非均相物系分离

非均相物系分离1、概述2、颗粒沉降3、过滤4、过程强化与展望第一节：概述混合物分类非均相物系均相物系一种物质以分子、离子状态均匀分散在另一种物质中。有明显相界面；不同相间有明显的物理化学性质差异。悬浮液（固-液混合物）、乳浊液（液-液混合物）、含尘气体、含雾气体（固-液、固-气混合物）通过施加适当外力使两相间发生相对运动，实现非均相混合物的分离。机械分离的两种操作方式离心过滤真空过空加压压过重力过力过滤分离离心沉降重力沉力沉降分离一、非均相物系分离在工业上应用1回收有价值的分散物质2净化分散介质以满足生产工艺要求3环境保护和安全生产二：颗粒及颗粒群的特性一、颗粒的特征1、球形颗粒颗粒最基本的特征就是其形状和大小。对于球形颗粒仅用直径就可以说明颗粒的大小，而对于非球形颗粒，由于难以用单一参数说明，常将它与球形颗粒相对比来表示其特征。d:直径36:dV体积2:ds表面积da6:比表面积2、非球形颗粒工业上遇到的固体颗粒大多是非球形颗粒，它不像球形颗粒那样容易求出体积、表面积和比表面积，但可用当量直径和球形度来表示其特征。PSSs程度。形状与球形颗粒的差异球形度：表示实际颗粒表面积当量直径：体积当量直径：Pes3PeSd6Vd由于体积相同的形状不同的颗粒中，球形颗粒表面积最小，所以任何非球形颗粒的球形度均小于1，其值越小，说明颗粒与球形颗粒差别越大S----与实际颗粒体积相等的圆球的表面积；SP----颗粒的实际表面积颗粒群的特性2）颗粒的平均粒径常用方法是平均比表面积直径法。由大小不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。1）颗粒群粒径分布颗粒群的粒度组成情况即粒径分布。可用筛分分析法测定各种尺寸颗粒所占的分率。niiidxd1a1xi＝GGi式中da—平均比表面积直径；di—筛孔平均直径；xi—di粒径范围内颗粒的质量分数3）颗粒的密度颗粒的真密度：当不包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m3。堆积密度（表观密度）：当包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，4）颗粒的粘附性和散粒性第二节：颗粒沉降一、颗粒在流体中的沉降过程颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：质量力F＝ma、浮力Fb=Vp.ρ.a、、曳力Fd=ξ.Aρu2/2。对于一定的颗粒和流体，重力Fg、浮力Fb一定，但曳力Fd却随着颗粒运动速度而变化。当颗粒运动速度u等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零0dbFFFF二：重力沉降及设备自由沉降：颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁的影响，称为自由沉降。对单个球形颗粒受力分析：maFFFbdg合外力沉降两个阶段：加速段和等速段，加速段时间很短，整个过程可以忽略；等速段的颗粒相对于流体的速度称为沉降速度用ut表示，也称终端速度。浮力Fb曳力FD质量力Fc颗粒在流体中沉降时受力cssadgd3366或gd36AutD22沉降速度：22334266dugdgdts34gdupt浮力Fb曳力FD质量力Fc颗粒在流体中沉降时受力cssadgd3366或gd36AutD22其中ξ是颗粒沉降时的阻力系数。并且ξ是颗粒对流体作相对运动时的雷诺数Ret的函数)()(tetdufRf阻力系数ζ根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：滞流区或斯托克斯定律区（10-4Ret2)tRe24过渡区或艾仑定律区（2Ret103）6.0Re5.18t湍流区或牛顿定律区（103Ret2×105）44.0将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒雷诺数范围内ut的计算式：滞流区18)(2gdust过渡区6.0Re)(27.0tstgdu湍流区gdust)(74.1影响沉降的因素1．颗粒的体积浓度1、颗粒形状：球形度越小，沉降速度越小。2、干扰沉降：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，当颗粒浓度较高时便发生干扰沉降，由于干扰作用，大颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度；小颗粒的沉降速度增大。3、当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，否则需加以考虑由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。在Stokes区，器壁的影响：Dduutt1.21'沉降速度的计算1试差法假设沉降属于某一流型计算出Ut检验Ret是否满足条件不一致一致问题得解按算出的Ret重选流型例：一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，试求其沉降速度。解：由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，smgduPpt/145.0)10005.1(2.9982.9982500001.081.9153.0153.04.1/16.034.06.14.1/16.04.06.1校核流型，Re=dPutρ/μ=10-3×0.145×998.2/0.001005=144故属于过渡区，与假设相符。当已知沉降速度，求颗粒直径时，也需要试差计算重力沉降设备1、降尘室停留时间uLt沉降时间tuhttuhul或若则表明，该颗粒能在降尘室中除去。气体气体进口出口集灰斗降尘室LB气体uHut颗粒在降尘室中的运动（2－21）沉降室的生产能力气体通过水平降尘室的速度为hbVsu（2－22）式（2－21）带入（2－22）得：ttsuABLuBHuV底生产能力可见：降尘室生产能力与底面积、沉降速度有关，而与降尘室高度无关注意：降尘室中气速不易过大，应保证气体在滞留区流动，以防止气体湍流将以沉淀的尘粒重心卷起，一般控制流速在1.5-3m/s。LuB气体utH颗粒在降尘室中的运动思考：降尘室为什么要做成扁平的？注意：1、Vmax=BLut中，ut应根据需要分离下来的最小微粒计算；2、u不能过高，以免使已沉降的微粒重新飞扬。3、特点：降尘室结构简单，阻力小，但体积大，实际净制气体的程度低，只适用于分离直径在75μm以上的粗粒，一般作预除尘器使用。例:用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.779kg/m3，粘度为2.53×10-5Pa.s，流量为5.0×104m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求粉尘的粒径。解：smBLVuSt/11.155.23600/100.54假设沉降处于过渡区：4.51053.2779.110.11058.1Re1581058.1779.0200081.91053.2779.0153.011.1153.03446.1/16.054.04.16.1/16.04.04.1tptptpudmmgud校核流型：属于过渡区，与假设相符。例用总高4m、宽1.7m、长4.55m的重力降尘室分离空气中的粉尘。中间等高安排39块隔板，每小时通过降尘室的含尘气体为2000m3，在气体的密度为1.6kg/m3(均标况)，气体温度为400℃，此时粘度为3×10-5Pa·s，粉尘的密度为3700kg/m3。①此降尘室能分离的最小尘粒的直径；②除去6μm颗粒的百分率。解：①已知：H，B，n，V0，ρ0，t,μ，ρp求：dptSPptSNBLuVgdumKgTTsmV18/649.04002732736.1/369.13600/273400273200023003假设沉降处于层流区：mmNBLVgdSpP11.81011.8407.155.481.9649.03700369.1103181186521075.7103649.01022.41011.8Re/1042.418Re453632tPptdusmgdu：验证∴假设成立，dP=8.11μm。②d=6μm由上可知沉降属于层流区停留时间：θ=L/u=4.55×1.7×4/1.369=22.60s%541.0054.01.0404054.06.221042.2'/1042.218332除去百分率：每层高度：内沉降的高度：在沉降速度：mhmuhsmgdutPpttStSNBLuVBLuV要点：用来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体3沉降槽（1）悬浮液连续送入，底流由耙集拢后由泄渣口排出，溢流由溢流槽连续流出。（2）可用于增稠悬浮液，也可澄清液体（3）产量与质量：清液产量取决于增稠器的面积（即直径）——VS=blut稠浆浓度与微粒在器内停留而被压紧的时间有关（4）tr≧ts=H/ut，微粒停留时间取决于进口管以下增稠器的深度H（5）适用场所：处理量大、浓度不高、微粒不太细微的悬浮液（6）特点：设备构造简单，处理量大，操作连续化、机械化，但设备庞大（7）生产上为了使设备紧凑、节省地面，将3、5个增稠器垂直叠放，各自单独操作，共用中心转轴。三：离心沉降及设备当分散相与连续相密度相差较小、颗粒较细时，利用离心力的作用，使固体颗粒沉降速度加快，达到分离的目的。一、离心沉降速度离心加速度uT=2r=uT2/r不是常量ABurr1OCr2ruTu颗粒在旋转流场中的运动Rudutpr342对照重力场34gdupt与重力沉降的比较：沉降速度的大小、方向2466222323rttsudFdRudFbRudFc阻力：向心力：离心力：离心分离因子离心分离因子是离心分离设备的重要指标参数，Kc值越高，离心沉降效果越好。KcRguuuTtr2二：离心分离设备1、旋风分离器1）构造及操作原理旋风分离器是得用惯性离心力有作用从气流中分离出尘粒的设备，其外旋流的上部是主要的除尘区。B净化气体含尘气体AD尘粒标准型旋风分离器2）旋风分离器的性能（1）临界直径：能100%分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。其满足：停留时间θ＝沉降时间θt。几点假设：1、假设气体速度恒定，且等于进口气速ui；2、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；3、假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。沉降时间:rtuBmiscmscrRudRudu1818)(2222而iemuNR2停留时间22182iscmimudBRuNRsicNuBd9各式中：ui—含尘气体进口速度；Rm—颗粒平均旋转半径；B—旋风分离器进口宽度；N—气体的旋转圈数（标准旋风分离器N取为5）减小旋风分离器直径降低旋风分离器的操作温度提高操作流速增大颗粒密度改变旋风分离器类型，增大有效圈数dc减小，分离效果更好，但有些因素有双重影响提高分离效果的措施3）旋风分离器的分离效率分离效率是衡量气流在旋风分离器内净化程度的指标。总效率：被旋风分离器除掉的总的颗粒质量占进口含尘气体中全部颗粒质量的分率1201cccc1、c2分别为进、出口气体中颗粒的质量浓度(g/cm3)。通常工业上用总效率表示旋风分离器的效率。分效率（粒级效率）：入口气体中某一粒级di的颗粒被旋风分离器除掉的分率121iiiicccci1、ci2分别为进、出口气体中平均粒径为di的颗粒的质量浓度。0iixxi为进口气体中粒径为di的颗粒的质量分率。4）旋风分离器的阻力损失旋风分离器的特点：流量大、压头低。(1)气体的膨胀或压缩引起的不可逆机械能损失；(2)消耗于气流旋转的加速度损失；(3)摩擦阻力损失以及各个部位的局部阻力损失等。有理论或半理论式，但工程上主要采用经验公式：212ipu阻力系数主要由旋风分离器的结构决定。同一结构型式、不论其尺