化工原理第三章机械分离课件.ppt
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1、2022-8-10第第第第第第三三三三三三章章章章章章 非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离一、重力沉降一、重力沉降1、球形颗粒的自由沉降、球形颗粒的自由沉降2、阻力系数、阻力系数3、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素4、沉降速度的计算、沉降速度的计算5、分级沉降、分级沉降二、降尘室二、降尘室1、降尘室的结构、降尘室的结构2、降尘室的生产能力、降尘室的生产能力第第第第第第一一一一一一节节节节节节 沉降分离沉降分离沉降分离沉降分离沉降分离沉降分离2022-8-10混合物 均相混合物 非均相混合物 物系内部各处物料性质均匀性质均匀而且不存在相界面
2、的混合物。例如:互溶溶液、混合气体 物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同物料性质截然不同的混合物。例如固体颗粒和气体构成的含尘气体固体颗粒和液体构成的悬浮液 不互溶液体构成的乳浊液 液体颗粒和气体构成的含雾气体2022-8-10非均相物系 分散相 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 连续相分散相介质 包围着分散相物质且处于连续状态的流体 如:气态非均相物系中的气体 液态非均相物系中的连续液体 分离机械分离 沉降 过滤 不同的物理性质 连续相与分散相发生相对运动的方式 分散相和连续相 2022-8-10 一、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降一
3、、重力沉降一、重力沉降一、重力沉降 沉降沉降 :在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异 ,使之发生相对运动而实现分离的操作过程。作用力 重力 惯性离心力 重力 沉降离心沉降 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 设颗粒的密度为s,直径为d,流体的密度为,2022-8-10重力 gdFsg36浮力 gdFb36 而阻力随着颗粒与流体间的相对运动速度而变,可仿照流体流动阻力的计算式写为:22uAFd24dA对球形颗粒 2422udFd2022-8-10adudgdgdss3223362466(颗粒开始沉降的瞬间,速度u=0,因此阻力Fd=0,amax 颗粒开始沉
4、降后,u Fd;u ut 时,a=0。等速阶段中颗粒相对于流体的运动速度ut 称为沉降速度。当a=0 时,u=ut,代入(a)式024662233tsudgdgd 3)(4stdgu沉降速度表达式(a)2022-8-102、阻力系数、阻力系数 通过因次分析法得知,值是颗粒与流体相对运动时的雷诺数 Ret 的函数。对于球形颗粒的曲线,按Ret 值大致分为三个区:a)滞流区或托斯克斯滞流区或托斯克斯(stokes)定律区(定律区(10 4Ret2)tRe24182gdust斯托克斯公式2022-8-102022-8-106.0Re5.18t6.0Re269.0tstgdu艾伦公式 c)滞流区或牛顿
5、定律区(滞流区或牛顿定律区(Nuton)()(500Ret 2105)44.0gdust74.1牛顿公式 b)过渡区或艾伦定律区(过渡区或艾伦定律区(Allen)()(2Ret500)2022-8-103、影响沉降速度的因素、影响沉降速度的因素 1)颗粒的体积浓度)颗粒的体积浓度 干扰沉降:颗粒之间距离小,沉降时受其他颗粒影响的沉降 在各种沉降速度关系式中,当颗粒的体积浓度小于0.2%时,理论计算值的偏差在1%以内,但当颗粒浓度较高时,由于颗粒间相互作用明显,便发生干扰沉降,自由沉降的公式不再适用。2022-8-10Dduutt1.213)颗粒形状的影响)颗粒形状的影响球形度psSS对于球形颗
6、粒,s=1,颗粒形状与球形的差异愈大,球形度s值愈低。2)器壁效应)器壁效应器壁效应:器壁效应:颗粒靠近器壁沉降时,由于受到器壁的作用,沉降速度要比自由沉降小,这种影响称为干扰沉降。当器壁尺寸远远大于颗粒尺寸时,(例如在100倍以上)容器效应可忽略,否则需加以考虑。2022-8-10对于非球形颗粒:雷诺准数 Ret中的直径要用当量直径de代替:36epdV36PeVd 颗粒的球形度愈小,对应于同一Ret值的阻力系数愈大;s值对的影响在滞流区并不显著,随着Ret的增大,这 种影响变大。2022-8-104、沉降速度的计算、沉降速度的计算 1)试差法)试差法 假设沉降属于层流区 方法182gdus
7、tut dutReRet Ret2ut为所求Ret2 艾伦公式求ut判断公式适用为止 2)摩擦数群法摩擦数群法 34stgdu由得234tsudg2022-8-1022222Rettd u23234Regdst32gdks令234Re3tk 因是Ret的函数,Ret2必然也是Ret的函数,Ret曲线便可转化成 Ret2Ret曲线。计算计算ut:先由已知数据算出Ret2的值,再由Ret2Ret曲线查得Ret值,最后由Ret反算ut。duttRe2022-8-102022-8-10计算颗粒的直径计算颗粒的直径d:1)令与Ret-1相乘,2213)(4Retstug2)将Ret-1Ret关系绘成曲线
8、,由Ret-1值查得Ret的值;ttudRe判别流型判别流型 182gdust2318Regdst183K3)再根据沉降速度ut值计算d。2022-8-10182gdust 由附录查得:20时水的密度为998.2kg/m3,=1.00510-3 Pa.s例:例:试计算直径为95m,密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20的空气和水中的自由沉降速度。解:1)在20水中的沉降 用试差法计算 先假设颗粒在滞流区内沉降:2022-8-1032610005.11881.92.99830001095tusm/10797.93核算流型 ttduRe33610005.12.99810797.9109592
9、44.02原假设滞流区正确,求得的沉降速度有效。2)20的空气中的沉降速度 用摩擦数群法计算 20空气:=205 kg/m3,=8110-5 Pa.s 根据无因次数K值判别颗粒沉降的流型 2022-8-1032gdKs32561081.181.9205.13000205.1109552.42.61K69.1,沉降在过渡区。用艾伦公式计算沉降速度。4.16.04.14.04.114.16.14.11154.0stdgusm/619.05、分级沉降、分级沉降 含有两种直径不同或密度不同的混合物,也可用沉降方法加以分离。2022-8-10 例:本题附图所示为一双锥分级器,利用它可将粒子密度不同或尺寸
10、不同的混合物分开。混合粒子由上部加入,水经可调锥与外壁的环形间隙向上流过。沉降速度大于水在环隙处上升流速的颗粒进入底流,而沉降速度小于该流速的颗粒则被溢流带出。2022-8-10利用此双锥分级器对方铅矿方铅矿与石英石英两种粒子混合物分离。已知:粒子形状 正方体 粒子尺寸 棱长为0.080.7mm 方铅矿密度 s1=7500kg/m3 石英密度 s2=2650kg/m3 20水的密度和粘度 =998.2kg/m3 =1.00510-3 Pas假定粒子在上升水流中作自由沉降,试求:1)欲得纯方铅矿粒,水的上升流速至少应取多少)欲得纯方铅矿粒,水的上升流速至少应取多少m/s?2)所得纯方铅矿粒的尺寸
11、范围所得纯方铅矿粒的尺寸范围。2022-8-10解:解:1)水的上升流速 为了得到纯方方铅矿粒,应使全部石英粒子被溢流带出,按最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速按最大石英粒子的自由沉降速度决定水的上升流速。对于正方体颗粒,先算出其当量直径和球形度。设l代表棱长,V p代表一个颗粒的体积。36peVd336lm43310685.8)107.0(6psSS226lde806.0)107.0(610685.82342022-8-10用摩擦数群法求最大石英粒子的沉降速度22223)(4Regdset14000)10005.1(381.92.998)2.9982650()10685.8(4233
12、4s=0.806,查图3-3的,Ret=60,则:ettduRe4310685.82.99810005.160sm/0696.02022-8-102)纯方铅矿的尺寸范围 纯方铅矿粒尺寸最小的沉降速度应等于0.0696m/s,用摩擦数群法计算该粒子的当量直径。32113)(4Retstug2544.0)0696.0(2.998381.9)2.9987500(10005.14323s=0.806,查图3-3的,Ret=22,则:2022-8-10tteudRe0696.02.99810005.1223m410182.3与此当量直径相对应的正方体的棱长为:36edl 34610182.3m41056
13、5.2所得方铅矿的棱长范围为0.25650.7mm。2022-8-10二、降尘室二、降尘室二、降尘室二、降尘室二、降尘室二、降尘室1、降尘室的结构、降尘室的结构 2、降尘室的生产能力、降尘室的生产能力 降尘室的生产能力是指降尘室所处理的含尘气体的体积流量,用Vs表示,m3/s。2022-8-10 降尘室内的颗粒运动 以速度u随气体流动 以速度ut作沉降运动2022-8-102022-8-10 颗粒在降尘室的停留时间 ul 颗粒沉降到室底所需的时间 tth ut 为了满足除尘要求 tlhuu降尘室使颗粒沉降的条件降尘室使颗粒沉降的条件vquhbvvllhbqqhbvtlhbhquvtqblu降尘
14、室的生产能力降尘室的生产能力 降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积bl和颗粒的沉降速度ut有关,而与降尘室的高度无关。2022-8-103、降尘室的计算、降尘室的计算 降尘室的计算 设计型操作型已知气体处理量和除尘要求,求降尘室的大小求降尘室的大小 用已知尺寸的降尘室处理一定量含尘气体时,计算:可以完全除掉的最小颗粒的尺寸可以完全除掉的最小颗粒的尺寸 要求完全除去直径要求完全除去直径d dp p的尘粒时所的尘粒时所 能处理的气体流量能处理的气体流量2022-8-10 例:例:拟采用降尘室除去常压炉气中的球形尘粒。降尘室的宽和长分别为2m和6m,气体处理量为1m3/s(标),炉气温度为427,相
15、应的密度=0.5kg/m3,粘度=3.410-5Pa.s,固体密度S=400kg/m3,操作条件下,规定气体速度不大于气体速度不大于0.5m/s,试求:1降尘室的总高度高度H,m;2理论上能完全分离下来的最小颗粒尺寸最小颗粒尺寸;3.粒径为40m的颗粒的回收百分率回收百分率;4.欲使粒径为10m的颗粒完全分离下来,需在降降尘 室内 设置几层水平隔板?2022-8-10解:解:1)降尘室的总高度H3027327342712.564/273273vtqVms vqhbu2.5642 0.5m564.2 2)理论上能完全除去的最小颗粒尺寸 vtqublsm/214.062564.2用试差法由u t求
16、 d min。假设沉降在斯托克斯区 2022-8-10gudst18min807.95.04000214.0104.3185m51078.5 核算沉降流型 555.78 100.214 0.5Re0.18223.14 10ttdu原假设正确 3、粒径为40m的颗粒的回收百分率 粒径为40m的颗粒定在滞流区,其沉降速度 smgdust/103.0104.318807.95.0400010401852622022-8-10气体通过降沉室的时间为:2.564120.214thsu直径为40m的颗粒在12s内的沉降高度为:0.103 121.234thum 假设颗粒在降尘室入口处的炉气中是均匀分布的,
17、则颗颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒在降尘室内的沉降高度与降尘室高度之比约等于该尺寸颗粒被分离下来的百分率。粒被分离下来的百分率。直径为40m的颗粒被回收的百分率为:1.234100%48.13%2.564hh2022-8-104、水平隔板层数 由需要完全除去的最小粒径求沉降速度,由生产能力和底面积求得多层降尘室的水平隔板层数。粒径为10m的颗粒的沉降必在滞流区,smgdust/1041.6104.318807.95.0400010118362521vtqnblu1104.662564.233.32取取3333层层 板间距为 1hhnm0754.0133564.2202
18、2-8-10第第第第第第三三三三三三章章章章章章 非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离一、离心沉降速度一、离心沉降速度二、旋风分离器操作原理二、旋风分离器操作原理三、旋风分离器的性能三、旋风分离器的性能四、旋风分离器的结构型四、旋风分离器的结构型式与选用式与选用第第第第第第二二二二二二节节节节节节 离心沉降离心沉降离心沉降离心沉降离心沉降离心沉降2022-8-10重力场离心力场力场强度重力加速度gut2/R 方向指向地心 沿旋转半径从中心指向外周 Fg=mg RumFtC2作用力 2022-8-10一、离心沉降速度一、离心沉降速度一、离心沉降速度
19、一、离心沉降速度一、离心沉降速度一、离心沉降速度1、离心沉降速度、离心沉降速度ur惯性离心力=Rudts236浮力=Rudt236阻力=2422rud三力达到平衡,则:Rudts236Rudt23602422rud2022-8-10 平衡时颗粒在径向上相对于流体的运动速度ur便是此位置上的离心沉降速度。Rudutsr3422、离心沉降速度与重力沉降速度的比较、离心沉降速度与重力沉降速度的比较 表达式:重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度数值:重力沉降速度为颗粒运动的绝对速度,基本上为定值 离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量,随颗粒在 离心力场中的位置而变。2022-8-10阻力系数:
20、层流时eR24Rudutsr2218 同一颗粒在同一种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值为:cTtrKgRuuu2 比值Kc就是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比称为离心分离因数。例如;当旋转半径R=0.4m,切向速度uT=20m/s时,求分离因数。1022gRuKTc2022-8-10二、旋风分离器的操作原理二、旋风分离器的操作原理二、旋风分离器的操作原理二、旋风分离器的操作原理二、旋风分离器的操作原理二、旋风分离器的操作原理2022-8-102022-8-10三、旋风分离器的性能三、旋风分离器的性能三、旋风分离器的性能三、旋风分离器的性能三、旋风分离器的性能三、旋风分离
21、器的性能 旋风分离器性能的主要操作参数为气体处理量,气体处理量,分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。分离效率和气体通过旋风分离器的压强降。1、气体处理量、气体处理量 旋风分离器的处理量由入口的气速决定,入口气体流量是旋风分离器最主要的操作参数。一般入口气速ui在1525m/s。旋风分离器的处理量 hBuVi2022-8-102、临界粒径 判断旋风分离器分离效率高低的重要依据是临界粒径。临界粒径临界粒径:理论上在旋风分离器中能完全分离下来的最小颗粒直径。1)临界粒径的计算式临界粒径的计算式 a)进入旋风分离器的气流严格按照螺旋形路线作等速运动,且切线速度恒定,等于进口气速ut=ui;b)颗粒沉
22、降过程中所穿过的气流厚度为进气口宽度BRuduTsr2218表示c)颗粒在滞流情况下做自由沉降,径向速度可用 2022-8-10S,故可略去,而旋转半径R可取平均值Rm,并用进口速度ui代替ut。气流中颗粒的离心沉降速度为:misrRudu1822颗粒到达器壁所需要的时间:2218ismrtudBRuB停留时间为:imuNR2 对某尺寸的颗粒所需的沉降时间t恰好等于停留时间,该颗粒就是理论上能被完全分离下来的最小颗粒,用dc表示这种颗粒的直径,即临界粒径。2022-8-10imiscmuNRudBR21822iscuNBd9临界粒径的表达式 2)临界粒径的影响因素)临界粒径的影响因素 a)由
23、iscuNBd9,知 Bdc即临界粒径随分离器尺寸的增大而增大。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。分离效率随分离器尺寸的增大而减小。b)入口气速ui愈大,dc愈小,效率愈高。2022-8-103、分离效率、分离效率 分离效率 总效率o 进入旋风分离器的全部粉尘中被分离下来的粉尘的质量分率%1001210CCC粒级效率pi 进入旋风分离器的粒径为di的颗粒被分离下来的质量分率%100121iiipiCCC2022-8-10 粒级效率pi与颗粒直径di 的对应关系可通过实测得到,称为粒级效率曲线。如 图,临 界 粒 径 约 为10m。理论上,凡直径大于10m的颗粒,其粒级效率都应为100%而小于1
24、0m的颗粒,粒级效率都应为零,图中折线obcd。2022-8-10实测的粒级效率曲线,直径小于10m的颗粒,也有可观的分离效果,而直径大于dc的颗粒,还有部分未被分离下来直径小于dc的颗粒中有些在旋风分离器进口处已很靠近壁面,在停留时间内能够达到壁面上有些在器内聚结成了大的颗粒,因而具有较大的沉降速度直径大于dc的颗粒气体涡流的影响,可能没达到器壁。即使沉到器壁也会被重新扬起 2022-8-10有时也把旋风分离器的粒级效率标绘成d/d50的函数曲线,d50为粒级效率为50%的颗粒直径,称为分割粒径。对于标准旋风分离器 05027.0iuDd2022-8-104、压强降、压强降气体通过旋风分离器
25、时,由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力,气体流动时的局部阻力以及气体旋转所产生的动能损失造成了气体的压强降,22cifup 对型式不同或尺寸比例不同的设备c的值也不同,要通过实验测定,对于标准旋风分离器c=8.0。旋风分离器的压降一般在3002000Pa内。2022-8-10第第第第第第三三三三三三章章章章章章 非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离非均相物系分离一、过滤操作的基本概念一、过滤操作的基本概念二、过滤基本方程式二、过滤基本方程式三、恒压过滤三、恒压过滤四、过滤常数的测定四、过滤常数的测定五、过滤设备五、过滤设备六、滤饼的洗涤六、滤饼的洗涤
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