第三章非均相混合物的分離3.1

1、第三章第三章 非均相混合物的分離非均相混合物的分離物系內(nèi)各處均勻，物系內(nèi)各處均勻， 如：溶液、混合氣體分離方法：如：溶液、混合氣體分離方法：蒸餾：分離苯蒸餾：分離苯-甲苯混合溶液甲苯混合溶液吸收：含有氨氣的混合空氣吸收：含有氨氣的混合空氣萃?。悍紵N和非芳烴的分離萃?。悍紵N和非芳烴的分離結(jié)晶：鹽水中提取固體鹽結(jié)晶：鹽水中提取固體鹽一、混合物的分類一、混合物的分類1. 均相混合物均相混合物物系物系2.非均相混合物（物系）非均相混合物（物系）由具有不同物理性質(zhì)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成由具有不同物理性質(zhì)的分散物質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)所組成的物系，有多個(gè)相界面。的物系，有多個(gè)相界面。分散相（分散物質(zhì)）分散相（分

2、散物質(zhì)） ：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)如：固體顆粒、液滴、氣泡（如煙道氣中的顆粒、如：固體顆粒、液滴、氣泡（如煙道氣中的顆粒、煉廠污水中的油滴）等。煉廠污水中的油滴）等。連續(xù)相（連續(xù)介質(zhì)）連續(xù)相（連續(xù)介質(zhì)） ：包圍分散相而處于連續(xù)狀態(tài)：包圍分散相而處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。的物質(zhì)。根據(jù)連續(xù)相狀態(tài)的不同，非均相混合物又可分為根據(jù)連續(xù)相狀態(tài)的不同，非均相混合物又可分為兩種類型：兩種類型：（2）：如懸浮液、乳濁液、泡：如懸浮液、乳濁液、泡沫液等。沫液等。一、混合物的分類一、混合物的分類非均相物系分離的基本方法非均相物系分離的基本方法沉降：沉降：顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)。顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)。 重力

3、沉降、離心沉降。重力沉降、離心沉降。過濾：過濾：流體相對(duì)于固體顆粒床層的運(yùn)動(dòng)。流體相對(duì)于固體顆粒床層的運(yùn)動(dòng)。 重力過濾、加壓過濾、真空過濾、離心過濾等。重力過濾、加壓過濾、真空過濾、離心過濾等。二、非均相混合物的分離二、非均相混合物的分離1）凈化氣體或液體。）凈化氣體或液體。 eg：原油脫水。：原油脫水。2）回收分散的顆粒物質(zhì)。）回收分散的顆粒物質(zhì)。 eg：回收催化反應(yīng)器中氣體夾帶的催化劑，循環(huán)應(yīng)：回收催化反應(yīng)器中氣體夾帶的催化劑，循環(huán)應(yīng)用。用。3）環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)。）環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)。 eg：工業(yè)：工業(yè)“三廢三廢”的處理。的處理。2. 非均相物系分離的目的非均相物系分離的目的二、非均相混

4、合物的分離二、非均相混合物的分離沉降是在沉降是在外力作用外力作用下使顆粒相對(duì)于流體下使顆粒相對(duì)于流體(靜止或運(yùn)動(dòng)靜止或運(yùn)動(dòng))運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的過程。運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的過程。重力沉降：分離顆粒較大的物質(zhì)重力沉降：分離顆粒較大的物質(zhì)按實(shí)現(xiàn)沉降的操作力不同按實(shí)現(xiàn)沉降的操作力不同3.1沉降沉降離心沉降：分離顆粒較小的物質(zhì)離心沉降：分離顆粒較小的物質(zhì)3.1.1 重力沉降重力沉降重力沉降是依據(jù)重力沉降是依據(jù)重力作用重力作用而發(fā)生的沉降過程。而發(fā)生的沉降過程。一般用于氣一般用于氣- -固混合物和懸浮液的分離。固混合物和懸浮液的分離。它是利用混合物中的它是利用混合物中的分散相（分散相（固體顆粒）的密固體顆粒）的密

5、度大于度大于連續(xù)相連續(xù)相的密度的密度而使顆粒沉降達(dá)到分離。而使顆粒沉降達(dá)到分離。重力：重力：36gsFmgdg 36bFdg 2242duFA pd 顆粒沉降過程受力顆粒沉降過程受力阻力：阻力：浮力：浮力： 浮力浮力 Fb 重重力力 Fg 顆粒在流體中沉降時(shí)受力 阻力阻力Fd3.1.1 重力沉降重力沉降一、一、 重力沉降速度重力沉降速度ut（球形顆粒的自由沉降）（球形顆粒的自由沉降） 232642suFdgddumd 合合合力：合力：F合合=重力重力-浮力阻力浮力阻力=ma對(duì)于一定的流體和顆粒，重力和浮對(duì)于一定的流體和顆粒，重力和浮力是恒定的，而力是恒定的，而阻力卻隨顆粒的降阻力卻隨顆粒的降落

6、速度而變落速度而變。 浮力浮力 Fb 阻力阻力 Fd 重重力力 Fg 顆粒在流體中沉降時(shí)受力 3.1.1 重力沉降重力沉降4 ()3tsdgu 顆粒的顆粒的自由沉降速度：自由沉降速度：即加速終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，又稱即加速終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，又稱終端速度終端速度ut等速沉降等速沉降:加速沉降加速沉降: 時(shí)間非常短，可以忽略。時(shí)間非常短，可以忽略。合外力為合外力為0。如何求解如何求解阻力系數(shù)阻力系數(shù) 232642suduFdgdmd 合合3.1.1 重力沉降重力沉降它們之間的關(guān)系通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得圖它們之間的關(guān)系通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得圖二、二、 阻力系數(shù)阻力系數(shù) Retduff 根據(jù)因次分析法可知

7、根據(jù)因次分析法可知: :層流區(qū)層流區(qū)過渡區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)a.當(dāng)當(dāng)0.0001Ret1.0時(shí)時(shí)）層流區(qū)或斯托克斯區(qū)層流區(qū)或斯托克斯區(qū)24 Ret 218tsudg b. 當(dāng)當(dāng)1Ret1000時(shí)時(shí)過渡區(qū)或艾倫區(qū)過渡區(qū)或艾倫區(qū)0.618.5 Ret 0.6()g0.27esttduR 對(duì)球形顆粒的曲線，按對(duì)球形顆粒的曲線，按Ret可大致分為幾個(gè)區(qū)，各可大致分為幾個(gè)區(qū)，各區(qū)都有相應(yīng)的關(guān)系式表達(dá)區(qū)都有相應(yīng)的關(guān)系式表達(dá):c. 當(dāng)當(dāng)1000Ret2105時(shí)時(shí)湍流區(qū)或牛頓區(qū)湍流區(qū)或牛頓區(qū)0 44. 1.74()tsugd 二、二、 阻力系數(shù)阻力系數(shù)三、三、 沉降速度的計(jì)算沉降速度的計(jì)算1 .給定介質(zhì)中顆粒

8、的沉降速度給定介質(zhì)中顆粒的沉降速度 ut的計(jì)算的計(jì)算 (已知已知d )試差法：試差法：先假設(shè)沉降屬于某一流型（如層流）先假設(shè)沉降屬于某一流型（如層流）tduRe 核對(duì)核對(duì)Re是否在原設(shè)的范圍內(nèi)是否在原設(shè)的范圍內(nèi)是是否否ut有效有效按算出按算出Re的另選流型，并改用相應(yīng)公式計(jì)算的另選流型，并改用相應(yīng)公式計(jì)算ut ，直到按，直到按求得的求得的ut 算出的算出的Re與所選公式的與所選公式的Re值范圍相符為止值范圍相符為止 218tsdgu 2. 給定介質(zhì)中顆粒粒徑給定介質(zhì)中顆粒粒徑 d 的計(jì)算的計(jì)算(已知已知ut）試差法：試差法：先假設(shè)沉降屬于某一流型（如層流）先假設(shè)沉降屬于某一流型（如層流）核對(duì)核

9、對(duì)Re是否在原設(shè)的范圍內(nèi)是否在原設(shè)的范圍內(nèi)是是否否d 有效有效按算出按算出Re的另選流型，并改用相應(yīng)公式計(jì)算的另選流型，并改用相應(yīng)公式計(jì)算d ，直到按求，直到按求得的得的d 算出的算出的Re與所選公式的與所選公式的Re值范圍相符為止值范圍相符為止 218tsdgu tduRe 根據(jù)非均相混合物的種類不同，主要有根據(jù)非均相混合物的種類不同，主要有降塵室降塵室和和沉降槽沉降槽。降塵室降塵室重力降塵室重力降塵室 3.1.2典型重力沉降設(shè)備及設(shè)計(jì)計(jì)算典型重力沉降設(shè)備及設(shè)計(jì)計(jì)算 集灰斗集灰斗 降塵室降塵室 1. 降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算氣體氣體 氣體氣體進(jìn)口進(jìn)口 出口出口 集灰斗集灰斗 降塵室降

10、塵室 L 氣體氣體 H 顆粒在降塵室中的運(yùn)動(dòng)顆粒在降塵室中的運(yùn)動(dòng) b1. 降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算 L 氣體氣體 H 顆粒在降塵室中的運(yùn)動(dòng)顆粒在降塵室中的運(yùn)動(dòng) Lu 停停留留時(shí)時(shí)間間：ttuH =：沉沉降降時(shí)時(shí)間間 t，則表明，則表明該顆粒能在降塵室中除去。該顆粒能在降塵室中除去。 = t ，則表明，則表明該顆粒剛好能完全除去。該顆粒剛好能完全除去。t ，則表明該顆粒不能除去。，則表明該顆粒不能除去。btVVHbLHAHuqq 分離條件：分離條件：VquHb 沉降時(shí)間沉降時(shí)間氣流平均停留時(shí)間氣流平均停留時(shí)間1. 降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算tHLuu VttqAuLbu 1）顆粒）

11、顆粒沉降速度沉降速度ut越大（即粒徑越粗或密度越大），越大（即粒徑越粗或密度越大），則相同的沉降室生產(chǎn)能力則相同的沉降室生產(chǎn)能力qv越大。越大。2）對(duì)于一定體積（容積）的沉降室，其生產(chǎn)能力）對(duì)于一定體積（容積）的沉降室，其生產(chǎn)能力qV與與沉降面積沉降面積bL成正比，而與沉降室成正比，而與沉降室高度高度H無關(guān)（無關(guān)（淺池原理淺池原理）。）。因此，降塵室多制成因此，降塵室多制成扁平型扁平型或或多層多層。結(jié)論結(jié)論1. 降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算若降塵室內(nèi)設(shè)置若降塵室內(nèi)設(shè)置n層層水平隔板，則多層降塵室的生水平隔板，則多層降塵室的生產(chǎn)能力變?yōu)椋寒a(chǎn)能力變?yōu)椋?. 降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算降塵室的設(shè)計(jì)計(jì)算清潔

12、清潔氣流氣流含塵含塵氣流氣流擋板擋板隔板隔板VttqAuLbu (1)VtqnLbu H時(shí)，根據(jù)時(shí)，根據(jù) t=uHuL 若若u不變，則不變，則L，生產(chǎn)能力，生產(chǎn)能力qV =Lbut；為保證生；為保證生產(chǎn)能力不變，必須產(chǎn)能力不變，必須b；降塵室變得短而寬降塵室變得短而寬，氣體進(jìn)入降，氣體進(jìn)入降塵室還未穩(wěn)定就離開降塵室了，氣體在降塵室內(nèi)的分布?jí)m室還未穩(wěn)定就離開降塵室了，氣體在降塵室內(nèi)的分布不均勻造成分離能力下降；所以在降塵室的前后均有不均勻造成分離能力下降；所以在降塵室的前后均有漸漸縮和漸擴(kuò)縮和漸擴(kuò)裝置；裝置；問題：降塵室生產(chǎn)能力與設(shè)備高度無關(guān)，問題：降塵室生產(chǎn)能力與設(shè)備高度無關(guān)，那么降塵室的高那

13、么降塵室的高度是否越小越好呢？度是否越小越好呢？ H時(shí)，根據(jù)時(shí)，根據(jù) t=uHuL 若若L不變，不變，u，生產(chǎn)能力不變；若流速太大，則沉降，生產(chǎn)能力不變；若流速太大，則沉降后的顆粒被后的顆粒被重新?lián)P起重新?lián)P起，分離效率分離效率，故應(yīng)保證氣體流動(dòng)維，故應(yīng)保證氣體流動(dòng)維持層流狀態(tài)，一般持層流狀態(tài)，一般u 3m/s，易揚(yáng)起的物料，易揚(yáng)起的物料 u 1.5m/s 。問題：降塵室生產(chǎn)能力與設(shè)備高度無關(guān)，問題：降塵室生產(chǎn)能力與設(shè)備高度無關(guān)，那么降塵室的高那么降塵室的高度是否越小越好呢？度是否越小越好呢？ 25/17結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡簡單單，但但設(shè)設(shè)備備龐龐大大、效效率率低低，只只適適用用于于分分離離粗粗顆顆粒粒-

14、直直徑徑 75 m以以上上的的顆顆粒粒，或或作作為為預(yù)預(yù)分分離離設(shè)設(shè)備備。降降塵塵室室重力沉降設(shè)備重力沉降設(shè)備3.3離心沉降分離離心沉降分離離心沉降：離心沉降：依靠慣性離心力的作用實(shí)現(xiàn)沉降的過程。依靠慣性離心力的作用實(shí)現(xiàn)沉降的過程。適于分離適于分離兩相密度差較小兩相密度差較小，顆粒粒度，顆粒粒度較細(xì)較細(xì)的非均相物系。的非均相物系。離心沉降效率較重力沉降效率高。離心沉降效率較重力沉降效率高。離心沉降離心沉降氣固非均相物質(zhì)氣固非均相物質(zhì)液固懸浮物系液固懸浮物系旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器旋液分離器或離心機(jī)旋液分離器或離心機(jī)離心力場(chǎng)中顆粒的受力平衡分析：離心力場(chǎng)中顆粒的受力平衡分析：326csFdr 慣性離

15、心力：慣性離心力：顆粒受流體浮力：顆粒受流體浮力：326fFdr 沉降阻力：沉降阻力：阻阻2242rduF 離心沉降速度離心沉降速度在等速沉降過程：在等速沉降過程：0=-阻阻FFFfCr1r2ArCBuruut24 ()3srdur 平衡時(shí)顆粒在徑向上相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度平衡時(shí)顆粒在徑向上相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ur便是它在便是它在此位置上的此位置上的離心沉降速度。離心沉降速度。 22320642rsdud r 采用離心沉降的采用離心沉降的顆粒較小顆粒較小，顆粒沉降一般處于，顆粒沉降一般處于層流區(qū)層流區(qū)，則，則 2218srdur 1.旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離器 b 凈凈化化氣氣體體 含含塵塵 氣氣體體

16、 A D 塵塵粒粒 標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器 旋風(fēng)分離器中一般進(jìn)行的是旋風(fēng)分離器中一般進(jìn)行的是氣氣- -固非均相物系固非均相物系的離心分離。的離心分離。由于在離心場(chǎng)中顆?？梢垣@得由于在離心場(chǎng)中顆粒可以獲得比重力大得多的離心力。比重力大得多的離心力。因此因此, ,對(duì)對(duì)兩相密度相差較小兩相密度相差較小或顆粒粒度較細(xì)或顆粒粒度較細(xì)的非均相物系，的非均相物系，利用離心沉降分離要比重力沉利用離心沉降分離要比重力沉降有效得多。降有效得多。 b 凈凈化化氣氣體體 含含塵塵 氣氣體體 A D 塵塵粒粒 標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器 含塵氣體清潔氣體排氣管排塵BB 含塵氣體以較高的含塵氣體以較高的線速度切向進(jìn)線速度切向進(jìn)入入器內(nèi)，

17、在器內(nèi)，在外筒外筒與與排氣管排氣管之間形成旋之間形成旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向下向下的的外螺旋流場(chǎng)外螺旋流場(chǎng)，到達(dá)錐底后以，到達(dá)錐底后以相同的旋向折轉(zhuǎn)相同的旋向折轉(zhuǎn)向上向上形成形成內(nèi)螺旋流場(chǎng)內(nèi)螺旋流場(chǎng)直至上部排氣管流出。顆粒在內(nèi)、外直至上部排氣管流出。顆粒在內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中均受離心力作用向器壁方旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中均受離心力作用向器壁方向拋出，在重力作用下沿壁面下落到向拋出，在重力作用下沿壁面下落到排灰口被排出。排灰口被排出。進(jìn)氣口形狀：進(jìn)氣口形狀：矩形矩形尺寸：尺寸：進(jìn)口管進(jìn)口管h、B；圓柱筒直徑圓柱筒直徑D (主要尺寸主要尺寸)；排氣口直徑排氣口直徑D1。進(jìn)氣進(jìn)氣排氣排氣出灰口出灰口B 臨界粒徑臨界粒徑dc能夠分離出

18、的顆粒大小是它的主要性能之一。能夠分離出的顆粒大小是它的主要性能之一。2.旋風(fēng)分離器性能旋風(fēng)分離器性能計(jì)算公式推導(dǎo)的計(jì)算公式推導(dǎo)的假設(shè)假設(shè)： a、顆粒與氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)的切線速度、顆粒與氣體在旋風(fēng)分離器內(nèi)的切線速度 ut 恒定，與所在恒定，與所在位置無關(guān)，且等于進(jìn)口處速度位置無關(guān)，且等于進(jìn)口處速度ui； b、顆粒沉降過程中所穿過的氣流最大厚度等于進(jìn)口寬度、顆粒沉降過程中所穿過的氣流最大厚度等于進(jìn)口寬度B； c、顆粒與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為層流。、顆粒與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為層流。 顆粒在旋風(fēng)分離器中能被完全分離，其沉降時(shí)間必須小于顆粒在旋風(fēng)分離器中能被完全分離，其沉降時(shí)間必須小于停留時(shí)間。停留時(shí)間。 臨

19、界臨界徑徑dct 停留時(shí)間停留時(shí)間沉降時(shí)間沉降時(shí)間顆粒能被完全分離，其沉降時(shí)間必須小于停留時(shí)間。顆粒能被完全分離，其沉降時(shí)間必須小于停留時(shí)間。 臨界臨界粒粒徑徑：當(dāng)：當(dāng)沉降時(shí)間沉降時(shí)間與與停留時(shí)間停留時(shí)間相等相等時(shí)所能時(shí)所能完全分離完全分離的顆粒直徑為最小直徑。的顆粒直徑為最小直徑。 設(shè)：氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)設(shè)：氣體旋轉(zhuǎn)圈數(shù) N（標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器可取標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器可取 N=5），則氣流運(yùn)行距離：則氣流運(yùn)行距離： Nrm2離心沉降時(shí)間：離心沉降時(shí)間： r=uBt徑向速度徑向速度imtm2=2=uNruNr旋轉(zhuǎn)半徑的平均值旋轉(zhuǎn)半徑的平均值停留時(shí)間：停留時(shí)間：()m222t2r18=18-=rudrudutss2s