化工原理第三章非均相物系的分离

第三章非均相物系的分离混合物均相混合物非均相混合物溶液：混合气体：精馏、萃取吸收、吸附气态非均相液态非均相含尘气体含雾气体悬浮液乳浊液泡沫液沉降过滤分散相(被分散物质)连续相(分散介质)一、混合物的分类第一节概述二.非均相物系的分离依据：按运动方式的不同沉降settling过滤filtration分散相运动连续相静止分散相静止连续相运动利用连续相和分散相物理性质上的差异，在外力的作用下使两者发生相对运动，实现分离——机械分离操作1)回收有用物质(分散物质)如从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作为2)净化物料及分散介质如除去催化反应中原料气中尘粒等杂质，以保证催化剂的活性。3)环境保护烟道气的排放、废液的排放都要求其固含量达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污染三、分离目的：第二节颗粒及颗粒床层的特性1、单一颗粒特性（1）球形颗粒若d为球形颗粒的直径m体积v=(π/6)d3m3表面积s=πd2m2比表面积a=s/v=6/d1/m一、颗粒的特性（形状，体积和表面积）①体积当量直径de：与非球形颗粒体积相等的球的直径。de=(6vp/π)1/3②形状系数ψs：与非球形颗粒体积相等的球的表面积与该颗粒表面积之比。ψs=s/sp式中：vp为非球形颗粒的体积。Sp为非球形颗粒的表面积。（2）非球形颗粒1）粒度分布（粒径分布）定义：不同粒径范围内所含粒子的个数或质量。测定方法：筛分分析2、颗粒群的特性常用名词1.标准筛:一般使用的筛。有泰勒制，日本制，德国制及原苏联制等。我国用泰勒制。2.筛号:指沿丝线走向1英寸长具有的孔数。3.筛余量:截留在该筛面上的颗粒质量。4.筛过量:通过该号筛的颗粒质量。表1：石英砂的筛分数据编号筛号范围筛分直径d，μm质量分数x筛孔尺寸d，μm筛过量质量分数F1901.981（9号）10029/101.8160.041.651（10号）0.96310/121.5240.061.397（12号）0.9412/141.2830.241.168（14号）0.66514/161.080.220.991（16号）0.44616/200.9120.250.833（20号）0.19720/240.7670.160.701（24号）0.03824/280.6450.020.589（28号）0.01928/0.2950.010（无孔底盘）02）平均粒径以球形颗粒为例，121121nniianixxxxddddd二、颗粒床层的特性固定床：众多固体颗粒堆积而成的颗粒静止的颗粒层。1、床层空隙率ε：单位体积床层所具有的空隙体积。ε=（床层体积-颗粒体积）/床层体积床层空隙率一般在0.47至0.7之间波动。讨论：1-ε：床层中固体颗粒所占的体积操作时，ε也为滤饼中的液体分率d越大，ε越大；d越小，ε越小2、床层的比表面积ab：单位体积床层所具有的颗粒表面积。ab=(1-ε)a堆积密度：单位体积床层内固体颗粒的质量,真实密度：颗粒的密度。bs6bbsad3、床层各向同性:对于乱堆的床层，因各部位颗粒的大小、方向是随机的，当床层足够大或者颗粒足够小时，可以认为床层是均匀的，各局部区域的空隙率相等，床层是各向同性的。***床层内任一截面上空隙面积与截面总面积之比成为自由截面率推论：自由截面率在数值上等于空隙率。（各向同性床层）第三节沉降分离沉降分离：借助某种外力的作用，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过程。沉降方式:重力沉降作用力是重力离心沉降作用力是惯性离心力1.球形颗粒的自由沉降：一、重力沉降速度gdFsg36πρgdFb36π重力：浮力：s颗粒密度流体密度受力分析FgFbu重力Fg阻力Fd浮力FbuFd2)4π(22ρudFd阻力(dragforce)：颗粒的重力沉降运动基本方程式:maFFFdbg----牛顿第二定律①刚开始沉降：0ubgFF不变0dFa最大②开始沉降udFdbgFFFa③匀速沉降dbgFFFa＝0u增加至一定值时tuu自由沉降速度terminalvelocity24161612233tsudgdgdsmgdust/3)(4　　　自由沉降速度公式2)阻力系数t(Re,)(,)tssdutsudReut-沉降速度,m/sds-颗粒的粒径,mρ－流体的密度μ－流体的粘度Re245.010Re44.0球形颗粒：2104ReRe2418)(2gdust层流区——Stokes定律区过渡区5002Re5.010Re322225)(4stgdu——Allen定律区5102500Re湍流区——Newton定律区44.0gdust)(74.1　3)(4stgdutsudRe1)颗粒直径d:啤酒生产，采用絮状酵母，d↑→ut↑，易于分离和澄清。水净化，加入絮凝剂（明矾）。2)连续相的粘度：加酶：清饮料中添加果胶酶，使↓→ut↑，易于分离。增稠：浓饮料中添加增稠剂，使↑→ut↓，不易分层。3)两相密度差(s-)：3）影响沉降速度的因素(以层流区为例)18)(2gdust4)颗粒形状6)干扰沉降（hinderedsettling）：当非均相物系中的颗粒较多，颗粒之间相互距离较近时，颗粒沉降会受到其它颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降速度比自由沉降的小。5)壁效应(walleffect)：当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁效应。tu，，4）沉降速度ut的计算：试差法：摩擦数群法无因次判据法非试差法：　3)(4stgdu试差法：假设流型选择公式计算计算tRe验算tuRet＜1?24Ret18)(2gdust　3)(4stgdu层流例：求直径40μm球形颗粒在30℃大气中的自由沉降速度。已知ρ颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。解：设为层流，则：查30℃、0.1MPa空气：3mkg165.1sPa1086.1518)(2gdust校核：sm12.0Re0.31tdu(正确)5261086.118)165.12600(81.9)1040(摩擦数群法：已知d，求ut222222ReRe3)(43)(4tttttsstudduugdgdu223222224(4()3)e3Rsttstdguddgu标系中作图，标绘在双对数坐～以ttReRe2已知ut求dttttdudu1ReRe12234(4())e33Rststttuuggddu1ReRett以～作图，标绘在双对数坐标系中tRe由图中查得d或反算由tttuduRe-1t2tReRe或计算33233t233t2()K()Re118182.62()Re1.741.74100069.1K2.6269.1sststdgddgKKddguKKu令滞流区：湍流区：过渡区：已知d，求ut•无因次判据法322()4Re3stdg3232t32t22K'()18Re18'1()'0.0556'Re10001.74()1.74'3027.6K'0.0556~3027.6tsttsttsugduuKgKduuKgK令滞流区：湍流区：过渡区：已知ut求d雷诺数公式Re1Re2418)(2gdust层流区—Stokes定律区小结tsudRe2、重力沉降设备1）降尘室：利用重力沉降除去气流中颗粒的设备。集尘斗气体入口气体出口降尘室utu含尘气体净化气体沉降时间：ttHu停留时间：LuttuHuL分离条件：——降尘室使颗粒沉降条件降尘室工作原理:tuHuL)(HbVustsuHVHbLtsbLuV降尘室的生产能力:由此可见，降尘室的生产能力只与沉降面积及沉降速度有关，而与降尘室的高度无关。降尘室应设计成扁平形状，或在室内设置多层水平隔板，叫多层降尘室。临界粒径dc（criticalparticlediameter）：在某一Vs下,能100％除去的最小颗粒粒径,即：满足L/u＝H/ut条件的粒径当尘粒的沉降速度小，处于斯托克斯区时，临界粒径为blVgdssc)(1818)(2gdustutc=Vs/bl临界沉降速度粒径小于临界dc被除的百分数为：,dthhuH说明：2)某一粒径的粒子，只要满足则该粒径的粒子可以100％被分离,如不能满足该条件，该粒径的粒子只能部分被分离.t1)生产能力Vs只与沉降面积bL和待分离颗粒的沉降速度ut有关与H无关，所以设计降尘室时，应作成扁平形。3)气体在降尘室的沉降速度ut不宜过高,一般应保证处于层流区.以免干扰颗粒沉降，或把沉下来的尘粒重新卷起。一般u不超过3m/s.多层降尘室清洁气流含尘气流挡板隔板降尘室的生产能力：stNVbLu例:降尘室高2m,宽2m,长5m。气体流量为4m3/s,ρ为0.75kg/m3,μ为0.026cp。(1)求除尘的dc；(2)粒径为40um的颗粒的回收百分率？(3)如欲回收直径为15um的尘粒，降尘室应隔成多少层？解:(1))(bLVustctcsbLuVsm4.0524g)(udstcc18ctcudRem1097.75校核192.0计算有效设为层流沉降：18)(2gdusctc81.9)75.03000(4.010026.0183(2)由以上计算知，粒径为40um的颗粒必定在滞流区18)(2gdust32610026.01881.9)75.03000()1040(sm/1006.0气体在降尘室的停留时间551LsusmHbVus/122440um的颗粒在5s内的沉降高度mH503.051006.0'回收率252.02503.0'HH(3)如欲回收直径为15um的尘粒，18)(2gdustc32610026.01881.9)75.03000()1015(sm/01415.0tcsbLuVN层293.2801415.0104NHhm069.0292分类：间歇式和连续式沉降过程：第一阶段：沉降槽上部，颗粒浓度低，近似自由沉降；第二阶段：沉降槽下部，颗粒浓度大，属于干扰沉降。沉降速度：通常由实验来确定。利用重力沉降分离悬浮液的设备。2)沉降槽（增稠器）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。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=mg2TCuFmR作用力二、离心沉降惯性离心力场与重力场的区别1、沉降速度232322:6:642TsTruFdRuFdRuFdcbd离心力向外向心力向内阻力：向内24()3sTrduuRuruT离心分离因素Kc：同一颗粒同种介质下离心沉降速度与重力重力沉降速度之比2rTctuuKugR离心分离因数是表示离心力大小的指标KC越大，分离效能越高，高速离心机的Kc值可达1万以上。阻力系数：层流时24eR2218sTrduuR例如；当旋转半径R=0.4m，切向速度uT=20m/s时，求分离因数。2102TcuKgR