第三章 第1次 非均相物系的分离-(颗粒及颗粒床层特性)

第三章非均相物系的分离重点：过滤和沉降的基本理论、基本方程难点：过滤基本方程的应用、过滤设备均相物系(honogeneoussystem):均相混合物。物系内部各处均匀且无相界面。如溶液和混合气体都是均相物系。自然界的混合物分为两大类：非均相物系(non-honogeneoussystem):非均相混合物。物系内部有隔开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有显著差异。如：悬浮液、乳浊液、泡沫液属于液态非均相物系，含尘气体、含雾气体属于气态非均相物系。一、概述分散相：分散物质。在非均相物系中，处于分散状态的物质。连续相：分散介质。包围着分散物质而处于连续状态的流体。1、对原料或产品进行分离与提纯2、回收与获取有用物质，提高产品产率3、去除有害物质，实现环保目的分离的目的非均相物系的分离原理：根据两相物理性质(如密度等)的不同而进行的分离。非均相物系的分离方法：由于非均相物的两相间的密度等物理特性差异较大，因此常采用机械方法进行分离。按两相运动方式的不同，机械分离大致分为沉降和过滤两种操作。1.沉降颗粒相对于流体(静止或运动)运动而实现悬浮物系分离的过程。沉降操作的作用力沉降离心沉降重力沉降重力惯性离心力2.过滤流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。依实现过滤操作的外力不同，过滤操作又可分为过滤操作的外力过滤重力过滤加压过滤真空过滤离心过滤重力压强差压强差惯性离心力1.球形颗粒36dVπ2Sdπ6SaVd比表面积体积表面积球形颗粒的尺寸由直径d确定。颗粒的特性（p128）一、单一颗粒特性m3m2m2/m3需要大小和形状两个参数来描述其特性。(1)体积当量直径实际颗粒的体积VP等于当量球形颗粒的体积V，则体积当量直径de定义为3ep6πdV(2)球形度sspSS颗粒的实际表面积与该颗粒体积相等的球体的表面积非球形颗粒s1球形颗粒s1，,m2.非球形颗粒3pe6πV=d2epsπdS=se6a=d比表面积体积表面积一、单一颗粒特性m3m2m2/m3非球形颗粒的特性参数，即（2）筛分分析2.颗粒群特性目数孔径μm目数孔径μm3468101420356680469933272362165111688334174865100150200270400295208147104745338泰勒标准筛（1）粒度分布不同粒径范围内所含粒子的个数或质量用标准筛测量颗粒粒度分布的方法称为筛分分析常用的是平均比表面积直径（体积表面积平均直径））（dwddwdipimSVipikimSV相邻两筛的筛孔平均值筛分直径量分率相邻两筛号间的颗粒质平均比表面积直径,,,,1,,-1（3）颗粒的平均直径定义：在某种力场的作用下，利用分散物质与分散介质的密度差异，使之发生相对运动而分离的单元操作。沉降操作分类：重力沉降、离心沉降。三、颗粒的沉降1.重力沉降在重力作用下实现的沉降过程。（1）沉降速度1.1球形颗粒的自由沉降自由沉降（freesettling）：单个颗粒在流体中沉降，或者颗粒群在流体中分散得较好而颗粒之间互不接触互不碰撞的条件下沉降。自由沉降分两个阶段---加速段和等速段球形颗粒等速沉降速度公式推导gdgVmgFppb36gdgVgmFpppppg36u重力Fg阻力Fd浮力Fb球形颗粒受力分析重力：浮力：2222'tuAAuAWApFtffd阻力：p为颗粒密度dtdummaFFFtdbg根据牛顿第二定律，颗粒的重力沉降运动基本方程式应为:dtdududgdtppppp3223624)(6等速沉降有：0dtdut08)(623tpppudgd即：整理得式：3)(4pptgdu球形颗粒等速沉降速度公式18)(2gduppttRe24（2）阻力系数ζ与沉降速度实用公式ζ—Ret曲线滞流区10-4Ret2有公式：可得斯托克斯（Stokes)公式：过渡区2Ret500有6.0Re5.18t714.06.04.06.16.0)(781.0Re)(269.0pptpptdgdu3)(4pptgdu得艾伦（Allen)公式求沉降速度湍流区500Ret2×105有44.0)(74.1pptgdu3)(4pptgdu得牛顿（Newton)公式)(74.1pptgdu18)(2gduppt湍流区滞流区过渡区714.06.04.06.1)(781.0pptdu不同流动形态下，球形颗粒等速沉降速度公式4、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①假设流体流动类型；②计算沉降速度；③计算Re，验证与假设是否相符；④如果不相符，则转①。如果相符，OK!2)摩擦数群法34stgdu由得234tsudg22222Re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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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℃的空气和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.s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。2）20℃的空气中的沉降速度用摩擦数群法计算20℃空气：ρ=⒈205kg/m3，μ=⒈81×10-5Pa.s根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型32gdKs32561081.181.9205.13000205.1109552.42.61＜K69.1，沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。4.16.04.14.04.114.16.14.11154.0stdgusm/619.03、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。Dduutt1.21'3）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。