非均相物系的分离和固体流态.pptx
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1、3.1 概述概述Overview1 混合物分类均相混合物(homogeneous mixture)溶液,混合气体非均相混合物(heterogeneous mixture)气态:含尘气体、含雾气体液态:悬浮液、乳浊液、泡沫液2 非均相混合物的分离方法机械分离(mechanical separation)依靠外力使分散相与连续相发生相对运动外力:重力,离心力,压力上页下页第1页/共98页3.1 概述概述颗粒相对于流体运动气固系统沉降分离:重力沉降、离心沉降液固系统增浓:重力增稠器,离心沉降乳浊液:离心分离机流体相对于颗粒床层运动液固系统过滤:重力过滤、加压(真空)过滤、离心过滤上页下页第2页/共9
2、8页3.1 概述概述4 机械分离目的回收有价值的分散组分净化分散介质环境保护和安全生产上页下页返回第3页/共98页3.2 颗粒及颗粒床层的特性颗粒及颗粒床层的特性 Characterization of Particles and Particulate Beds上页下页返回第4页/共98页1 单一颗粒特性单一颗粒特性1 1)球形颗粒)球形颗粒)球形颗粒)球形颗粒2)非球形颗粒)非球形颗粒(1)体积当量直径)体积当量直径上页下页第5页/共98页(2)形状系数(球形度)形状系数(球形度)非球形颗粒需要两个参数描述其性质非球形颗粒需要两个参数描述其性质上页下页第6页/共98页2 颗粒群的特性颗粒群
3、的特性1)粒度分布)粒度分布筛分:泰勒标准筛筛分:泰勒标准筛累计分布函数曲线和频率分布函数曲线累计分布函数曲线和频率分布函数曲线平均比表面积粒径平均比表面积粒径2)粒子的平均粒径)粒子的平均粒径上页下页返回第7页/共98页1 床层空隙率床层空隙率2 床层的比表面积床层的比表面积3 床层的自由截面积床层的自由截面积各向同性:自由截面等于床层孔隙率各向同性:自由截面等于床层孔隙率壁效应:流体分布不均匀壁效应:流体分布不均匀上页下页返回第8页/共98页1 床层的简化模型(物理模型)床层的简化模型(物理模型)长度长度L,当量直径当量直径deb的一组平行细管的一组平行细管细管的全部流动空间等于颗粒床层的
4、空隙容积细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积上页下页第9页/共98页2 流体通过床层压降的数学描述流体通过床层压降的数学描述上页下页第10页/共98页3 模型参数的实验测定(参数估计)模型参数的实验测定(参数估计)(1)康采尼实验结果(层流)康采尼实验结果(层流)上页下页第11页/共98页(2)欧根实验结果)欧根实验结果上页下页第12页/共98页例例31 在横截面积为在横截面积为1m2的固定床反应器的固定床反应器中装填直径中装填直径d=3mm、高度等于直径的圆柱高度等于直径的圆柱形催化剂形催化剂1m3。催化剂的质量
5、催化剂的质量G=980kg,其真密度其真密度 s=1760kg/m3。试求(试求(1)催化)催化剂的当量直径剂的当量直径de、球形度球形度 s、床层孔隙率床层孔隙率 及及比表面积比表面积ab;(;(2)20C的空气从下向上通的空气从下向上通过催化剂层,空塔速度过催化剂层,空塔速度u=0.2m/s,空气流空气流经催化剂床层的压降经催化剂床层的压降返回下页上页第13页/共98页3.3 沉降分离沉降分离Sedimentation Separations定义:在外力场作用下,利用分散相和连续相之间的密度差,使之发生定义: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
6、分离的操作。相对运动而实现非均相混合物分离的操作。分类:分类:重力沉降,离心沉降重力沉降,离心沉降自由沉降,干扰沉降自由沉降,干扰沉降刚性球形颗粒的自由沉降刚性球形颗粒的自由沉降离心沉降下页上页返回第14页/共98页1 沉降速度沉降速度1)球形颗粒的自由沉降)球形颗粒的自由沉降重力:重力:浮力:浮力:阻力:阻力:上页下页Gravity Sedimentation第15页/共98页沉降过程:加速段,恒速段沉降过程:加速段,恒速段沉降速度沉降速度2)阻力系数)阻力系数上页下页第16页/共98页层流区,斯托克斯公式层流区,斯托克斯公式过渡区,艾伦公式过渡区,艾伦公式湍流区,牛顿公式湍流区,牛顿公式上
7、页下页第17页/共98页3)影响沉降速度的因素)影响沉降速度的因素流体粘度:表面曳力,形体曳力流体粘度:表面曳力,形体曳力颗粒的体积分数:颗粒的体积分数:小于小于0.2%器壁效应器壁效应颗粒形状的影响,注意微细颗粒颗粒形状的影响,注意微细颗粒4)沉降速度的计算)沉降速度的计算(1)试差法,假设为某一区,然后验证。)试差法,假设为某一区,然后验证。(2)摩擦数群法)摩擦数群法上页下页第18页/共98页已知颗粒直径求沉降速度已知颗粒直径求沉降速度已知沉降速度求颗粒直径已知沉降速度求颗粒直径上页下页第19页/共98页(3)无因次判据法(适用于已知粒径求速度)无因次判据法(适用于已知粒径求速度)层流区
8、层流区过渡区过渡区湍流区湍流区上页下页第20页/共98页例例32 试计算直径为试计算直径为95 m、密度为密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在的固体颗粒分别在20C的空气和水中的自的空气和水中的自由沉降速度。由沉降速度。2 重力沉降设备重力沉降设备1)降尘室降尘室(1)单层降尘室)单层降尘室上页下页第21页/共98页要求层流,气速一般小于要求层流,气速一般小于1m/s,可除去大于可除去大于50m的颗粒的颗粒位于降尘室最高点的颗粒沉降至底室需要的时间位于降尘室最高点的颗粒沉降至底室需要的时间气体通过降尘室的时间气体通过降尘室的时间上页下页第22页/共98页(2)多层降尘室)多层降尘室隔板间距
9、:隔板间距:40100mm下页上页第23页/共98页降尘室可以完全除去的最小颗粒直径,假设在层流区,沉降速度:降尘室可以完全除去的最小颗粒直径,假设在层流区,沉降速度:流动阻力小,分离流动阻力小,分离50 m的粗颗粒,作预除尘的粗颗粒,作预除尘流体处于层流区流体处于层流区上页下页第24页/共98页上页下页第25页/共98页例例33 拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗粒。降尘室底面积为固体颗粒。降尘室底面积为10m2,宽和高均为宽和高均为2m。操作条件下,气体的密度为操作条件下,气体的密度为0.75kg/m3,粘度为粘度为2.610-5Pa.s;固体的
10、密度为固体的密度为3000kg/m3;降尘降尘室的生产能力为室的生产能力为3m3/s。试求(试求(1)理论上能完全捕)理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径;(集下来的最小颗粒直径;(2)粒径为)粒径为40 m的颗的颗粒的回收百分率;(粒的回收百分率;(3)如欲完全回收直径为)如欲完全回收直径为10 m的尘粒,在原降尘室内需设置多少层水平隔的尘粒,在原降尘室内需设置多少层水平隔板?板?上页下页第26页/共98页2)沉降槽)沉降槽结构与操作结构与操作作用作用提高悬浮液浓度提高悬浮液浓度得到澄清液体得到澄清液体上页下页第27页/共98页3)分级器)分级器不同粒度的颗粒进行分离不同粒度的颗粒进行分离不同
11、密度的颗粒进行分离不同密度的颗粒进行分离上页下页返回第28页/共98页1 惯性离心力作用下的沉降速度惯性离心力作用下的沉降速度上页下页Centrifugal Sedimentation第29页/共98页层流区层流区离心分离因数离心分离因数例:已知旋转半径例:已知旋转半径R0.4m,切向速度切向速度u=20m/s。则则 离心分离因数:离心分离因数:上页下页第30页/共98页重力沉降与离心沉降比较重力沉降与离心沉降比较1 形式:重力加速度,离心加速度形式:重力加速度,离心加速度2 方向:垂直向下,背离旋转中心方向:垂直向下,背离旋转中心3 性质:常数,与性质:常数,与R有关有关上页下页第31页/共
12、98页2 旋风分离器操作原理旋风分离器操作原理上页下页第32页/共98页旋风分离器实物图旋风分离器实物图上页下页第33页/共98页上页下页第34页/共98页3 旋风分离器性能旋风分离器性能1)临界粒径)临界粒径螺旋等速运动,切向速度等于进口气速螺旋等速运动,切向速度等于进口气速颗粒穿过整个进气宽度颗粒穿过整个进气宽度B到达壁面到达壁面颗粒处于层流区,自由沉降颗粒处于层流区,自由沉降颗粒沉降速度颗粒沉降速度沉降时间沉降时间上页下页第35页/共98页气体停留时间气体停留时间临界粒径临界粒径2)分离效率)分离效率总效率总效率上页下页第36页/共98页粒级效率粒级效率分割粒径分割粒径总效率与粒级效率总
13、效率与粒级效率上页下页第37页/共98页3)压强降)压强降上页下页范围:5002000Pa第38页/共98页例例35 用如图用如图37所示的标准旋风分离器出去气所示的标准旋风分离器出去气流中所含固体颗粒。已知固体密度为流中所含固体颗粒。已知固体密度为1100kg/m3,颗粒直径为颗粒直径为4.5 m;气体密度为气体密度为1.2kg/m3,粘粘度为度为1.8 10-5Pa.s,流量为流量为0.4m3/s;允许压强允许压强降为降为1780Pa。试估算采用以下方案时的设备尺寸试估算采用以下方案时的设备尺寸及分离效率。(及分离效率。(1)一台旋风分离器;()一台旋风分离器;(2)四台相)四台相同的旋风
14、分离器串联(同的旋风分离器串联(3)四台相同的旋风分离器并)四台相同的旋风分离器并联。联。上页下页第39页/共98页例例36 采用图采用图37所示的标准旋风分离器出去所示的标准旋风分离器出去气流中的尘粒,分离器的曲线见图气流中的尘粒,分离器的曲线见图39。已根据。已根据设备尺寸、操作条件及系统物性估算出分割粒径设备尺寸、操作条件及系统物性估算出分割粒径d50=5.7 m,求除尘总效率。求除尘总效率。上页下页第40页/共98页4 旋风分离器的结构型式与选用旋风分离器的结构型式与选用结构形式结构形式XLT/A型型倾斜螺旋面进口倾斜螺旋面进口XLP型型旁路分离室,蜗壳进口,在顶盖以下旁路分离室,蜗壳
15、进口,在顶盖以下扩散式扩散式上小下大,设有挡灰盘上小下大,设有挡灰盘选用选用选择型号选择型号计算流量、分离效率、允许的压强降计算流量、分离效率、允许的压强降确定尺寸与个数确定尺寸与个数上页下页返回第41页/共98页3.4 过滤过滤 Filtration上页下页返回第42页/共98页1 过滤过滤使悬浮液中的液体通过过滤介质的孔道,而固体颗粒被截留在介使悬浮液中的液体通过过滤介质的孔道,而固体颗粒被截留在介质上。质上。2 过滤方式过滤方式饼层过滤饼层过滤深床过滤深床过滤错流过滤(膜分离)错流过滤(膜分离)3 过滤介质过滤介质滤布:饼层过滤滤布:饼层过滤堆积介质:深床过滤堆积介质:深床过滤多孔固体介
16、质:超滤、微滤多孔固体介质:超滤、微滤下页上页第43页/共98页4 滤饼的压缩性滤饼的压缩性可压缩滤饼可压缩滤饼不可压缩滤饼不可压缩滤饼5 助滤剂助滤剂方法:预涂,预混方法:预涂,预混要求:刚性,化学稳定性,不会污染滤液要求:刚性,化学稳定性,不会污染滤液种类:硅藻土,珍珠岩,石棉,炭粉,纸浆粉等。种类:硅藻土,珍珠岩,石棉,炭粉,纸浆粉等。下页上页返回第44页/共98页1 滤液通过饼层的流动滤液通过饼层的流动1)滤液通过滤饼层流动的特点)滤液通过滤饼层流动的特点细小曲折,网状结构细小曲折,网状结构非稳态操作非稳态操作流动处于层流区流动处于层流区2)数学描述)数学描述上页下页第45页/共98页
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- 均相 分离 固体
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