?lub气体utH颗粒在降尘室中的运动39lub气体utH颗粒在降尘室中的运动思考3:要想使某一粒度的颗粒在降尘室中被100%除去,必须满足什么条件?ttuHttuHul即底AgVlgHudsSs1818min182gdust思考4:能够被100%除去的最小颗粒粒径dmin=?40思考2:为什么降尘室要做成扁平的?注意:降尘室内气体流速不应过高,以免将已沉降下来的颗粒重新扬起。根据经验,多数灰尘的分离,可取u3m/s,较易扬起灰尘,可取u1.5m/s。可见:降尘室的生产能力与底面积、沉降速度有关,而与降尘室的高度无关。因此通常做成扁平状。多层降尘室ttsuAblubHuV底降尘室生产能力411)降尘室结构简单,但设备庞大、效率低,只适用于分离粗颗粒------直径75m以上的颗粒,或作为预分离设备。2.重力沉降设备422)沉降槽2.重力沉降设备利用颗粒的自然沉降实现分离,但由于分离效果差,一般得到含固体颗粒50%的增稠液,所以也叫增稠器。43生产能力:一般以澄清液溢出量(清液流量Q0)表示为了提高沉降槽的生产能力,可以采用向槽内添加絮凝剂的方法。常用的絮凝剂主要有:无机絮凝剂:石灰、硫酸、明矾、硫酸亚铁、苛性钠、盐酸和氯化锌等;天然高分子絮凝剂:有淀粉和含淀粉的蛋白质物质,如马铃薯、玉米粉、红薯粉及动物胶等;合成高分子絮凝剂:有离子和非离子型高分子聚合物,如聚丙烯酰胺、羰基纤维素和聚乙烯基乙醇等。2)沉降槽2.重力沉降设备443.3沉降分离3.3.1重力沉降3.3.2离心沉降451.惯性离心力作用下的沉降速度惯性离心力RudFTsc236向心力RudFTb236阻力2422rDudF对处于离心力场半径为R处的粒子受力分析:uruTuOR颗粒在旋转流场中的运动离心加速度ac=2R=uT2/R不是常量;沉降过程中只有加速段没有匀速段,但在小颗粒沉降时,加速度很小,可近似作为匀速沉降处理。maFFFDbc461.惯性离心力作用下的沉降速度离心沉降速度RuduTsr23)(4方向:沿半径向外;随位置而变,不是恒定值。颗粒实际运动速度在径向上的分量;对照重力场gdust34cTtrKgRuuu2离心分离因数数值约为几千~几万471.惯性离心力作用下的沉降速度RuduTsr23)(4tRe24RuduTsr2218离心沉降时,若颗粒与流体的相对运动处于滞流区(10-4Ret=dur/1),482.旋风分离器的操作原理用途:适用于含颗粒浓度为0.01~500g/m3、粒度不小于5m的气体净化与颗粒回收操作,尤其是各种气-固流态化装置的尾气处理。操作原理:含尘气体切向进入,向下螺旋运动,颗粒抛向气壁,由出灰口排出;气流形成外旋流和内旋流(气芯)由排气管排出。493.旋风分离器的性能停留时间=沉降时间t几点假设:a.假设气体速度恒定,且等于进口气速ui;b.假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大厚度等于进气口宽度B;c.假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。能够从分离器内100%分离出来的最小颗粒的直径,用dc表示。其满足:1)临界粒径:50iemuNR2停留时间3.旋风分离器的性能mismisrRudRudu1818)(2222而22182ismiemudBRuNRsiecuNBd9沉降时间rtuB平均旋转半径有效旋转圈数519BdNu
本文标题:机械分离和固体流态化
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