(1.2.1)--3.1 沉降化工原理课件.ppt
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1、第三章第三章 非均相物系的分离非均相物系的分离 概述概述 3.1 沉降沉降3.2 过滤3.3 固体流固体流态化化概概 述述一、均相混合物一、均相混合物物系内部各处均匀,物系内部各处均匀,不存在相界面不存在相界面如:溶液、混合气体如:溶液、混合气体分离方法:分离方法:蒸馏:分离苯甲苯溶液蒸馏:分离苯甲苯溶液吸收:分离含氨的混合空气吸收:分离含氨的混合空气萃取:丙酮水氯苯溶液的分离萃取:丙酮水氯苯溶液的分离结晶:盐水中提取固体盐结晶:盐水中提取固体盐二、非均相物系二、非均相物系由具有由具有不同物理性质不同物理性质的的分散物质和连续介质分散物质和连续介质所组所组成的物系,有成的物系,有多个相界面多个
2、相界面。分散相:物系中处于分散状态的物质分散相:物系中处于分散状态的物质 如:固体颗粒、液滴等。如:固体颗粒、液滴等。连续相:包围分散物质且处于连续状态的物质,连续相:包围分散物质且处于连续状态的物质,又称分散介质。又称分散介质。概概 述述分类:分类:根据连续相的状态根据连续相的状态气态非均相物系气态非均相物系:含尘气体,含雾气体;:含尘气体,含雾气体;液态非均相物系液态非均相物系:悬浮液,乳浊液,泡沫液。:悬浮液,乳浊液,泡沫液。分离方法:分离方法:沉降沉降:重力沉降、离心沉降;:重力沉降、离心沉降;过滤过滤:重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心:重力过滤、加压过滤、真空过滤、离心过滤等。过滤
3、等。概概 述述分离目的:分离目的:得到合格的产品;得到合格的产品;回收有用组分:回收催化剂颗粒;回收有用组分:回收催化剂颗粒;环境保护。环境保护。概概 述述3.1.1 颗粒与粒与颗粒床粒床层的特性的特性3.1.2 重力沉降重力沉降3.1.3 离心沉降离心沉降3.1 沉降沉降一、一、单颗粒的特性粒的特性二、二、颗粒群的特性粒群的特性三、三、颗粒粒床床层的特性的特性3.1.1 颗粒与颗粒床层的特性颗粒与颗粒床层的特性一、一、单颗粒的特性单颗粒的特性(一一)球形颗粒球形颗粒体积:体积:表面积:表面积:比表面积:单位体积颗粒具有的表面积比表面积:单位体积颗粒具有的表面积(二二)非球形非球形颗粒粒体积当
4、量直径体积当量直径de:体积相等:体积相等表面积当量直径表面积当量直径des:等表面积:等表面积比表面积当量直径比表面积当量直径da:等比表面积:等比表面积 形状因数形状因数s:球形度:球形度与颗粒与颗粒等体积等体积的球体的表面积除以颗粒的表面积的球体的表面积除以颗粒的表面积说明:说明:非球形颗粒:非球形颗粒:s 1;球形颗粒:;球形颗粒:s=1;s值越大,颗粒形状越接近于球形;值越大,颗粒形状越接近于球形;对于非球形颗粒,常用体积当量直径对于非球形颗粒,常用体积当量直径de 及球形及球形度度s来表示其特征。来表示其特征。二、颗粒群的特性二、颗粒群的特性(一)粒度分布(一)粒度分布不同粒径范围
5、内所含不同粒径范围内所含颗颗粒的个数或质量分数。粒的个数或质量分数。测量量颗粒粒粒粒度度有有筛分分法法、光光学学法法、电学学法法、流流体体力力学学法法等等。工工业上上常常见固固定定床床中中的的混混合合颗粒粒,粒粒度度一一般般大大于于70m,通通常常采采用用筛分分的的方方法法来来分分析析颗粒群的粒度分布。粒群的粒度分布。泰勒泰勒标准准筛振动筛振动筛标准筛机标准筛机滚动筛滚动筛(二二)颗粒群的平均直径粒群的平均直径二、颗粒群的特性二、颗粒群的特性设粒径为设粒径为dpi 粒子的质量分率为粒子的质量分率为xi,则:,则:三、颗粒床层的特性三、颗粒床层的特性固定床(固定床(Fixed bed):):固定
6、不固定不动的固体的固体颗粒粒层例例:固固定定床床催催化化反反应器器、离离子子交交换器器等等。流流体体在在固固定床中的流定床中的流动状状态直接影响直接影响传热、传质与化学反与化学反应(一一)床层的空隙率床层的空隙率定义:定义:颗粒床层中空隙体积与床层总体积之比。颗粒床层中空隙体积与床层总体积之比。说明:说明:提高颗粒的大小均匀性可增大空隙率提高颗粒的大小均匀性可增大空隙率。影响因素影响因素颗粒形状颗粒形状 粒度分布粒度分布床层直径床层直径/颗粒直径颗粒直径填充方法填充方法颗粒表面光滑度颗粒表面光滑度其他其他球形度球形度粒度分布不均匀性粒度分布不均匀性光滑度光滑度湿法填充湿法填充填充时受到震动填充
7、时受到震动措施:措施:加大床径,减小颗粒直径。加大床径,减小颗粒直径。器壁效应器壁效应 同一截面上的床层空隙率不同,壁面附同一截面上的床层空隙率不同,壁面附近近 较大,较大,床层中心床层中心 较小,较小,故流体驱向壁面处故流体驱向壁面处流过,使流体沿床层分布不均,且流体通过床流过,使流体沿床层分布不均,且流体通过床层的速度不均。层的速度不均。(二二)床层的自由截面积床层的自由截面积定义:单位床层截面上未被颗粒占据的面积,定义:单位床层截面上未被颗粒占据的面积,即:即:颗粒床层横截面上可供流体流通的空隙面积颗粒床层横截面上可供流体流通的空隙面积。(三三)床层的比表面积床层的比表面积定义:单位体积
8、床层定义:单位体积床层中所具有的颗粒物料表面积中所具有的颗粒物料表面积(a)。三、颗粒床层的特性三、颗粒床层的特性一、重力沉降一、重力沉降二、重力沉降二、重力沉降设备3.1.2 重力沉降重力沉降沉降沉降 定定义义:在在某某种种力力场场中中利利用用分分散散相相和和连连续续相相之之间间的的密密度度差差异异,使使之之发发生生相相对对运运动动而而实实现现分分离离的的操操作过程。作过程。作用力作用力 重力重力 惯性离心力惯性离心力 重力重力 沉降沉降离心沉降离心沉降(一)(一)颗粒粒的自由沉降的自由沉降自自由由沉沉降降:单个个颗粒粒在在流流体体中中沉沉降降,或或者者颗粒粒群群在在流流体体中中足足够分分散
9、散、颗粒粒之之间互互互互不不不不接接接接触触触触和和和和互互互互不不不不碰碰碰碰撞撞撞撞条条件下的沉降。件下的沉降。阻力阻力Fd浮力浮力Fb重力重力Fg1.球形颗粒的自由沉降球形颗粒的自由沉降一、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降由牛由牛顿第二定律第二定律颗粒开始沉降后:颗粒开始沉降后:u Fd;u ut 时,时,a=0。分析:分析:颗粒开始沉降的瞬间:颗粒开始沉降的瞬间:速度速度u=0,因此阻力因此阻力Fd=0,amax 一、重力沉降一、重力沉降加速加速阶段:加速运段:加速运动;等速等速阶段:等速运段:等速运动。沉降速度表达式沉降速度表达式等等速速阶阶段段中中颗颗粒粒相相对对与与流
10、流体体的的运运动动速速度度ut 称称为为沉沉降速度。降速度。当当a=0时,时,u=ut2.阻力系数阻力系数实践践证明明,阻阻力力系系数数是是颗粒粒与与流流体体相相对运运动时雷雷诺准数和球形度的函数。准数和球形度的函数。一、重力沉降一、重力沉降Ress=1-Ret关系曲线关系曲线一、重力沉降一、重力沉降对于对于球形颗粒球形颗粒的曲线,按的曲线,按Ret值大致分为三个区:值大致分为三个区:斯托克斯公式斯托克斯公式a)滞流区或托斯克斯定律区滞流区或托斯克斯定律区(104Ret1)一、重力沉降一、重力沉降艾伦公式艾伦公式 b)过渡区或艾伦定律区(过渡区或艾伦定律区(1Ret103)c)湍流区或牛顿定律
11、区湍流区或牛顿定律区(103Ret 2105)牛顿公式牛顿公式 3.影响沉降速度的因素影响沉降速度的因素一、重力沉降一、重力沉降1)颗粒的体积浓度)颗粒的体积浓度 在在前前面面介介绍绍的的各各种种沉沉降降速速度度关关系系式式中中,当当颗颗粒粒的的体体积积浓浓度度小小于于0.2%时时,理理论论计计算算值值的的偏偏差差在在1%以以内内,但但当当颗颗粒粒浓浓度度较较高高时时,由由于于颗颗粒粒间间相相互互作作用用明明显显,便便发发生生干干扰扰沉沉降降,自自由由沉沉降降的的公公式式不不再再适用。适用。2)器壁效应)器壁效应一、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降颗颗粒粒与与容容器器壁壁面面间间的
12、的摩摩擦擦碰碰撞撞对对颗颗粒的沉降速度产生的影响。粒的沉降速度产生的影响。颗颗粒粒粒粒径径d与与容容器器直直径径D之之比比值值越越大大,器器壁壁效效应应影影响响越越大大。一一般般当当d/D0.01 时时,器器壁壁效效应应的的影影响响会会使颗粒的沉降速度减小。使颗粒的沉降速度减小。层流校正:层流校正:湍流校正:湍流校正:一、重力沉降一、重力沉降3)颗粒形状的影响)颗粒形状的影响 颗粒的颗粒的s s愈小愈小,对应于同一,对应于同一Ret值的值的愈大愈大;s对对的影响在的影响在滞流区不显著滞流区不显著,随,随Ret,影响,影响。球形度球形度球形颗粒,球形颗粒,s=1;颗粒形状与球形差异愈大,球形度颗
13、粒形状与球形差异愈大,球形度s值愈低。值愈低。对于非球形颗粒,对于非球形颗粒,Ret中的直径用中的直径用de代替代替。4.沉降速度沉降速度ut(Settling Velocity)的计算)的计算试差法:试差法:假设流型假设流型相应公式求相应公式求ut计算计算Ret输出输出utYesNo一、重力沉降一、重力沉降检验流型检验流型摩擦数群法:摩擦数群法:取:取:一、重力沉降一、重力沉降取取K为判据:为判据:层流区:层流区:Ret1,K 2.62,斯托克斯公式求,斯托克斯公式求ut 过渡区:过渡区:K=2.6269.1,阿仑公式,阿仑公式湍流区:湍流区:K69.1,牛顿公式,牛顿公式一、重力沉降一、重
14、力沉降无因次数群无因次数群K也可以也可以判别流型判别流型 一、重力沉降一、重力沉降计计算算ut:先先由由已已知知数数据据算算出出Ret2的的值值,再再由由Ret2Ret曲线查得曲线查得Ret值值,最后由,最后由Ret反算反算ut。因因是是Ret的的函函数数,Ret2必必然然也也是是Ret的的函函数数,Ret曲线便可转化成曲线便可转化成 Ret2Ret曲线。曲线。计算算颗粒的直径粒的直径d:2)将将Ret-1Ret关关系系绘成成曲曲线,由由Ret-1值查得得Ret的的值;3)再根据再根据沉降速度沉降速度ut值计算算d。一、重力沉降一、重力沉降1)令令与与Ret-1相乘,相乘,4.非球形非球形颗粒
15、的自由沉降粒的自由沉降一、重力沉降一、重力沉降Ress=1例例:试试计计算算直直径径为为95m,密密度度为为3000kg/m3的的固固体体颗粒分别在颗粒分别在20的空气和水中的自由沉降速度。的空气和水中的自由沉降速度。查附录,查附录,20水:水:=998.2kg/m3,=1.00510-3Pa.s解:解:1)在)在20水中的沉降水中的沉降用试差法计算用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降先假设颗粒在滞流区内沉降核算流型核算流型 原假设滞流区正确原假设滞流区正确,求得的沉降速度有效。,求得的沉降速度有效。2)20的空气中的沉降速度的空气中的沉降速度用摩擦数群法计算用摩擦数群法计算20空气:空气:
16、=205 kg/m3,=8110-5 Pa.s根据无因次数根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型值判别颗粒沉降的流型 2.61K69.1,沉沉降降在在过过渡渡区区。用用艾艾伦伦公公式式计计算算沉降速度。沉降速度。例:例:密度为密度为s=1630kg/m3的塑料珠在的塑料珠在20的的CCl4液体中的沉降速度为液体中的沉降速度为1.70 10-3m/s,20时时CCl4的的密密度度=1590 kg/m3,黏度黏度=1.03 10-3Pa.s,求此塑料求此塑料珠的直径珠的直径。解:先假设小珠在滞流区内沉降解:先假设小珠在滞流区内沉降核算流型核算流型 原假设滞流区正确原假设滞流区正确,小珠的直径约为,小珠
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