化工原理课件非均相物系分离(全)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效
率低，通常仅适用于分离直径大于50μm的颗粒，用 于过程的预除尘。
多层降尘室虽能分离细小的颗粒，并节省地面，但出
灰麻烦。 返回
华南理工大学化工原理电子课件
课堂练习 （1）一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律 沉降，若空气温度由20℃升至50℃，则其沉降速度 将 。 （2）在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增 加一倍，则沉降时间 ，气流速度 ，生 产能力 。 （3）在滞流（层流）区，颗粒的沉降速度与颗粒 直径的 次方成正比；在湍流区，颗粒的沉降 速度与颗粒直径的 次方成正比。 返回
华南理工大学化工原理电子课件
【例】采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。 降尘室底面积为10㎡，宽和高均为2m。操作条件下气 体密度为0.75kg/m3，粘度为2.610-5Pas，颗粒密度为 3000 kg/m3。降尘室的生产能力为3m3/s。试求： （1）理论上可完全回收的最小颗粒直径； （2）粒径为40 m的颗粒的回收百分率； （3）如将降尘室改为多层以完全回收10m的颗粒， 在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。
（4）最大处理量（生产能力）
Vmax≤ut· Lb = utA0
①Vmax为某一粒径能100%被去除的最大处理量，即沉 降速度ut应按需要完全分离下来的最小颗粒计算； ②Vmax与 (100%去除的) d, A0有关，而与H无关。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
降尘室一般用水平隔
含尘气流
清洁气流
2 ur uT / r a 离心加速度 离心力 KC ut g g 重力加速度 重力
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.3.4 离心沉降设备
d 2 s g 3 u0 6.2910 m / s 18
返回
华南理工大学化工原理电子课件
需设置水平隔板层数
Vs 3 n 1 1 46.69，取47层 3 A0u0 10 6.2910
板间距
H 2 h 0.042 m n 1 48
核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚 度所占的空间，则气体的流速为 Vs 3 u 0.75 m / s bH 2 2 返回
A
r1 r C ur u uT
惯性离心力场强度： uT2/r
B
r2
轨迹： 逐渐扩大的螺旋线
颗粒在旋转流体中的运动
返回
华南理工大学化工原理电子课件
dp，p的球形颗粒受力分析： 离心力 向心力 阻力
2 π 3 uT Fc d p p 6 r
Fc
（方向向外）
ur
uT
（方向向内）
2 π 3 uT Fb d p 6 r
2 u du 3 2 d p p g d p ma m 6 4 d 2
du 当a 0时, u ut 颗粒做匀速沉降 d
ut
4 gd p p 3
沉降速度/ 末端速度
上式称为重力沉降速度基本方程式。
2
ur
3 r
返回
华南理工大学化工原理电子课件
2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较
表达式： 重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度
数值： 1）重力沉降速度基本上为定值 2 ）离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，数 值随颗粒在离心力场中的位置而变。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3、离心分离因数 同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力 沉降速度的比值。
分离满足的条件：
H L ut u
返回
华南理工大学化工原理电子课件
说明：
（1）不同直径d的颗粒ut不同，相应的θt不同。 d ，ut 容易除去。 （2）当某直径的颗粒满足θt ≤θ时，它能够被完全 （100%）地分离；当某直径的颗粒满足θt＞θ时， 它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不 能被完全分离。
Fb FD
r
FD
u πd p
2 r
2
（方向向内）
2
4
返回
华南理工大学化工原理电子课件
当三个力达到平衡时： Fc- Fb- FD=0
π 3 u π 3 u u πd p dp p d p 0 6 r 6 r 2 4
2 T 2 T 2 r
2 4d p ( p )uT 2 d p ( p ) uT 相对运动为层流 18 r 2
返回
华南理工大学化工原理电子课件
（3）能(100%)被除去的最小颗粒直径
Hu HBu Vs ut L LB A0
最低沉降速度~能被分离的最小粒径
ut
gd
2 min
18
s Vs
A0
d min
18 Vs g s A0
返回
华南理工大学化工原理电子课件
ReP
106
返回
华南理工大学化工原理电子课件 ①层流区（Stokes定律区，Re0< 2） 2 24 d p p g ut Re t 18 ②过渡区（Allen定律区， 2< Re0 < 1000）
18.5 0.6 Ret
ut 0.27
gd p p Re t0.6
例如：含尘气体、悬浮液等
返回
华南理工大学化工原理电子课件
分散相（分散物质）：处于分散状态 的物质, 如固体颗粒、液滴、气泡
非均相 物系 连续相（分散介质）：包围着分散物质而 处于连续状态的物质
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.1.2 非均相物系的分类
根据连续相的状态分：
液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.3.1 1、球形颗粒的自由沉降与干扰沉降 自由沉降: 颗粒在流体中沉降时，不受其它颗 粒或器壁的影响。 干扰沉降 以下讨论自由沉降过程。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
2、球形颗粒的自由沉降速度 设直径为dp、密度为ρp的光滑球形颗粒在 密度为ρ，粘度为μ的静止流体中作自由沉 降。颗粒受力： 重力
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3、沉降速度实用公式
因次分析
105
f ( Ret ) Ret
dut
ξ
103
102
(1) (2) (3)
10
1.0
10-1 10-4
10-3
10-2
10-1
1.0
10
102
103
104
105
曳力系数ξ与ReP的关系：(1) 圆球 (2) 圆盘 (3) 圆柱
返回
华南理工大学化工原理电子课件
解： （1）理论上可完全回收的最小颗粒直径 在降尘室中能完全被分离出的最小颗粒 的沉降速度为
Vs 3 ut 0.3m / s A0 10
假设沉降在层流区，用Stokes公式求最小 颗粒直径
d min
18 ut 5 6.91 10 m g p
2、床层的比表面积 单位体积床层所具有的颗粒的表面积称为 床层的比表面积。
ab=(1-ε)a
ab—床层比表面积； a —颗粒的比表面积； ε—床层空隙率。 返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.3 颗粒的沉降
3.3.1 重力沉降 3.3.2 重力沉降分离设备 3.3.3 离心沉降 3.3.4 离心沉降设备
返回
华南理工大学化工原理电子课件
6、沉降速度的影响因素
① 颗粒的体积浓度
颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内； 颗粒浓度较高时便发生干扰沉降,需要根据浓度进行修正。 ② 器壁效应 当容器尺寸D远远大于颗粒尺寸dp时(100倍以上)，器壁效应可 忽略，否则需加以考虑。
③ 颗粒形状的影响 同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉 降快一些。实际计算时非球形颗粒的大小可用当量直径表示。 ④ 颗粒大小的影响
返回
华南理工大学化工原理电子课件
核算沉降流型
Re t
d minut
0.598 2
假设成立，求得的最小粒径有效。 （2）粒径为40 m的颗粒的回收百分率 假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体 的停留时间内颗粒沉降的高度与降尘室的高度 之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。 返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.2.2 颗粒床的特性
返回
华南理工大学化工原理电子课件
1、床层的空隙率 单位体积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。
空隙体积 （床层体积 颗粒体积） 床层体积 床层体积
空隙率通过实验测得 一般乱堆床层的空隙率大致在0.47~0.70之间
返回
华南理工大学化工原理电子课件
华南理工大学化工原理电子课件
由于各种尺寸的颗粒在降尘室内的停留时间均相 同，故40 m的颗粒的回收率也可用其沉降速度 ut’与69.1 m的颗粒的沉降速度ut之比来确定，在 层流区 ut ' d' 2 40 2 回收率＝ ( ) ( ) 33.5% ut d min 69.1 （3）需设置水平隔板层数及板间距 由上面计算可知，10 m的颗粒的沉降必在 层流区，可用stokes公式计算沉降速度
华南理工大学化工原理电子课件
第三章 非均相物系的分离
授课教师：庞煜霞
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.1 概述
3.1.1 混合物的分类
均相混合物 （均相物系） 混合物
物系内部各处组成均匀且 不存在相界面
例如：溶液及混合气体
物系内部有隔开两相的界 非均相混合物 面存在且界面两侧的物料 （非均相物系） 性质截然不同
gd p p
③湍流区（Newton定律区， 1000< Re0 < 2×105）
0.44
ut 1.74
返回
华南理工大学化工原理电子课件
4、强化重力沉降的方法
ut f d p , ,
增加颗粒的直径，加凝聚剂、助附着剂
减小流体的密度、粘度ρ↓μ↓→ut↑ 减μ——对于液体 μ= f (T ) T↑ μ↓ 对于气体 μ= f (T ) T↓ μ↓
颗粒直径＜0.5um时，沉降受到流体分子布朗运动的影响。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.3.2 1、降尘室
返回
华南理工大学化工原理电子课件
工作原理 气体入室
流道面积扩大
减速
颗粒的沉降运动 & 随气体运动，合速度：抛物线 沉降运动时间<气体停留时间分离 所需沉降时间θ t=H/ut 在室内停留时间θ =L/u
3.3.3 离心沉降
离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现沉降的 过程。 离心沉降效率较重力沉降效率高。对于两相密度差 较小或颗粒粒径较小的情况，应采用离心分离。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
1、离心沉降速度
流体作圆周运动时，形成惯性离心力场。当颗粒在 距中心r处旋转时，其切向速度uT，径向速度ur 。
隔板
挡板
板做成多层，间距为 40～100mm。 多层降尘室生产能力 (n层水平隔板)：
VS≤(n+1)ut· Lb
VS n 1 (取整) blu t
多层降尘室
H 隔板间距：h n 1
返回
华南理工大学化工原理电子课件
〖说明〗
气流速度u不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把已经
沉降下来的颗粒重新卷起。为此，应保证气体流动的 雷诺准数处于滞流范围之内；
悬浮液、乳浊液、泡沫液 气态非均相物系：固、液分散在气相中。 含尘气体、含雾气体
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.1.3 非均相物系的分离目的
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.1.4 非均相物系的分离方法
1、沉降：颗粒相对于流体运动。 重力沉降 离心沉降 2、过滤：流体相对于固体颗粒床层运动。 重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤 返回
Fg mg Fb
Fd
6
dp pg
3
Fb
浮力
阻力
6
d p g
3
Fd Ap
u
2 4 2 u↑则Fd↑
2
d p 2 u 2
Fg
返回
华南理工大学化工原理电子课件
根据牛顿第二定律可知
du↑ Fg Fb Fd ma m d
↑ ↓
华南理工大学化工原理电子课件
4bh 4 2 0.042 de 0.082m 2(b h) 2(2 0.042)
Re
d eu
0.082 0.75 0.75 1774 5 2.6 10
即气体在降尘室的流动为层流，设计合理。
返回
ຫໍສະໝຸດ Baidu
华南理工大学化工原理电子课件
率低，通常仅适用于分离直径大于50μm的颗粒，用 于过程的预除尘。
多层降尘室虽能分离细小的颗粒，并节省地面，但出
灰麻烦。 返回
华南理工大学化工原理电子课件
课堂练习 （1）一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律 沉降，若空气温度由20℃升至50℃，则其沉降速度 将 。 （2）在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增 加一倍，则沉降时间 ，气流速度 ，生 产能力 。 （3）在滞流（层流）区，颗粒的沉降速度与颗粒 直径的 次方成正比；在湍流区，颗粒的沉降 速度与颗粒直径的 次方成正比。 返回
华南理工大学化工原理电子课件
【例】采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。 降尘室底面积为10㎡，宽和高均为2m。操作条件下气 体密度为0.75kg/m3，粘度为2.610-5Pas，颗粒密度为 3000 kg/m3。降尘室的生产能力为3m3/s。试求： （1）理论上可完全回收的最小颗粒直径； （2）粒径为40 m的颗粒的回收百分率； （3）如将降尘室改为多层以完全回收10m的颗粒， 在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。
（4）最大处理量（生产能力）
Vmax≤ut· Lb = utA0
①Vmax为某一粒径能100%被去除的最大处理量，即沉 降速度ut应按需要完全分离下来的最小颗粒计算； ②Vmax与 (100%去除的) d, A0有关，而与H无关。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
降尘室一般用水平隔
含尘气流
清洁气流
2 ur uT / r a 离心加速度 离心力 KC ut g g 重力加速度 重力
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.3.4 离心沉降设备
d 2 s g 3 u0 6.2910 m / s 18
返回
华南理工大学化工原理电子课件
需设置水平隔板层数
Vs 3 n 1 1 46.69，取47层 3 A0u0 10 6.2910
板间距
H 2 h 0.042 m n 1 48
核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚 度所占的空间，则气体的流速为 Vs 3 u 0.75 m / s bH 2 2 返回
A
r1 r C ur u uT
惯性离心力场强度： uT2/r
B
r2
轨迹： 逐渐扩大的螺旋线
颗粒在旋转流体中的运动
返回
华南理工大学化工原理电子课件
dp，p的球形颗粒受力分析： 离心力 向心力 阻力
2 π 3 uT Fc d p p 6 r
Fc
（方向向外）
ur
uT
（方向向内）
2 π 3 uT Fb d p 6 r
2 u du 3 2 d p p g d p ma m 6 4 d 2
du 当a 0时, u ut 颗粒做匀速沉降 d
ut
4 gd p p 3
沉降速度/ 末端速度
上式称为重力沉降速度基本方程式。
2
ur
3 r
返回
华南理工大学化工原理电子课件
2、离心沉降速度与重力沉降速度的比较
表达式： 重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度
数值： 1）重力沉降速度基本上为定值 2 ）离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，数 值随颗粒在离心力场中的位置而变。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3、离心分离因数 同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力 沉降速度的比值。
分离满足的条件：
H L ut u
返回
华南理工大学化工原理电子课件
说明：
（1）不同直径d的颗粒ut不同，相应的θt不同。 d ，ut 容易除去。 （2）当某直径的颗粒满足θt ≤θ时，它能够被完全 （100%）地分离；当某直径的颗粒满足θt＞θ时， 它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不 能被完全分离。
Fb FD
r
FD
u πd p
2 r
2
（方向向内）
2
4
返回
华南理工大学化工原理电子课件
当三个力达到平衡时： Fc- Fb- FD=0
π 3 u π 3 u u πd p dp p d p 0 6 r 6 r 2 4
2 T 2 T 2 r
2 4d p ( p )uT 2 d p ( p ) uT 相对运动为层流 18 r 2
返回
华南理工大学化工原理电子课件
（3）能(100%)被除去的最小颗粒直径
Hu HBu Vs ut L LB A0
最低沉降速度~能被分离的最小粒径
ut
gd
2 min
18
s Vs
A0
d min
18 Vs g s A0
返回
华南理工大学化工原理电子课件
ReP
106
返回
华南理工大学化工原理电子课件 ①层流区（Stokes定律区，Re0< 2） 2 24 d p p g ut Re t 18 ②过渡区（Allen定律区， 2< Re0 < 1000）
18.5 0.6 Ret
ut 0.27
gd p p Re t0.6
例如：含尘气体、悬浮液等
返回
华南理工大学化工原理电子课件
分散相（分散物质）：处于分散状态 的物质, 如固体颗粒、液滴、气泡
非均相 物系 连续相（分散介质）：包围着分散物质而 处于连续状态的物质
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.1.2 非均相物系的分类
根据连续相的状态分：
液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.3.1 1、球形颗粒的自由沉降与干扰沉降 自由沉降: 颗粒在流体中沉降时，不受其它颗 粒或器壁的影响。 干扰沉降 以下讨论自由沉降过程。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
2、球形颗粒的自由沉降速度 设直径为dp、密度为ρp的光滑球形颗粒在 密度为ρ，粘度为μ的静止流体中作自由沉 降。颗粒受力： 重力
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3、沉降速度实用公式
因次分析
105
f ( Ret ) Ret
dut
ξ
103
102
(1) (2) (3)
10
1.0
10-1 10-4
10-3
10-2
10-1
1.0
10
102
103
104
105
曳力系数ξ与ReP的关系：(1) 圆球 (2) 圆盘 (3) 圆柱
返回
华南理工大学化工原理电子课件
解： （1）理论上可完全回收的最小颗粒直径 在降尘室中能完全被分离出的最小颗粒 的沉降速度为
Vs 3 ut 0.3m / s A0 10
假设沉降在层流区，用Stokes公式求最小 颗粒直径
d min
18 ut 5 6.91 10 m g p
2、床层的比表面积 单位体积床层所具有的颗粒的表面积称为 床层的比表面积。
ab=(1-ε)a
ab—床层比表面积； a —颗粒的比表面积； ε—床层空隙率。 返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.3 颗粒的沉降
3.3.1 重力沉降 3.3.2 重力沉降分离设备 3.3.3 离心沉降 3.3.4 离心沉降设备
返回
华南理工大学化工原理电子课件
6、沉降速度的影响因素
① 颗粒的体积浓度
颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内； 颗粒浓度较高时便发生干扰沉降,需要根据浓度进行修正。 ② 器壁效应 当容器尺寸D远远大于颗粒尺寸dp时(100倍以上)，器壁效应可 忽略，否则需加以考虑。
③ 颗粒形状的影响 同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉 降快一些。实际计算时非球形颗粒的大小可用当量直径表示。 ④ 颗粒大小的影响
返回
华南理工大学化工原理电子课件
核算沉降流型
Re t
d minut
0.598 2
假设成立，求得的最小粒径有效。 （2）粒径为40 m的颗粒的回收百分率 假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体 的停留时间内颗粒沉降的高度与降尘室的高度 之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。 返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.2.2 颗粒床的特性
返回
华南理工大学化工原理电子课件
1、床层的空隙率 单位体积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。
空隙体积 （床层体积 颗粒体积） 床层体积 床层体积
空隙率通过实验测得 一般乱堆床层的空隙率大致在0.47~0.70之间
返回
华南理工大学化工原理电子课件
华南理工大学化工原理电子课件
由于各种尺寸的颗粒在降尘室内的停留时间均相 同，故40 m的颗粒的回收率也可用其沉降速度 ut’与69.1 m的颗粒的沉降速度ut之比来确定，在 层流区 ut ' d' 2 40 2 回收率＝ ( ) ( ) 33.5% ut d min 69.1 （3）需设置水平隔板层数及板间距 由上面计算可知，10 m的颗粒的沉降必在 层流区，可用stokes公式计算沉降速度
华南理工大学化工原理电子课件
第三章 非均相物系的分离
授课教师：庞煜霞
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.1 概述
3.1.1 混合物的分类
均相混合物 （均相物系） 混合物
物系内部各处组成均匀且 不存在相界面
例如：溶液及混合气体
物系内部有隔开两相的界 非均相混合物 面存在且界面两侧的物料 （非均相物系） 性质截然不同
gd p p
③湍流区（Newton定律区， 1000< Re0 < 2×105）
0.44
ut 1.74
返回
华南理工大学化工原理电子课件
4、强化重力沉降的方法
ut f d p , ,
增加颗粒的直径，加凝聚剂、助附着剂
减小流体的密度、粘度ρ↓μ↓→ut↑ 减μ——对于液体 μ= f (T ) T↑ μ↓ 对于气体 μ= f (T ) T↓ μ↓
颗粒直径＜0.5um时，沉降受到流体分子布朗运动的影响。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.3.2 1、降尘室
返回
华南理工大学化工原理电子课件
工作原理 气体入室
流道面积扩大
减速
颗粒的沉降运动 & 随气体运动，合速度：抛物线 沉降运动时间<气体停留时间分离 所需沉降时间θ t=H/ut 在室内停留时间θ =L/u
3.3.3 离心沉降
离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现沉降的 过程。 离心沉降效率较重力沉降效率高。对于两相密度差 较小或颗粒粒径较小的情况，应采用离心分离。
返回
华南理工大学化工原理电子课件
1、离心沉降速度
流体作圆周运动时，形成惯性离心力场。当颗粒在 距中心r处旋转时，其切向速度uT，径向速度ur 。
隔板
挡板
板做成多层，间距为 40～100mm。 多层降尘室生产能力 (n层水平隔板)：
VS≤(n+1)ut· Lb
VS n 1 (取整) blu t
多层降尘室
H 隔板间距：h n 1
返回
华南理工大学化工原理电子课件
〖说明〗
气流速度u不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把已经
沉降下来的颗粒重新卷起。为此，应保证气体流动的 雷诺准数处于滞流范围之内；
悬浮液、乳浊液、泡沫液 气态非均相物系：固、液分散在气相中。 含尘气体、含雾气体
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.1.3 非均相物系的分离目的
返回
华南理工大学化工原理电子课件
3.1.4 非均相物系的分离方法
1、沉降：颗粒相对于流体运动。 重力沉降 离心沉降 2、过滤：流体相对于固体颗粒床层运动。 重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤 返回
Fg mg Fb
Fd
6
dp pg
3
Fb
浮力
阻力
6
d p g
3
Fd Ap
u
2 4 2 u↑则Fd↑
2
d p 2 u 2
Fg
返回
华南理工大学化工原理电子课件
根据牛顿第二定律可知
du↑ Fg Fb Fd ma m d
↑ ↓
华南理工大学化工原理电子课件
4bh 4 2 0.042 de 0.082m 2(b h) 2(2 0.042)
Re
d eu
0.082 0.75 0.75 1774 5 2.6 10
即气体在降尘室的流动为层流，设计合理。
返回
ຫໍສະໝຸດ Baidu
华南理工大学化工原理电子课件