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1、第三章非均相物系的分离第1页，本讲稿共51页要求n沉降分离（包括重力沉降和离心沉降）的原理、过程计算、降尘室的设计和旋风分离器选型。n过滤操作原理、过滤基本方程式的推导思路，恒压过滤的计算、过滤常数的测定，过滤操作的强化、过滤设备的选型。n注意学习将流体力学的基本原理用于处理绕流和流体通过颗粒床层流动等复杂工程问题简化处理的思路和方法。第2页，本讲稿共51页一 概述n非均相混合物的分类n由具有不同物理性质（尺寸、密度差别）的分散相和连续相组成的物系。n气态非均相混合物 含尘、含雾气体n液态非均相混合物 悬浮液、乳浊液、泡沫液n机械分离方法n两相相对运动n气态 分散相相对于连续相运动 沉降（重力
2、（降尘室）、离心（旋风分离器）n液态 连续相相对于分散相运动 过滤（重力、离心，加压、真空）第3页，本讲稿共51页n其他方法 n气态：静电除尘、湿式除尘n液态：旋液分离、离心分离机n分离目的n收集分散相n净化连续相n环保与安全第4页，本讲稿共51页二颗粒特性n颗粒与流体的相对运动特性和颗粒本身特性密切相关形状、大小、表面积n球形颗粒n体积 V=d3/6n表面积 S=d2n比表面积=S/V=6/d第5页，本讲稿共51页n非球形颗粒n球形度s=S/SP S等体积球体的表面积n当量直径de=(6VP/)1/3nVP=de3/6nSP=de2/snP=SP/VP=6/sden应用：沉降过程中阻力系数计
3、算第6页，本讲稿共51页三沉降分离n利用密度差的分离过程n分类：n外力场不同：重力、离心n颗粒沉降过程是否受到器壁和其他颗粒影响：自由、干扰n属于流体相对于颗粒的绕流问题（相对运动、相对速度）n刚性球形颗粒自由沉降第7页，本讲稿共51页.重力沉降.沉降速度的推导nF=man合力重力浮力阻力nma=d3/6Sg-d3/6g-A u2/2n一开始u=0，a最大n随着u增大，阻力增大，直至 F=0，a=0匀速下降，此时=d3/6Sg-d3/6g-A u2/2nut=d（S-）g 第8页，本讲稿共51页阻力系数n为沉降雷诺准数Ret=deut/与球形度s的函数n实验测定，对于s时n层流区Stokes定
4、律区Retn过渡区Allen定律区18.5Ret0.6n湍流区牛顿定律区思考：de与非圆管当量直径？与流体流动中的和 的比较Ret和Re的关系？第9页，本讲稿共51页非球形当量直径与非圆管当量直径定义应用非球形当量直径de=(6VP/)1/3Ret=deut/非圆管当量直径de=4流通截面润湿周边hf=(l/d e)u2/2第10页，本讲稿共51页Ret和Re比较定义式参数滞流湍流Ret=deut/颗粒与流体相对运动的雷诺数deut 颗粒性质流体性质Ret1000Re du/流体流动运动的雷诺数d管子尺寸u/流体性质Ret4000第11页，本讲稿共51页与流体流动中的、比较定义式计算式滞流区过
5、渡区湍流区颗粒沉降Fd=A u2/2 Ret仅与流体粘度有关18.5Ret0.6 0.44仅与形体阻力、即边界层分离有关流体流动直管阻力系数hf=(l/d)u2/2 64 Re f(Re,/d)常数仅与管壁粗糙度有关有关局部阻力系数Hf=u2/2第12页，本讲稿共51页n则沉降速度分别为：nut=d（S-）g n层流区ut=d（S-）g n过渡区ut=.d（S-）gRet0.6 n湍流区ut=.d（S-）g 第13页，本讲稿共51页.影响因素n颗粒特性nd（m，否则有布朗运动）nS（沉降，1000nK 第16页，本讲稿共51页重力沉降设备n降沉室从气流中分出尘粒n沉降槽提高悬浮液浓度n1降沉室
6、的设计原则n气体停留时间颗粒降到室底的时间nl/uH/utu使deu/处于滞流区n2降沉室生产能力nu=Vs/bHnVs=blut 与H无关n3 多层降沉室隔板间距mmnVs=(n+1)blut ut按最小颗粒尺寸计算HlbuutVs第17页，本讲稿共51页降尘室除尘效率ut=d（S-）g 粒径ut正比于d沉降时间除尘效率要达到100所需层数nddminut ut刚好停留时间沉降时间Ht/H=ut/ut刚好=d2dminut ut刚好停留时间沉降时间100%第18页，本讲稿共51页离心沉降n依靠惯性离心力场的作用实现的沉降过程n旋风分离器旋液分离器沉降离心机n3.2.离心沉降速度通式n合力离心
7、力向心力阻力nur=d（S-）*uT2/Rn层流区ur=d（S-）uT2/R nuT流体切向速度，相当于uinUr径向速度，相当于沉降速度第19页，本讲稿共51页n离心分离因数nKc=uT2/R/gn旋风分离器旋液分离器Kc5-2500第20页，本讲稿共51页3.2.2旋风分离器操作原理n含沉气体在器内做螺旋运动时，由于存在密度差，颗粒在惯性离心力的作用下被抛向器壁而与气流分离。外旋流上部为主要除尘区，净化气沿内旋流从排气管排出。内外旋流气体的旋转方向相同。第21页，本讲稿共51页旋风分离器性能参数n分离效率n临界粒径 理论上能够完全除去的最小颗粒尺寸n推导：气流螺旋形等速运动，切向速度等于进
8、口气速ui；颗粒穿过宽度为B的气流层到达壁面；颗粒做自由沉降，径向速度为nur=d（S-）uT2/R nS-S；uTui ；RRmnur=d S ui2/Rm 第22页，本讲稿共51页n颗粒到达壁面所需时间nt=B/ur=B Rmd S ui2n气流的有效旋转圈数为Ne（5），运行距离为2 Rm Ne，n则停留时间为n 2 Rm Ne/uin t=的颗粒为最小颗粒，则ndc=(9B/Nesui)1/2第23页，本讲稿共51页n讨论：dc与B成正比，因此选用小旋风分离器并联操作，以提高效率；另外降低气体温度，降低粘度，提高进口气速，均有利于提高分离效率。第24页，本讲稿共51页n分离总效率n进入
9、旋风分离器的全部颗粒被分离出来的质量百分率o=(C1-C2)/C1*100%nC1进口气体含沉浓度C2出口气体含沉浓度g/m3n粒级效率n规定粒径di的颗粒被分离下来的质量百分率nP=(C1i-C2i)/C1i*100%nP di的关系为粒级效率曲线，由试验测得。第25页，本讲稿共51页nP di/d50的关系曲线nd50是粒级效率恰好为50的颗粒直径，称为分割粒径。对于标准旋风分离器：nd50=0.27(D/ut(s-)1/2n对于同一结构形式，且尺寸比例相同的旋风分离器，无论大小，皆可通过同一条P di/d50曲线，这就给旋风分离器效率的估算带来了很大方便。第26页，本讲稿共51页n可由粒
10、级效率估算总效率nO Pi xinXi为粒径在小范围内占全部颗粒的质量分数第27页，本讲稿共51页压强降n摩擦阻力、局部阻力、动能损失nP u2/2n对于同一结构形式，且尺寸比例相同的旋风分离器8，n旋风分离器的P一般为5002000Pa。第28页，本讲稿共51页旋风分离器的结构形式和选用n提高分离效率，减小压强降n选择依据n处理量，即生产能力Vs；n根据处理量，选型，确定尺寸n允许的压强降；n根据尺寸，计算压强降，与设备允许值比较n除尘效率。n计算d50，由d/d50查粒级效率曲线，得到效率第29页，本讲稿共51页操作温度对沉降设备的影响T升高升高ut=dmin（S-）g 结果结果dc=(9
11、B/Nesui)1/2dmin=18ut （S-）g 1/增大ut减小ur减小沉降时间长降尘室操作型计算：处理量量不变，A不变，ut不不变则 dmin增大dc增大要保持dmin dc不变处理量要减小使uT减小减小体积流量增大ui增大uT增大停留时间短第30页，本讲稿共51页n流量为1m3/s的20度常压含尘气体在进入反应器前需尽可能除尽尘粒并升温至400度。已知固粒密度s=1800kg/m3，降尘室底面积65m2.n先除尘后升温理论上能够除去的最小颗粒直径；n先升温后除尘理论上能够除去的最小颗粒直径；n如欲更彻底地除尘，降尘室应如何改造？第31页，本讲稿共51页n用旋风分离器组处理上述尘粒。四
12、台直径为560mm的标准旋风分离器组成。先除尘后升温。气体处理量为2.4m3/s。试计算：n旋风分离器的离心分离因数；n临界粒径和分割粒径；n气体在旋风分离中的压强降。n标准旋风分离器：B=D/4；h=D/2；Ne=5 n8第32页，本讲稿共51页3.4 过滤分离n处理物系：悬浮液n特点：比沉降更迅速、彻底比干燥蒸发更节能n3.4.1 基本概念n过滤是以多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的操作。n悬浮液称为滤浆或料浆；液体称为滤液；固体物质称为滤饼或滤渣。第33页，本讲稿共51页过滤介质n过滤操作采用的多孔物质。n织物介质滤布
13、 棉 毛 丝 麻 玻璃丝 金属丝 565微米n堆积介质 用于深床过滤，细沙 木炭 石棉 硅藻土堆积而成n多孔固体介质 具有微细孔道的固体材料，多孔陶瓷 多孔塑料 多孔金属板 13微米第34页，本讲稿共51页饼层过滤与深层过滤n饼层过滤：固体物质沉降于过滤介质表面而形成滤饼层的操作。当颗粒在孔道中形成“架桥”现象之后，真正发挥截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质。适合处理固体含量高的悬浮液。n深层过滤：固体颗粒不形成滤饼层，而是沉积于较厚的粒状过滤介质床层内部的过滤操作。n应用场合：生产能力大，颗粒小，含量甚微 如饮水的净化n膜过滤：微滤和超滤第35页，本讲稿共51页滤饼的压缩性及助滤剂n当过滤
14、压强差发生变化时，如构成滤饼的颗粒形状及颗粒间空隙发生明显变化，即单位厚度床层的流动阻力发生明显变化，则滤饼为可压缩滤饼。n当以获得清净的滤液为目的产品时，可采用某种质地坚硬的助滤剂预涂于过滤介质或预混于悬浮液，以形成疏松饼层，降低可压缩滤饼的流动阻力，提高过滤速率。n刚性颗粒，使滤饼具有良好的渗透性、较高的空隙率及较低的流动阻力。n化学稳定，不溶于液相。第36页，本讲稿共51页3.4.2过滤基本方程n从分析滤液通过滤饼层流动的特点入手，将复杂的实际流动加以简化，推导基本方程式，并以此分析强化过滤操作的途径。n1流动特点n滤液通道细小曲折，形成不规则的网状结构；n随着过滤进行，滤饼厚度不断增加
15、，流动阻力逐渐加大，非定态n细小而密集的颗粒层提供了很大的液固接触表面，滤液的流动大都在滞流区。第37页，本讲稿共51页n2简化模型n颗粒层不规则通道长度为l的平行细管，l随滤饼层的厚度而变化。n细管的当量直径nde=4*流通截面（流道长度）润湿周边（流道长度）流道容积流道表面积n4（1）an细管的全部流动空间等于床层的空隙容积n细管的内表面积等于床层中颗粒的全部表面积第38页，本讲稿共51页n滤液通过平行细管作滞流流动，用泊谡叶方程描述：u=d2p/32l nu1=V/A隙V/A=u/=de2pc/32LnL床层厚度 de孔道当量直径4（1）an代入u=3/5（1）2a2 pc/L第39页，
16、本讲稿共51页3 过滤速率和过滤速度n过滤速率：单位时间获得的滤液体积dv/dn过滤速度：单位面积上的过滤速率第40页，本讲稿共51页4不可压缩滤饼的过滤基本方程式第41页，本讲稿共51页5 可压缩滤饼的过滤基本方程式第42页，本讲稿共51页6基本方程式的应用n提高过滤速率的措施n分析洗涤速率和最终过滤速率之间的关系n指导过滤机的设计，获得最大生产能力n针对具体的过滤操作方式，对基本方程式积分，可得到不同操作条件下的计算式第43页，本讲稿共51页3.4.3 恒压过滤第44页，本讲稿共51页3.4.4先恒速后恒压过滤第45页，本讲稿共51页3.4.5 过滤常数的测定第46页，本讲稿共51页3.4
17、.6 过滤设备n按操作方式n间歇、连续n操作压强n压滤、吸滤、离心n板框过滤机叶滤机：间歇压滤n转筒真空过滤机：连续吸滤n应用场合：第47页，本讲稿共51页滤饼的洗涤n目的：回收滞留在颗粒缝隙间的滤液，或净化构成滤饼的颗粒。n板框过滤机：横穿洗涤法；叶滤机：置换洗涤法n操作压强差与过滤终了时相同，第48页，本讲稿共51页过滤机的生产能力n间歇式n连续式第49页，本讲稿共51页n已知某板框过滤机有20个滤框，尺寸为45045025mm。滤饼与滤液的体积之比为0.043。滤饼不可压缩。试验测得，该机在恒定压差50.5KPa下的过滤方程为：q2+0.04q=5.1610-5，求：n框全充满所需时间；
18、n若改为恒速操作，初始压差为50.5KPa，框全充满所需时间及过滤终了时的压差；n若操作压差由50.5KPa开始，先恒速操作至151.5KPa，再恒压操作，求框全充满所需时间；n若在151.5KPa下恒压过滤，但由于初始压差过大，造成比阻r增大20，求框全充满所需时间。第50页，本讲稿共51页n用叶滤机在等压条件下过滤某悬浮液，试验测得，过滤开始后20min和30min，获得累积滤液量0.53m3/m2 和0.66m3/m2，过滤后，用相当于滤液体积0.1的清水在相同压差下洗涤滤饼，洗涤水粘度为滤液粘度的0.5倍。n若洗涤后辅助时间为30min，问每周期过滤时间为多长才能使叶滤机达到最大生产能力？为多少？n若由于工人的工作效率提高，使得辅助时间减少为20min，此时每周期过滤时间为多长才能使叶滤机达到最大生产能力？为多少？第51页，本讲稿共51页