第三章-非均相物系分離

第三章非均相物系分離非均相物系：有隔開(kāi)兩相界面的存在且界面兩側(cè)的物料性質(zhì)又截然不同的體系稱為非均相物系。非均相物系分離舉例：1、液固非均相分離：柴油脫蠟2、液液非均相分離：原油脫水3、氣固非均相分離：氣態(tài)的油氣和催化劑顆粒分離本章主要介紹氣－固非均相物系的分離及液－固非均相物系的分離概述顆粒-流體非均相分離技術(shù)均基于顆粒與流體兩相性質(zhì)上的差異，如顆粒尺度差(過(guò)濾)和顆粒與流體的密度差(沉降)。第一節(jié)沉降1、球形顆粒一、單顆粒的特性體積：表面積：比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積沉降：借助某種外場(chǎng)力的作用，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離的過(guò)程。按外場(chǎng)力的不同，可分為重力沉降、離心沉降和電沉降等。B：面積當(dāng)量直徑：C：比表面當(dāng)量直徑：常用球形度Ψ表示，即與顆粒等體積的一個(gè)球的表面積與顆粒的表面積之比（2）形狀因數(shù)（1）當(dāng)量直徑2、非球形顆粒A：體積當(dāng)量直徑二、重力沉降重力沉降：利用流體中的固體顆粒受重力作用而自然沉降的原理，將顆粒和流體分離的過(guò)程。顆粒在靜止流體中的重力沉降主要包括以下兩類:自由沉降：任一顆粒的沉降不因流體中存在其它顆粒而受干擾。即顆粒彼此間相互獨(dú)立，互不影響。它發(fā)生在流體中顆粒稀疏的情況下實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：自由沉降速度與顆粒濃度有關(guān)。僅當(dāng)顆粒濃度<0.2%，或者顆粒之間距離大于10～20倍粒徑時(shí)，方可視為自由沉降。本節(jié)主要介紹自由沉降。

干擾沉降：流體中顆粒的含量較大時(shí)，顆粒沉降時(shí)彼此相互影響。A區(qū)：清液區(qū)；B區(qū)：均勻沉降區(qū)。該區(qū)顆粒分布均勻，濃度與原始懸浮液相同(c=c0)；C區(qū)：濃縮區(qū)。此區(qū)自上而下顆粒濃度增高、粒度也增大；D區(qū)：沉淀堆集的沉聚區(qū)。干擾沉降的規(guī)律：混合均勻的懸浮液在直立圓筒中靜置一段時(shí)間即會(huì)從上到下出現(xiàn)四個(gè)分區(qū)。隨著沉降過(guò)程進(jìn)行，A、D兩區(qū)逐漸擴(kuò)大，B區(qū)逐漸縮小，A、B兩區(qū)界面為清水與渾水的分界面，稱為渾液面。該界面將等速下行直至與B、C兩區(qū)的界面合并，B區(qū)消失(t=t3時(shí))。A、B界面相對(duì)于器壁下行的速度uc稱為原始懸浮液中顆粒的表觀沉降速度。由于顆粒下降而引起的流體上升置換運(yùn)動(dòng)的存在，顆粒在流體中的沉降速度ut要大于表觀沉降速度uc。

臨界沉降點(diǎn)：A、C界面下行直至C區(qū)消失(t=t5時(shí))，體系只有A、D兩區(qū)且界面清晰。沉淀壓縮過(guò)程：沉淀區(qū)顆粒之間的間隙逐漸緊縮，液體被排擠而上升到清液區(qū)。顆粒壓緊階段所需的時(shí)間往往很長(zhǎng)。壁效應(yīng)：顆粒與容器壁面間的摩擦碰撞對(duì)顆粒的沉降速度產(chǎn)生影響。顆粒粒徑dp與容器直徑D之比值越大，壁效應(yīng)影響越大。一般當(dāng)dp/D大于0.01時(shí)，壁效應(yīng)影響會(huì)使顆粒的沉降速度減小。Fd

Fg

Fb

1、沉降過(guò)程中顆粒的受力分析(P206)重力浮力阻力對(duì)球形顆粒

是壓力當(dāng)Fg=Fb+Fd時(shí)，勻速運(yùn)動(dòng)，以u(píng)t表示，加速過(guò)程很短，所以近似認(rèn)為粒子始終以u(píng)t等速下降。t＝0時(shí)，u=0，F(xiàn)d=0，凈力F最大，加速度最大。t＞0時(shí)，u↑，F(xiàn)d↑，凈力F↓，加速度↓。t＝t0時(shí)，u＝ut，F(xiàn)d最大，F(xiàn)＝0，a=0t＞t0時(shí)，u＝ut，勻速下降，ut為自由沉降速度2、自由沉降過(guò)程3、沉降速度當(dāng)Fg=Fb+Fd時(shí)u=ut,由此可解出CD為阻力系數(shù)，與顆粒的雷諾數(shù)Rep有關(guān)。對(duì)球形顆粒A：Rep＜2，層流區(qū)此時(shí)

由此推出適用范圍10－4＜Rep＜2－斯托克斯公式B：2＜Rep＜500過(guò)渡區(qū)C：500＜Rep＜2×105，充分發(fā)展的湍流區(qū)，CD＝0.44

D：Rep＞2×105，湍流邊界層區(qū)，CD約為0.1左右已知dp、ρ、ρp、μ求u。算法：設(shè)狀態(tài)（一般設(shè)為層流），然后由Stokes公式求出ut，再校核Rep，判斷是否在所設(shè)狀態(tài)，若不在，重設(shè)狀態(tài)。4、沉降的計(jì)算【例】某油品的密度為880kg/m3，為了估計(jì)油品的粘度，今將一直徑為1.25mm的鋼球（密度7900kg/m3）放入油中，并測(cè)得鋼球于6.35s內(nèi)下降25cm，試計(jì)算此油品的粘度。解：設(shè)小球沉降在斯托克斯定律區(qū)由沉降速度的計(jì)算式得校核雷諾數(shù)上述計(jì)算有效三、重力沉降設(shè)備－降塵室降塵室：分離含塵氣體中顆粒的重力沉降設(shè)備。降塵室作為預(yù)除塵設(shè)備，可除去d>50μm的粒子，再小的粒子處理效果不好。含塵氣體從進(jìn)口經(jīng)擴(kuò)大段后流速降為u，進(jìn)入流通截面積為H·B的降塵段氣體通過(guò)速度為u，塵粒沉降速度為ut。若設(shè)顆粒的水平移動(dòng)速度與氣流速度相同，則顆粒通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的降塵段的時(shí)間(停留時(shí)間)為t=L/u，而粒徑為dp、沉降速度為ut的顆粒從高度為H的頂部降至底部所需時(shí)間為t’=H/ut。使粒徑為dp的顆粒在降塵室內(nèi)全部沉降的條件為t≥t’，即可見(jiàn)，H越小越好，L越長(zhǎng)越好。但H↓，則u↑，如何解決？采用加多層隔板的方法設(shè)備最大生產(chǎn)能力(即最大處理氣體流量)為降塵室的生產(chǎn)能力理論上正比于顆粒的沉降速度和沉降方向上的截面積、即降塵室底面積，而與沉降室的高度無(wú)關(guān)。工業(yè)上降塵設(shè)備多為扁平形狀或一室多板結(jié)構(gòu)。同氣速下，裝有橫向隔板的降沉室除塵效果更好。因?yàn)楦舭彘g基本上保持了相同的流動(dòng)速度，而顆粒達(dá)到隔板通道底部的沉降距離更短。為便于清灰，可將隔板裝成可翻動(dòng)或傾斜式。對(duì)一定結(jié)構(gòu)尺寸的降塵室，當(dāng)氣體處理量一定時(shí)，理論上該降塵室所能全部捕集的最小顆粒粒徑為【例】欲利用重力沉降除去煙氣中粒徑在50μm以上的煙塵，已知煙氣流量為3000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì)），煙氣溫度為130℃，煙氣密度為0.87kg/m3，煙氣粘度為2.15×10-5Pa·s，煙塵密度為2150kg/m3，試設(shè)計(jì)一重力降塵室。解：130℃煙氣流量為設(shè)煙塵沉降屬斯托克斯定律區(qū)，并設(shè)ρP－ρ≈ρP，則上述計(jì)算有效取沉降室內(nèi)煙氣流速u=0.5m/s，沉降室高度H=2.0m，則降塵室長(zhǎng)度最小需顯然降塵室過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)采用裝有橫向隔板的多層降塵室。取隔板數(shù)n=3，每層高度ΔH=0.45m，則總高H＝ΔH(n+1)=1.8m降塵室長(zhǎng)度為取L=1.8m,則降塵室寬度為取B=1.4m,室內(nèi)實(shí)際煙氣流速為該降塵室能捕集的最小粒徑為所設(shè)計(jì)的多室降塵室能滿足生產(chǎn)要求四、離心沉降重力沉降速度一般很小，故設(shè)備體積龐大。將同樣的流-固體系置于加速度為r

2的離心力場(chǎng)中，顆粒的沉降速度(如顆粒細(xì)小，Rep<2.0，服從斯托克斯定律)為r和

，對(duì)密度差小、顆粒很細(xì)的流-固體系采用離心沉降分離也可獲得很高的分離效率。離心沉降分離設(shè)備：旋流(旋風(fēng)或旋液)分離器和沉降離心機(jī)。前者的特征是設(shè)備靜止、流體旋轉(zhuǎn)，后者則是機(jī)器帶動(dòng)流體一起旋轉(zhuǎn)。旋風(fēng)分離器用途：適用于含顆粒濃度為0.01～500g/m3、粒度不小于5μm的氣體凈化與顆?；厥詹僮?，尤其是各種氣-固流態(tài)化裝置的尾氣處理。結(jié)構(gòu)和工作原理：含塵氣體以較高的線速度切向進(jìn)入器內(nèi)，在外筒與排氣管之間形成旋轉(zhuǎn)向下的外螺旋流場(chǎng)，到達(dá)錐底后以相同的旋向折轉(zhuǎn)向上