化工原理 第三章 概述、重力沉降

2022/5/20第一节概述1、混合物的分类2、非均相物系的特点3、非均相物系的组成4、非均相物系的分离方法第二节重力沉降1、沉降速度2、沉降设备3、悬浮液的沉聚第三章沉降与过滤2022/5/20一、混合物的分类工业上一般按相态将混合物可分为均相物系（即均相混合物）与非均相物系（即非均相混合物）。【均相物系】分散得十分均匀，达到分子分散水平的物系。如：乙醇—水溶液，空气等。【非均相物系】含有二个或二个以上的相的混合物。第一节概述2022/5/20【非均相物系的主要种类】【固体混合物】二种或二种以上不同固体物质的混合物，如各种矿石；【固液混合物】如液相反应产生固体沉淀形成的悬浮液，泥浆等；【固气混合物】如燃煤锅炉烟道气；【液液混合物】如乳浊液（油水混合物）；【液气混合物】如水雾。2022/5/20二、非均相物系的特点（1）体系内包含一个以上的相；（2）相界面两侧物质的性质（物理性质，如密度等）完全不同；【例如】如由固体颗粒与液体构成的悬浮液、由固体颗粒与气体构成的含尘气体等。2022/5/20三、非均相物系的组成【分散相】处于分散状态的那种物质的状态；【分散物质】处于分散状态的那种物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡。【连续相】包围着分散相物质且处于连续状态的流体；【连续相介质】气态非均相物系中的气体，液态非均相物系中的连续液体。2022/5/20悬浮在水中的固体颗粒【问题】指出分散相、连续相、分散物质和连续介质分别是什么？2022/5/20四、非均相物系的分离方法一般可用机械方法加以分离，故又称机械分离。常用的机械分离方法有：（1）沉降分离法；（2）过滤分离法；（3）液体洗涤（湿法）分离法；（4）静电除尘法；（5）惯性力除尘法。【说明】需根据分离对象确定分离方法。2022/5/20五、非均相物系分离的作用（1）回收分散物质；（从催化反应器中回收催化剂颗粒）（2）净制连续介质；（二氧化硫气体除尘）（3）保护环境。（污水处理、除去烟道气中的粉尘等）2022/5/20催化剂再生器催裂化反应器分馏塔澄清罐催化裂化工艺流程图旋风分离器旋液分离器2022/5/20焙烧炉降尘室旋风分离器电除尘器泡沫塔硫铁矿空气去转化器二氧化硫除尘净化工艺流程简图2022/5/20污水处理工艺流程图2022/5/20六、颗粒与流体相对运动时所受到的阻力1、三种相对运动形式流体与固体颗粒之间的相对运动可分为以下三种情况：【绕流】颗粒静止，流体运动；【沉降】流体静止，颗粒运动；【颗粒与流体都运动】颗粒运动，流体运动。2022/5/20颗粒静止，流体对其做绕流流体运动方向2022/5/20固体颗粒运动方向2022/5/20流体运动方向固体颗粒运动方向2022/5/202、阻力的两种类型——表皮阻力和形体阻力【表皮阻力】当颗粒速度很小时，流体对球的运动阻力主要是粘性摩擦，所产生的阻力（曳力）；2022/5/20【形体阻力】当颗粒速度较大时，便有旋涡出现，即发生边界层分离，所产生的阻力（曳力）。颗粒受到流体的总阻力Fd＝表皮阻力＋形体阻力P1P221PP2022/5/20udFpd3阻力Fd与流体密度ρ、粘度μ、相对运动速度u有关，而且受颗粒的形状与运动方向的影响，问题较为复杂。至今，只有几何形状简单的少数情况才可以得到理论计算式。3、阻力的计算【例如】粘性流体对球体的低速绕流（也称爬流）时,可用斯托克斯（Stokes）公式计算，即：2022/5/20当流速较高时，Sokes定律不成立。因此，对一般流动条件下的球形颗粒及其其他形状的颗粒，Fd的数值尚需通过实验解决。对球形颗粒，经分析并整理后可得：22duAF式中ζ——形状阻力系数；A——颗粒在运动方向上的投影面积；u——颗粒与流体的相对运动速度。——阻力计算的经验公式2022/5/204、阻力（曳力）系数ζ【规律】目前尚无法通过理论分析获得阻力系数计算关系式，但大量的实验证明：阻力（曳力）系数ζ是雷诺数及球形度的函数，即：)(Re,sf【获取方法】当球形度一定时，阻力（曳力）系数ζ获取方法有如下两种：（1）查取ζ－Re关系曲线图；（2）使用经验公式。2022/5/20ζ－Re关系曲线图层流区过渡区湍流区球形度）(psSS2022/5/20有关说明（1）此处的雷诺数Re是指：udPRe计算Re时，dP应为足以表征颗粒大小的长度（特性尺寸），对球形颗粒而言，就是它的直径。（2）此处的区域（如层流区）范围与流动型态的区域范围并不相同。2022/5/20【阻力系数ζ计算的经验公式】【应用前提】球形颗粒。根据不同的雷诺数范围（区域）内的阻力系数ζ的变化情况，可用如下经验公式计算阻力系数ζ：（1）层流区：10－4＜Re＜2，Sokes定律区Re242022/5/20（3）湍流区：500＜Re＜2×105，Newton定律区44.0（2）过渡区：2＜Re＜500，Allen定律区Re102022/5/20阻力系数ζ计算的经验公式层流区过渡区湍流区Re1044.0Re242022/5/20第二节重力沉降一、什么是沉降？【定义】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。分类重力离心力重力沉降离心沉降2022/5/20二、沉降速度1、球形颗粒的自由沉降速度（1）什么是自由沉降【定义】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在互不接触、互不干扰的条件下沉降。2022/5/20（2）自由沉降速度基本计算式重力场中，球形颗粒作自由（向下）沉降时，颗粒的受力情况：设颗粒的密度为ρP，直径为dP，流体的密度为ρ，则：gdFPPg36gdFPb36242222uduAFPd2022/5/20当颗粒在流体中做匀速运动（a＝0）时，颗粒所受合力为零，即：024662233udgdgdPPPP由此可解出沉降速度：34PPtgdu——沉降速度基本计算式2022/5/20有关说明（1）颗粒从静止开始作沉降运动时，分为加速和匀速两个阶段；（2）加速度为零时颗粒便作匀速运动，其速度称为沉降速度。（3）对于小颗粒，加速阶段时间很短，通常忽略，可以认为沉降过程是匀速的。2022/5/20（3）各种情况下的自由沉降速度计算式①层流区：(Re＜2）Re24182PPtgdu——斯托克斯（Stokes）定律【说明】沉降操作中所涉及的颗粒一般都很小，通常Re在2以内，故该式很常用。34PPtgdu2022/5/20②过渡区（Allen区）2＜Re＜500Re10代入沉降速度基本计算式后可得到：PPtdgu3/122225)(4——阿伦（Allen)公式2022/5/20③湍流区（Newton区）500＜Re＜2×10544.0代入沉降速度基本计算式后可得到：)(74.1)(03.3PPPPtgdgdu——牛顿（Newton）公式2022/5/20（4）自由沉降速度的影响因素颗粒的密度ρP颗粒的直径dP流体的密度ρ流体的粘度μ182PPtgdu2022/5/20（5）自由沉降速度计算的具体方法①如果事前能够上确认沉降处在哪个区，则直接就用该区的公式进行计算；②如果不能确定流动处在哪个区，可采用两种方法：【试差法】A.假定流动所在的区域；B.用相应的公式计算沉降速度ut；C.计算雷诺数Re是否与假定条件一致（验算），否则重新假定。2022/5/20ArAr6.018Re23gdArPP【准数判别法】如果不能确定流动处在哪个区，亦可采用以下方法先确定区域。通过实验整理数据可得到：其中：——阿基米德准数2022/5/20（1）根据已知条件计算Ar；（2）然后计算Re；（3）根据Re确定区域；（4）选用相应的计算公式计算出沉降速度。【准数判别法的具体计算步骤】2022/5/20【解】（1）在20℃水中的沉降。由于不知沉降处在哪个区，故用试差法计算；先假设颗粒在层流区内沉降，用斯托克斯公式计算：182gduPPt【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。2022/5/20附录查得，水在20℃时ρ＝998.2kg/m3，μ=1.005×10-3Pa.s)/(10797.910005.11881.92.998300010953326smut－核算流型：29244.010005.12.99810797.91095Re336tpud故原假设层流区正确，求得的沉降速度有效。2022/5/20（2）在20℃的空气中的沉降用阿基米德准数判断沉降区域：查得20℃空气：ρ=1.205kg/m3，μ=1.81×10-5Pa.s①计算阿基米德准数：8.921081.181.9205.13000205.11095()(253623＝）（）－（）－－gdArPP2022/5/20③据阿伦公式：PPtdgu3/122225)(4④由此可知，沉降速度为：)/(845.010951081.1225205.1300081.9463/1522smut＝）－（－－②计算雷诺准数：9.38.926.0188.926.018ReArAr由于2＜Re＜500，故知沉降处在过渡区。2022/5/203、非自由沉降速度的确定（1）颗粒的体积浓度（分数）在前面介绍的各种沉降速度关系式中，当颗粒的体积浓度（分数）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。【注意】干扰沉降速度比自由沉降速度小。2022/5/20（2）器壁效应容器的壁面会增加颗粒沉降时的曳力，使实际颗粒的沉降速度较自由沉降时的计算值要小。当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时（例如在100倍以上），器壁效应可忽略，否则需加以考虑。并按下式进行修正：Dduuptt1.21'2022/5/20（3）颗粒形状的影响如果颗粒是非球形的，可采用两种方法处理。【方法一】①根据球形度及雷诺数查取阻力系数ζ；②用沉降速度基本计算式计算沉降速度。34PPtgdu2022/5/20【说明】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。非球形颗粒的表面积的球形颗粒的表面积与非球形颗粒体积相等s2022/5/20仍采用球形颗粒的公式计算沉降速度，但所有计算中的颗粒直径dp要用当量直径dpe代替。如：36pePdV36PpeVd故非球形颗粒的当量直径为：——颗粒的体积【方法二】【非球形颗粒的当量直径】182PPetgdu2022/5/20二、重力沉降分离设备1、分级器——将密度不同的颗粒分离的设备【分离原理】利用不同密度的颗粒在流体中的沉降速度不同这一原理来实现它们之间的分离。【分离对象】不同种类（密度不同）的固体颗粒，工业上的选矿便是利用此原理。2022/5/20选矿工艺流程图2022/5/20【说明】1、2、3号分级器直径逐渐增大而三者中上升水流量均相同，所以水在三者中流速逐渐减小。【分级器的结构】2022/5/20（1）将沉降速度（密度）不同的两种颗粒倾倒到向上流动的水流中；（2）水的速度调整到在两者的沉降速度之间；（3）沉降速度（密度）较小的那部分颗粒便被漂走分出，沉降速度（密度）较大的则被截留下来。【分级原理】2022/5/20【例如】石英和方铅矿的混合球形颗粒在水力分级器中进行分离。两者的密度分别为2650kg/m3和7500kg/m3。纯方铅矿方铅矿及大颗粒石英小石英颗粒2022/5/201232022/5/20面粉分级器工艺流程图【说明】利用面粉颗粒大小与蛋白质含量之间的关系，将面粉按蛋白质含量高（低颗