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1、精选优质文档-倾情为你奉上学习情境4 沉降过程与操作学习要求知识目标：1.了解重力沉降及离心沉降基本知识。2.掌握旋风分离器、油水分离设备工作原理。能力目标：1.能使旋风分离器平稳运行。2.能使油水分离设备平稳运行。学习情境4.1 常压塔顶回流罐的油水分离【教学内容】化工生产中需要将混合物加以分离的情况横多，大致说来，混合物可分为两大类，即均相混合物和非均相混合物，详细内容下表。混合物均相气态空气、天然气液态乙醇水、石油非均相气固烟道气气泡液体气液雾滴气体液固泥水、硫铵+母液液液牛奶、油水固固煤矸石、金属矿均相：内部各处均匀不存在相界面的物系称为均相物系。如溶液、混合气体及少量混合液体。非均相
2、：由具有不同物理性质（如密度和粒径）的分散物质和连续介质所组成的物系称非均相物系。均相物系的分离属于传质内容，均相物系中的“固固”物系不在讨论之列；非均相物系可以借助沉降、过滤、筛分等手段，利用物系中两相间的物性（如或d）差，实现两相间的相对运动达到分离的目的。这些属于机械分离，操作遵循流体力学的基本规律。 在非均相物系中，处于分散状态的物质称“分散相”；包围它的物质称“连续相”（即分散介质）。沉降是将混合物置于力场中，在力场作用下，使分散相与连续相发生相对运动，密度大的物质定向地移向收集面，实现分离。力场沉降类型物系重力场重力沉降自由沉降气固、液固气液、液液干扰沉降离心力场离心沉降同上电场电
3、沉降电除尘器颗粒极微者电捕焦油器固固物系往往要借助流体，使固固两相间的运动产生速度差。在这里我们重点学习重力沉降，其沉降方向垂直向下。一 沉降速度 球形颗粒的自由沉降自由沉降 颗粒沉降中不受外界的任何影响。将一粒表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体中，颗粒s液体的，于是颗粒受到的力分别为：重力Fg、浮力Fb、阻力Fd，其作用方向如图示。当颗粒和流体的种类确定后，仅于s、d和有关的重力及浮力便为常量；阻力则随着颗粒运动的速度的变化而变化。直径为d的颗粒，所受三力表示为（向下为正）： 三力之和，使颗粒产生加速度：=du/d图4-1 受力分析 随时间变化情况见下表：uFda000maxuFd,净力a
4、逐渐加速段utFd=Fg-Fb0等速段整理后得： （3-1）从颗粒沉降达到等速阶段，理论上讲需要很长的时间，但达到0.99ut 需时很短，固可以忽略加速段，认为颗粒始终在等速ut 下运动。 在a=0，u=ut ， （3-2）上式显示：（s-）、dut。 阻力系数也是雷诺数Ret（Ret=dut/）的函数：1.滞流区（斯托克斯定律区，10-4Ret1） =24/Ret （3-3）2.过渡区（艾伦区，1Ret103） =18.5/（Ret0.6） （3-4）3.湍流区（牛顿定律区，103Ret2105） =0.10将（3-3）至（3-5）代入（3-2），得到不同Ret区域相应ut的计算式：1.湍流
5、区 ut=d2（s-）g/182.过渡区 3.湍流区 不同ut下，流体对颗粒产生的流阻会有不同的影响： 滞流区： 因为在颗粒表面形成很薄的滞流边界层，且不发生边界层分离，所以只存在流体的粘性阻力=f（ut）。湍流区： 虽然边界层仍为滞流，但其分离引起的形阻已占主导地位，流阻=f（ut2）。过渡区 介于滞、湍流间，粘、形阻均不可忽略。湍流边界层区： 此时，由于流体主体中的能量与边界层中的能量交换强度增加，反而使边界层的分离困难起来。形阻下降使突然下降。重力沉降时：小颗粒斯托克斯区；粒径大些的艾伦区；能到牛顿区的情况已很少见。 影响ut的因素只有连续相为气态的物系或单个颗粒在大空间的沉降中，颗粒的
6、沉降才能视为“自由沉降”。当连续相为液体、物系中颗粒的体积分率较高时，颗粒之间相互干扰称干扰沉降。此时影响ut的因素有：1颗粒的体积浓度 当体积浓度0.2%，各ut的理论计算值偏差100d时，器壁效应可忽略。3.颗粒形状已知管壁hf；同样，颗粒形状越偏离球形，沉降时阻力也越大。用球形度标识： s=s/sp S球体表面积，m2；sp颗粒的表面积，m2 颗粒形状越不规则，其球形度越小。非球形颗粒的Ret中的d用当量直径de： （3-6）d太小会产生布朗运动，当d10-4可忽略布朗运动。另外，对于分散相：如果s，颗粒作沉降运动；如果s，颗粒作升浮运动。连续相有静止和流动两种情况。流动的连续相又分为与
7、颗粒同向不同速的、与颗粒反向的及流态化状态。 沉降速度的计算因为计算ut时，要通过Ret确定使用哪一个公式,所以有ut=f(Ret)。可以采用如下方法进行计算。1.试差法：当求出的ut与假设的ut在同一个Ret范围内，求出的ut有效。2.摩擦数群法：可由d求ut，或反求。设法消去Ret中的ut。无需试差，但离不开图，该法便于计算非球形的ut。3.K判据求ut：此法无需试差，但使用时须知d。令： 代入得： 二 沉降室含尘气体在管道中流动，因气速较大，尘粒来不及沉降；进入突然扩大的流道沉降室，气速u显著减少。那些在流体离开降尘室之前落到室底的颗粒便与流体分离了。位于室内最高点的颗粒降至室底需用时间
8、：t=H/ut 气体通过降尘室需用时间：=L/u理论上，凡t的颗粒都能落到室底。即气体在降尘室的速度：u=Vs/（Hb），满足uLutH条件的、气速对应为ut的颗粒能被分离。图4-2 沉降室 对应上式可改写为：Vs/（Hb）Lut/H。由此可见，降尘室的生产能力Vs=bLut与高度H无关，但H与u大小有关。采用多层水平隔板，既保证H不变（Vs不变），又使隔板间距Ht减少，受尘面积。切记：为不使已沉降的灰尘被卷扬，u要处于滞流区。且降尘室的进、出口应采用渐变流道。三 浓悬浮液的沉聚过程浓悬浮液中颗粒的沉降要受到A、其它颗粒；B、器壁；C、被颗粒取代其空间的流体向上流动等因素的影响干扰沉降“沉聚过
9、程”。图4-3 间歇沉降实验（1）随着固相浓度的增大，液体从颗粒间向上流动的速度也增大。使颗粒在实际上是处于向上流动的液体中沉降。比在静止的、自由沉降时受到的阻力大得多。d大，ut与周围流体间的相对速度u较d小的大些阻力，反使ut。（2）悬浮液中，颗粒的粒级分布很宽。对d大而言，细小颗粒与液体混成了、的流体。在这种流体中的沉降显然使ut。而d小却被d大向下拖曳使ut；絮凝现象使颗粒的有效尺寸增大，ut。综上所述，d大的ut，d小的ut。实验证明，在粒度范围,颗粒必向外圆飞去。同时受到三个力的作用：惯性离心力=（/6）d3s（uT2/R）指向外圆向心力=-（/6）d3（uT2/R）指向圆心阻力=
10、-（/4）d2（ur2/2）指向圆心三力达平衡（F=0），ur颗粒在R点的离心沉降速度。 （3-7） （3-2）比较重力场和离心力场的沉降速度计算式，只在力场强度上同。若离心沉降时，颗粒与流体的相对速度属于滞流，则=24/Ret (3-8) (3-6)两种沉降速度之比：ur/ut=（uT2/R）/g=Kc （3-9） Kc离心分离因数Kc是离心分离设备的重要指标。某些高速离心机的Kc可达数十万；一般旋风（液）分离器的Kc值在52500之间。如：R=0.4m，uT=20m/s时： Kc=202/（0.49.81）=102二 旋风分离器的操作原理分离器结构如图。含尘气流从切向进入圆筒后，在筒壁的约
11、束和后继气体的推动下，形成“外螺旋运动”离心力场。颗粒被抛向筒壁，借重力沿壁面落至锥形筒底部的排灰口。颗粒向器壁运动使气体向旋转中心聚集，仍然保持着与外螺旋同方向的旋转运动内螺旋，并从下向上从出气口排出。它的R小，仍具有可观的力场强度。旋风分离器的静压强分布：1.径向 器壁附近静压强大，向旋转中心逐渐降低， 在排气口附近与口外侧压强持平。图4-5旋风分离器工作原理2.轴向 沿轴向，从上至下静压强逐渐降低。若排气口直通大气（或连引风机），则器底部轴心处形成负压，排灰口密封不严会已落入底部的尘埃卷起。三 旋风分离器的性能 临界粒径dc dc指理论上能完全被分离下来的最小颗粒直径，m。dc的计算式由
12、下面的简化条件推导出来：进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路线作等速运动，其切向速度uT=进口速度 ui=Vs/Bh。（B为进口气体宽度）颗粒向器壁沉降时，都要穿过厚度为B的气流层才能到达壁面。颗粒在滞流情况下作自由沉降，其径向沉降速度可用（3-8）计算。简化成： 颗粒到达器壁的时间t=B/ur=18BRm/（d2sui2）气流在器中停留的时间=2RmNe/ui依dc定义，t= 其 （3-10）B=D/4，Ddc。尽管假设与实际相差较大，但选择适宜的Ne值使（3-10）可以使用。Ne一般为0.53.0，标准系列旋风分离器Ne=5。分离效率1.总效率0=（C1-C2）/C1 （3-11）C1：进气
13、含尘浓度，g/m3；C2：出气含尘浓度，g/m3；2.粒级效率pi=（C1i-C2i）/C1i （3-12）粒级效率与颗粒直径di的对应关系图4-7 d/d50曲线图4-6粒级效率曲线 理论上，凡直径大于dc的颗粒，其粒级效率都应等于100%，小于dc的颗粒效率为零。如图示：实际上，分离曲线却是一条曲线，小于dc的颗粒也有可观的分离效果，而大于dc的颗粒还有部分未分离下来。前者可能是因为本身离器壁近或聚集增大了直径得以分离，后者可能受气流涡动影响未及器壁。对于同一型式（如标准型）且尺寸比例相同的旋风分离器，不论尺寸大小都可以用同一条d/d50曲线。标准旋风分离器的d50估算式： （3-13）
14、xi：i粒级所占质量% 压强降p=ui2/2 标准系列，其值为8。旋风分离器的p一般为5002000Pa。影响旋风分离器性能的因素：s增大，d增大，粉尘浓度升高，则有利于分离，这是因为：密度升高，直径增大对于分离的影响很明显，而含尘浓度高则是：1.聚集使d增大；2.抑制涡流随阻力下降p下降；3.ui增大则ur增大则0增大，然而，搅起涡流，使p升高。合适的进气速度为1025m/s。 旋风分离器的结构型式与选用旋风分离器的分离效率不仅与含尘的物理性质、含尘浓度、粒度分布及操作的影响，而且还与设备的结构尺寸密切相关。合理的结构尺寸是提高分离效率、降低压强降的基础。几种化工中常见的旋风分离器的结构型式见下表。CLT/A型结构示意图CLP型结构示意图扩散式结构示意图倾斜螺旋面进口，减小涡流影响。气流阻力系数较低，=55.5带有旁室结构，蜗壳式进气口，可聚结被上旋流带到定部的细粒。=4.85.8结构上小下大，下设挡灰盘，可有效防止已沉降的细粒被重新卷起。通常，对于不同旋风分离器的选择应首先根据系统的物性与任务要求，结合各型设备的特点，选定分离器型式，计算决定所用尺寸及台数。专心-专注-专业