非均相物系的分离ppt课件.ppt

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1、第3章 非均相物系的分离 通过本章学习 掌握沉降 过滤的原理 计算方法 典型设备的结构特性 能够根据 生产工艺的要求 合理选择设备 学习目的 与要求 1 3 1 概述 第3章 非均相物系的分离 2 一 混合物的分类 物系内部各处组成均匀且不存在相界面则称 为均相混合物或均相物系 例如 互溶溶液和混合气体 3 一 混合物的分类 具有不同物理性质 如密度差别 的分散物质 和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非 均相物系 非均相混合物 分散相或分散物质 处于分散 状态的物质 如分散于流体中 的固体颗粒 液滴或气泡 连续相或分散介质 包围分散 物质且处于连续状态的物质 4 根据连续相的状态 非均相

2、物系分为两种 类型 气态非均相物系 如含尘气体 含雾气 体等 液态非均相物系 如悬浮液 乳浊液及 泡沫液等 一 混合物的分类 5 二 非均相混合物的分离方法 机械分离方法 即利用非均相混合物中两 相的物理性质 如密度 颗粒形状 尺寸等 的差异 使两相之间发生相对运动而使其分离 机械分离方法 过滤 沉降 分离依据 分散相与连续相之间物性的差异 如密度 颗粒粒径等 分离方法 机械法 使两相之间发生相对运动 6 1 沉降 颗粒相对于流体 静止或运动 运动而实现悬 浮物系分离的过程 沉降 离心沉降 重力沉降 沉降操作的作用力 重力 惯性离心力 二 非均相混合物的分离方法 分离较大的固体颗粒 分离较小的

3、固体颗粒 7 2 过滤 流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液 分离的过程 依实现过滤操作的外力不同 过 滤操作又可分为 过滤 重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤 过滤操作的外力 重力 压强差 压强差 惯性离心力 二 非均相混合物的分离方法 8 三 非均相混合物分离的目的 非均相混和物分离的应用 收集分散物质 净化分散介质 环境保护与安全生产 9 3 2 颗粒及颗粒床层的特性 3 2 1 颗粒的特性 第3章 非均相物系的分离 10 一 单一颗粒特性 1 球形颗粒 比表面积 体积 表面积 球形颗 粒的尺 寸由直 径d 确 定 球形颗粒 11 2 非球形颗粒 需要形状和大小两个参数来描述其特性

4、1 体积当量直径 实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积 则 体积当量直径定义为 一 单一颗粒特性 非球形颗粒 12 2 球形度 形状系数 表示颗粒的形状接近 于球形的程度 颗粒的表 面积 与该颗粒体 积相等的球 体的表面积 非球形颗粒 球形颗粒 一 单一颗粒特性 13 非球形颗粒的特性 即 比表面积 体积 表面积 一 单一颗粒特性 需要形 状和大 小两个 参数来 描述其 特性 14 二 颗粒群的特性 工业中遇到的颗粒大多是由大小不同的粒子 组成的集合体 称为非均一性粒子或多分散性粒 子 而将具有同一粒径的颗粒称为单一性粒子或 单分散性粒子 1 粒度分布 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量 即

5、粒径分布 筛分法 15 标准筛 有不同的系列 常用泰勒标准筛 筛号 目数 每英寸长度筛 网上的筛孔数目 16 17 2 颗粒的平均直径 粒群的平均直径计算式为 二 颗粒群的特性 18 3 2 颗粒及颗粒床层的特性 3 2 1 颗粒的特性 3 2 2 颗粒床层的特性 第3章 非均相物系的分离 19 3 2 2 颗粒床层的特性 表述颗粒床层的主要参数为 空隙率 堆积密度 比表面积 自由截面积 由大量的固体颗粒堆积在一起便形成了颗粒 床层 20 由颗粒群堆积成的床层疏密程度可用空隙率 来表示 其定义如下 一 床层的空隙率 影响空隙率 值的因素非常复杂 诸如颗 粒的大小 形状 粒度分布与充填方式等 一

6、 般乱堆床层的空隙率在0 47 0 70之间 21 二 床层的比表面积 单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层 的比表面积ab 若忽略颗粒之间接触面积的影 响 则 床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算 即 颗粒的 堆积密度 颗粒的 真实密 度 22 床层截面上未被颗粒占据的流体可以自 由通过的面积 称为床层的自由截面面积 三 床层的自由截面积 23 3 3 沉降分离 第3章 非均相物系的分离和固体流态化 24 在外力场作用下 利用分散相和连续相之间 的密度差 使之发生相对运动而实现非均相混合 物分离的操作称为沉降分离 根据外力场的不同 沉降分离分为重力沉降 和离心沉降 根据沉降过程中颗粒是否受

7、到其他 颗粒或器壁的影响而分为自由沉降和干扰沉降 25 3 3 沉降分离 3 3 1 重力沉降 第3章 非均相物系的分离和固体流态化 26 一 沉降速度 图3 1 沉降颗粒的受力情况 1 球形颗粒的自由沉降 将表面光滑的刚性球形颗 粒置于静止的流体介质中 如果颗粒的密度大于流 体的密度 则颗粒将在流 体中自由降落 27 颗粒受到三个力 重力 浮力 阻力 阻力系数或 曳力系数 一 沉降速度 28 根据牛顿第二运动定律 分析颗粒运动情况 加速度最大 阻力加速度 加速度 0 加速段 匀速段 一 沉降速度 29 沉降速度 等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut称 为沉降速度 由于这个速度是加速阶段终了

8、时颗 粒相对于流体的速度 故又称为 终端速度 一 沉降速度 30 2 阻力系数 通过量纲分析可知 是颗粒与流体相对运 动时雷诺数Ret和球形度 s的函数 即 随Ret及 s 变化的实验测定结果见图3 2 一 沉降速度 31 图3 2 关系曲线 32 对球形颗粒 关系曲线大致可分为三个 为层流区或斯托克斯 Stokes 定律区 区域 一 沉降速度 33 为过渡区或艾仑 Allen 定律区 一 沉降速度 34 为湍流区或牛顿 Newton 定律区 一 沉降速度 35 3 影响沉降速度的因素 自由沉降 干扰沉降 沉降过程中 任一颗粒的沉降不因其他颗 粒的存在而受到干扰 如果分散相的体积分率较高 颗粒

9、间有明 显的相互作用 容器壁面对颗粒沉降的影响不 可忽略 这时的沉降称为干扰沉降或受阻沉降 一 沉降速度 36 滞流区 湍流区 过渡区 表面摩擦阻力 形体阻力 1 流体的黏度 一 沉降速度 37 2 颗粒的体积分数 当颗粒的体积分数小于0 2 时 理论计算 值的偏差在1 以内 当颗粒体积分数较高时 由于颗粒间相互作用明显 便发生干扰沉降 3 器壁效应 容器的壁面和底面均增加颗粒沉降时的曳 力 使颗粒的实际沉降速度较自由沉降速度低 一 沉降速度 38 4 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要快一些 非球形颗粒 的形状及其投影面积A均影响沉降速度 一 沉降速

10、度 39 3 3 沉降分离 3 3 1 重力沉降 第3章 非均相物系的分离和固体流态化 40 4 沉降速度的计算 1 试差法 假设沉降属 于某一流型 计算沉 降速度 核算 Ret 一 沉降速度 41 2 摩擦数群法 一 沉降速度 42 2 摩擦数群法 一 沉降速度 令 43 用量纲为1的数群K 值判别流型 K 2 62为斯托克斯定律区 一 沉降速度 44 K 2 62为斯托克斯定律区 2 62 K 69 1为艾仑定律区 K 69 1为牛顿定律区 一 沉降速度 45 二 重力沉降设备 1 降尘室 借重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称 为降尘室 46 图3 4 降尘室示意图 a 沉降室 b 尘粒在

11、沉降室内运动情况 气流水平通 过降尘室速 度 沉降速 度 二 重力沉降设备 47 或 位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为 气体通过降尘室的时间为 欲使颗粒被分离出来 则 降尘室高 沉降速 度 降尘室长 气流水平通 过降尘室速 度 二 重力沉降设备 48 根据降尘室的生产能力 气体在降尘室内的 水平通过速度为 整理得 上式表明 理论上降尘室的生产能力只与其 沉降面积及颗粒的沉降速度有关 而与降尘室高 度H 无关 降尘室 生产能力 二 重力沉降设备 49 对设置 了n层水平隔 板的降尘室 其生产能 力为 图3 5 多层除尘室 1 隔板 2 6 调节闸阀 3 气体分配道 4 气体集聚道 5

12、 气道 7 清灰口 二 重力沉降设备 50 降尘室结构简单 流动阻力小 但体积庞大 分离效率低 通常只适用于分离粒度大于50 m的粗粒 一般作为预除尘使用 多层降尘室虽 能分离较细的颗粒且节省占地面积 但清灰比较 麻烦 二 重力沉降设备 51 2 沉降槽 沉降槽是利用重力沉降来提高悬浮液浓度 并同时得到澄清液体的设备 3 分级器 利用重力沉降可将悬浮液中不同粒度的颗粒 进行粗略的分离 或将两种不同密度的颗粒进行 分类 这样的过程统称为分级 实现分级操作的 设备称为分级器 二 重力沉降设备 52 双锥分级器 二 重力沉降设备 53 图3 4 降尘室示意图 a 沉降室 b 尘粒在沉降室内运动情况

13、气流水平通 过降尘室速 度 沉降速 度 二 重力沉降设备 54 或 位于降尘室最高点的颗粒沉降到室底所需的时间为 气体通过降尘室的时间为 欲使颗粒被分离出来 则 降尘室高 沉降速 度 降尘室长 气流水平通 过降尘室速 度 二 重力沉降设备 55 根据降尘室的生产能力 气体在降尘室内的 水平通过速度为 整理得 上式表明 理论上降尘室的生产能力只与其 沉降面积及颗粒的沉降速度有关 而与降尘室高 度H 无关 降尘室 生产能力 二 重力沉降设备 56 对设置 了n层水平隔 板的降尘室 其生产能 力为 图3 5 多层除尘室 1 隔板 2 6 调节闸阀 3 气体分配道 4 气体集聚道 5 气道 7 清灰口

14、 二 重力沉降设备 57 气体在降尘室内的停留时间大于或等于固粒的沉降时间 随堂练习 1 降尘室内 固粒可被分离的条件是 降尘室操作时 气流的流动应控制在 区 层流 2 理论上降尘室的生产能力只与 和 有关 而与 无关 降尘室的底面积bl 沉降速度ut 高度 3 含尘气体通过长4米 宽3米 高1米的降尘室 颗粒的沉 降速度为0 03米 秒 则此沉降室的最大生产能力为 m3 s 0 36 58 4 拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗 粒 降尘室的面积为10m2 宽和高均为2m 操作条件 下 气体的密度是0 75kg m3 黏度为2 6 10 3Pa s 固体的密度为3000kg m3 降

15、尘室的生产能力为 3m3 s 试求 1 理论上能完全捕集下来的最小颗 粒直径 2 粒径为40 m的颗粒的回收百分率 3 如欲完全回收直径为10 m的尘粒 在原降尘室内 需要设置多少层水平隔板 5 在降尘室内 粒径为60 m的颗粒理论上可被全部 除去 则粒径为42 m的颗粒能被除去的分率为 49 二 重力沉降设备 59 3 3 2 离心沉降 3 3 沉降分离 3 3 1 重力沉降 第3章 非均相物系的分离 60 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程称 为离心沉降 一般含尘气体气体的离心沉降在旋 风分离器中进行 液固悬浮物系在旋液分离器或 沉降离心机中进行离心沉降 一 惯性离心力作用下的沉降速度

16、离心沉降速度 61 离心沉降时 若颗粒与流体的相对运动处 于滞流区 则可得 同一颗粒所受的离心力与重力之比称为离 心分离因数 离心分离因数 一 惯性离心力作用下的沉降速度 62 二 旋风分离器的操作原理 旋风分离 器是利用惯性 离心力的作用 从气流中分离 出尘粒的设备 图3 7 标准旋风分离器 图3 8 气体在旋风分离 器内的运动情况 63 旋风分离器是目前工业上应用范围最广的一 种除尘 分离设备 一般用于除去直径在5 m以 上的尘粒 四 旋风分离器的结构形式与选用 旋风分离器的主要性能指标是 临界粒径 分离效率 和 压强降 选择旋风分离器的主要依据是 含尘气的体积流 量 要求达到的分离效率 允许的压强 降 64 3 4 过滤 3 4 1 过滤操作的基本概念 第3章 非均相物系的分离和固体流态化 65 过滤是以某种多孔物质为介质 在外力作用 下 使悬浮液中的液体通过介质的孔道 而固体 颗粒被截留在介质上 从而实现固 液分离的操 作 过滤 66 图3 14 过滤操作示意图 67 一 过滤方式 饼层过滤 深床过滤 膜过滤 图3 15 架桥现象 过滤方式可分为 饼层过滤时发生 架桥 现象 6