化工原理第三章第一节讲稿

2020/2/14第三章非均相物系分离第一节概述2020/2/14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2020/2/14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2020/2/14混合物均相气态空气、天然气液态乙醇—水、石油非均相气—固烟道气气泡—液体气—液雾滴—气体液—固泥水、硫铵+母液液—液牛奶、油—水固—固煤矸石、金属矿2020/2/141、回收分散物质，如从母液中分离出晶粒；如从催化反应器出来的气体中，往往带有催化剂颗粒，必须把这些有价值的颗粒回收利用。2、净化分散介质，如除去含尘气体中的尘粒；合成氨生产，半水煤气中含有、灰尘等杂质，为了防止合成触媒中毒，必须将这些杂质一一去除，以保证触媒的活性。3、劳动保护和环境卫生等；对三废：废气、废液、废渣的处理，地球由于被污染加剧,环保越来越受到人们的重视。综上所述,非均相物系分离的目的是除害收益。非均相物系分离的目的2020/2/141）重力沉降：微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。2）离心分离：利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。亦称离心沉降。此法适用于较细的微粒悬浮体系。3）过滤：使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。4）湿法净制：使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。5）电除尘：使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。常用分离方法2020/2/14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二节重力沉降2020/2/14一、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，2020/2/14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2020/2/14adudgdgdss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2020/2/142、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2020/2/146.0Re5.18t6.0Re269.0tgdust——艾伦公式c)滞流区或牛顿定律区（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）2020/2/143、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。Dduutt1.21'2020/2/143）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。2020/2/144、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2020/2/1422222Re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2020/2/142020/2/14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69.12020/2/14二、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2020/2/142020/2/14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。2020/2/143、降尘室的计算降尘室的计算设计型操作型已知气体处理量和除尘要求，求降尘室的大小用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时，计算可以完全除掉的最小颗粒的尺寸，或者计算要求完全除去直径dp的尘粒时所能处理的气体流量。2020/2/14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？2020/2/14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2020/2/14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2020/2/14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'HH2020/2/144、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