化工原理-3非均相物系的分離

1、1.第三章：異構(gòu)系統(tǒng)的分離；2.非均相體系：包含兩相或多相的體系，如固體顆粒、液體懸浮液、固體顆粒、氣體、粉塵和氣體分離方法：沉降(重力沉降、離心沉降)過濾，這兩種方法都稱為機(jī)械分離方法(相對于傳質(zhì)分離方法，如蒸餾和吸收)。3、重力沉降、4、含塵氣體、清潔氣體、灰分、離心沉降、旋風(fēng)分離器、5、板框過濾器、過濾、6、1顆粒和顆粒床的特性、沉降和過濾涉及流體相對于固體顆粒和顆粒床的運動(如過濾過程中形成的濾餅)。1.粒子1的特性。單個顆粒(1)球形顆粒：直徑d比表面積A(每單位體積顆粒的表面積)a=(d2)/(d3/6)=6/d(與顆粒直徑成反比)，(2)體積當(dāng)量直徑de:等于顆粒體積SS/Sp的

2、非球形顆粒，球形顆粒s 1，非球形顆粒s 1，Sp是顆粒的(實際)表面積，S是與顆粒具有相同體積的球體的表面積，即Sd2，在實施例333中為邊長為A的立方體顆粒顆粒群的特征(1)顆粒尺寸分布通常通過一套標(biāo)準(zhǔn)篩(篩分析)來測量，結(jié)果顯示在表格或圖表中。xi是第一級顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，di是第一級顆粒的篩分直徑(取上下篩孔的算術(shù)平均值)。(2)平均粒徑有多種表達(dá)方式。對于流體和顆粒之間的相對運動，平均比表面積直徑da，10，1通常是根據(jù)等比表面積原理計算的。床層空隙率(無量綱)是指單位體積顆粒床層中空隙所占的體積。如果忽略顆粒之間接觸面積的影響，床的比表面積ab和顆粒的比表面積A之間的關(guān)系是ab(1

3、)a，2。顆粒床的特性，11?？破澞岱匠?經(jīng)驗公式):適用于床層層流(過過濾時通常為層流)，3。流體流經(jīng)床層的壓降，空床速度u=沉降是利用密度差從流體中分離顆粒的過程，分為重力沉降(重力作用下)和離心沉降(離心力作用下)。重力沉降速度(1)球形顆粒的自由沉降：任何顆粒的沉降都不會受到其他顆粒存在的干擾，也就是說，顆粒相互獨立，不會相互影響。要求流體中的顆粒稀疏(通常，顆粒的體積濃度小于0.2)。1.重力沉降，14，阻力(阻力，向上):假設(shè)球形粒子的直徑為d，密度為s，流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，密度為(s)。當(dāng)粒子在流體中下沉?xí)r，力為：阻力系數(shù)(無量綱)，u為粒子下沉速度，重力(向下)，浮力(向上):加

4、速階段為：下沉可分為兩個階段：即建立時間。根據(jù)牛頓第二定律，16，沉降速度的公式為，ut(m/s)，d(m) g=9.81(m/s2)，s(kg/m3)，表示沉降速度和密度之間的差異。對于球形顆粒，阻力(阻力)系數(shù)是顆粒沉降雷諾數(shù)的函數(shù)，通常由實驗確定，結(jié)果繪制在p145的圖32(雙對數(shù)坐標(biāo))中。Ret曲線大致分為三個區(qū)域，即層流(Ret1)、過渡區(qū)(1Ret1000)和湍流(Ret1000)，可用相應(yīng)的公式表示。18，P145圖3-2，不同的球形度、層流、過渡區(qū)、湍流、Ret、19、過渡區(qū)(1Ret1000)=18.5/Ret0.6(經(jīng)驗公式)，湍流區(qū)(1000Ret2105) 0.44層流

5、區(qū)(104Ret1)=24/Ret(理論公式)，斯托克斯公式：0，20，顆粒濃度：當(dāng)顆粒體積濃度較大時，發(fā)生干擾沉降，沉降較慢。壁效應(yīng)：容器壁和底部的阻力ut。顆粒形狀：對于非球形顆粒，使用當(dāng)量直徑de，阻力系數(shù)與球形度(形狀系數(shù))s相關(guān)，球形度大于球形顆粒，ut減小。沉降速度的其他影響因素，21，P145圖3-2，不同的球形度，層流，過渡區(qū)，紊流，Ret，22，(4)計算沉降速度的試錯法首先假設(shè)沉降區(qū)的范圍，即Ret(層流，過渡區(qū)，紊流)，然后要求ut檢查Ret=dut/是否在假設(shè)范圍內(nèi)，如果是，ut不在，則重新假設(shè)沉降面積。根據(jù)摩擦數(shù)群方法，Ret2稱為摩擦數(shù)群，與ut無關(guān)。23，P148

6、圖3-3，Ret2，Ret，湍流，層流，過渡區(qū)，方法a:將圖32中的Ret曲線轉(zhuǎn)換為圖33中的Ret2Ret曲線。從計算的Ret2中找出Ret，然后計算ut=Ret/d，以避免反復(fù)試驗。K2.62(對應(yīng)于Ret1)滯止區(qū)2.62K69.1過渡區(qū)K69.1(對應(yīng)于Ret1000)紊流區(qū)，方法b:用無量綱組k判別流態(tài)，然后用相應(yīng)的沉降速度公式計算ut。25，將圖32中的Ret曲線轉(zhuǎn)換成/ret曲線(圖33)，從計算的/Ret中找出Ret，然后找出d=Ret/ut。試錯法首先假定沉降面積，即Ret的范圍(滯止、過渡和紊流)，然后找出D來檢查Ret=dut/是否在假定范圍內(nèi)。(5)顆粒直徑的計算(已知

7、沉降速度)，摩擦數(shù)組方法：定義了獨立于D、26、P148圖3-3、Ret、湍流、層流、/Ret、過渡區(qū)、27、P148的摩擦數(shù)組。實施例3-2試圖計算直徑為95m、密度為3000kg/m3的固體顆粒。(1)試湊法(2)摩擦數(shù)組Ret2與Ret的關(guān)系曲線法(3)無量綱數(shù)組k，用以判斷水為ut0.0098 m/s，空氣為ut0.62 m/s，28。在垂直方向上，顆粒從室的頂部沉降到底部所需的時間為3360t=h/ut。在水平方向，氣體通過灰塵沉降室的時間(停留時間)。2.重力沉降設(shè)備(1)粉塵沉降室：利用重力沉降去除氣流中的顆粒，u為氣體在粉塵沉降室水平方向上的平均流速uVS/Hb，VS為粉塵沉降

8、室的處理能力，即氣體體積流量(m3/s)，29，顆粒能從氣流中分離的條件為： t，即VS blut(粉塵沉降室的基本公式)。 對應(yīng)于VSblut的ut在理論上是完整的(100)。因此，灰塵沉降室可以設(shè)計成扁平的形狀，或者可以在室內(nèi)布置多層水平隔板以形成多層灰塵沉降室。 30，多層粉塵沉降室的處理能力VS與擋板數(shù)n: vs (n1)的關(guān)系鈍，31，粉塵沉降室適用于分離大于50m的粗顆粒，一般用于預(yù)除塵。多層集塵室雖然可以分離較細(xì)的顆粒，節(jié)省地面，但不便于除塵。32，P151實施例3-3建議使用粉塵沉降室來回收包含在常壓爐氣中的球形固體顆粒。沉降室底部面積為10m2，寬度和高度均為2m。在操作條件

9、下，氣體密度為0.75千克/立方米，粘度為2.6105帕；固體密度為3000千克/立方米。粉塵沉降室的生產(chǎn)能力為3 m3/s。試求：(1)理論上能完全捕集的最小粒徑；(2)粒徑為40m的顆粒回收率；(3)如果要完全回收直徑為10米的塵粒，在原有的沉降室中應(yīng)設(shè)置多少層水平隔板？(1)ut=VS/bl 0.3m/s的粒徑：dmin6.9110-5 m，(2)回收的沉降高度(停留時間內(nèi))/粉塵沉降室的沉降高度，沉降速度停留時間，33，40m顆粒的回收率為(40/69.1)20.335。(3)10m顆粒的沉降速度ut0.00629 m/s VS=(n1)blut n=47，即兩種顆粒的比例等于它們的沉

10、降速度之比33，360回收率/100ut/0.3。由于小顆粒在停滯區(qū)沉降，沉降速度與直徑的平方成正比，因此回收率為/100 (d/69.1) 2，300。懸浮液(泥漿)從中心入口送到液面以下0.31米處，固體顆粒沉入罐底部。增稠的泥漿由以下因素驅(qū)動混合顆粒從上部加入，水通過可調(diào)錐體和外壁之間的環(huán)形間隙向上流動。沉降速度大于環(huán)形間隙中水的上升速度的顆粒進(jìn)入底流，而沉降速度小于該速度的顆粒通過溢流排出。應(yīng)時，小方鉛礦和大方鉛礦。方鉛礦和應(yīng)時的混合物被這個雙錐分級機(jī)分離。眾所周知：顆粒形狀：立方體顆粒尺寸：邊長：0.08-0.7毫米；方鉛礦密度：s 17500kg/m3；應(yīng)時密度：PS2=2650千

11、克/立方米；水的密度和粘度：=998.2kg/m3=1.00510-3pa.s，36；(1)為了獲得純方鉛礦顆粒，首先計算當(dāng)量直徑和球形度，然后通過ut0.0696米/秒獲得最小的純方鉛礦顆粒。(2)是其沉降速度正好等于0.0696米/秒的顆粒，其邊緣長度計算為0.2565毫米。假設(shè)顆粒在上升水流中自由沉降，嘗試找出3360 (1)上升水流速度需要多少米才能獲得純方鉛礦顆粒。(2)純方鉛礦顆粒的尺寸范圍。37是由慣性離心力實現(xiàn)的沉降。對于顆粒小或兩相密度差小的系統(tǒng)，重力沉降速度慢且效率低，離心沉降可以大大提高分離效果。慣性離心力fdi:對于質(zhì)量為m的物體，fdi=muT2/r存在于距旋轉(zhuǎn)軸距離

12、為r且切向速度為uT的位置，并且方向沿著旋轉(zhuǎn)半徑從中心指向外圍。離心沉降：當(dāng)流體與顆粒一起旋轉(zhuǎn)時，如果顆粒的密度高于流體的密度，則顆粒在慣性離心力的作用下沿徑向與流體相對運動，并飛離中心。uT，離心沉降方向，含塵氣體，R，38，離心沉降的典型應(yīng)用：分離含塵氣體的旋風(fēng)分離器。39，ur是顆粒相對于流體在徑向上的運動速度，即離心沉降的沉降速度。(2)向心力(相當(dāng)于重力場中的浮力):(1)離心沉降速度，離心力場中顆粒的徑向應(yīng)力：(1)離心力：(3)阻力：40，類似于重力沉降。與重力沉降速度相比，離心沉降速度為41，離心沉降和重力為41。但是，ur方向從中心向外呈放射狀指向，并隨r而變化。阻力系數(shù)相似

13、，如果是停滯沉降，則為=24/Rer，但離心沉降的雷諾數(shù)定義為Rerdur/，停滯重力沉降和停滯離心沉降為42。離心分離系數(shù)：Kc=(uT2/R)/g Kc是反映離心分離設(shè)備性能的重要指標(biāo)，一般遠(yuǎn)大于1，高速離心機(jī)的K值可達(dá)10萬以上。43，(2)離心沉淀設(shè)備：旋風(fēng)分離器)1。結(jié)構(gòu)和工作原理標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)如圖所示。h=d/2d 1=d/2b=d/4 h1=2d H2=2d s=d/8d 2=d/4，44，工作原理：含塵氣體從進(jìn)氣口切向引入，從上到下螺旋運動(稱為外旋流)，然后從下到上(稱為內(nèi)旋流或氣芯)，最后從中心出口排出。在螺旋運動過程中，塵粒被拋向壁面，然后沿壁面落入灰斗。通常用于清

14、除5m以上的顆粒。旋風(fēng)分離器的性能(1)臨界粒度dc是指理論上可以完全(100%)分離的最小顆粒的直徑。46、簡化假設(shè)：進(jìn)入旋風(fēng)分離器的氣流嚴(yán)格按照螺旋路線勻速運動，其切向速度uT等于入口氣體速度UI；當(dāng)顆粒沉降到壁面時，它們必須穿過厚度等于整個進(jìn)氣口寬度b的氣流層，這樣壁面才能分離；臨界粒徑計算公式，47，顆粒到達(dá)旋風(fēng)分離器壁所需的沉降時間為：如果旋風(fēng)分離器中氣流的有效轉(zhuǎn)數(shù)(外旋)為ne(對于標(biāo)準(zhǔn)Ne=5)，則氣流在旋風(fēng)分離器中的停留時間為：顆粒在滯流下自由沉降，其徑向沉降速度為(約為S-S): (RM為平均旋轉(zhuǎn)半徑)，40因此，當(dāng)氣體處理能力較大時，通常使用幾個平行于m的小旋風(fēng)分離器也就是

15、說，t=對應(yīng)于臨界粒度dc。注：臨界粒徑直流越小，分離(除塵)效果越好。49，顆粒尺寸效率p:具有不同顆粒尺寸的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分離pi=(c1i-c2i)/c1i，(2)總分離效率0:除去的顆粒質(zhì)量占進(jìn)入分離器的所有顆粒質(zhì)量的分?jǐn)?shù)0=(c1-c2)/c1，c1和c2是入口和出口氣體的粉塵濃度(g/m3)，c1i和c2i分別是入口和出口氣體中平均直徑為di的顆粒的濃度(g/m3)，總效率和顆粒尺寸效率之間的關(guān)系是3360通常，粒度效率P被繪制為粒度比d/d50的曲線，其中d50是50的粒度效率。對于標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，有(D是分離器的直徑):(p158是錯誤的)，注意：和臨界粒度(理論效率為100)

16、dc之間的差異，(ui是入口流速)，52，D50，P158，標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器的一般pd/d50曲線，53，(3)當(dāng)壓降氣體流過旋風(fēng)分離器時， 由于進(jìn)氣管、排氣管和主體壁造成的摩擦阻力和局部流動阻力，氣體壓力降低(進(jìn)、出口壓差):p=(ui2/2)為阻力系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器=8.0)，p通常為5002000Pa。ui，ui，54，(4)旋風(fēng)分離器的串聯(lián)和并聯(lián)N :pi=p/n，=1-(1-i)n，Vi=Vs n :pi=p，=i，Vi=Vs/n，I為單個單元的效率，它是總效率，Vi為單個單元的流速，I=(C1-C2)/C1=(C2-C3)/C2=(C1-C3)/C1=1-(1-I)2，兩個串聯(lián)，55，p11已知固體密度為1100千克/立方米，顆粒直徑