流体力学-非均相物系分离讲诉课件.ppt
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- 流体力学 均相 分离 课件
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1、返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件第三章 非均相物系的分离返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.1 概述概述3.1.1 混合物的分类混合物的分类混合物混合物 均相混合物均相混合物(均相物系)(均相物系)非均相混合物非均相混合物(非均相物系)(非均相物系)物系内部各处组成均匀且物系内部各处组成均匀且不存在相界面不存在相界面物系内部有隔开两相的界物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料面存在且界面两侧的物料性质截然不同性质截然不同例如:溶液及混合气体例如:溶液及混合气体例如:含尘气体、悬浮液等例如:含尘气体、悬浮液等返回华南理工大学化工原理电
2、子课件华南理工大学化工原理电子课件非均相非均相物系物系分散相(分散物质):处于分散状态分散相(分散物质):处于分散状态的物质的物质,如固体颗粒、液滴、气泡如固体颗粒、液滴、气泡连续相(分散介质):包围着分散物质而连续相(分散介质):包围着分散物质而处于连续状态的物质处于连续状态的物质返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.1.2 非均相物系的分类非均相物系的分类 根据连续相的状态分:根据连续相的状态分:p液态非均相物系:固、液、气分散在液相中。液态非均相物系:固、液、气分散在液相中。悬浮液、乳浊液、泡沫液悬浮液、乳浊液、泡沫液p气态非均相物系:固、液分散在气相中。气态非
3、均相物系:固、液分散在气相中。含尘气体、含雾气体含尘气体、含雾气体返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.1.3 非均相物系的分离目的非均相物系的分离目的 p回收有用的分散相回收有用的分散相p净化连续相净化连续相p环境保护的需要环境保护的需要返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.1.4 非均相物系的分离方法非均相物系的分离方法1、沉降沉降:颗粒相对于流体运动。:颗粒相对于流体运动。重力沉降重力沉降 离心沉降离心沉降2、过滤过滤:流体相对于固体颗粒床层运动。:流体相对于固体颗粒床层运动。重力过滤重力过滤 加压过滤加压过滤 真空过滤真空过滤 离心过
4、滤离心过滤返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件7返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.2 颗粒及颗粒床的特性颗粒及颗粒床的特性 3.2.1 颗粒的特性颗粒的特性 表示颗粒大小的几何参数:大小(尺寸)、形状、表示颗粒大小的几何参数:大小(尺寸)、形状、表面积(或比表面积)。表面积(或比表面积)。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件1、球形颗粒、球形颗粒d:直径36:dV体积2:dA表面积dVAa6:比表面积返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件2、非球形颗粒、非球形颗粒(1)球形度球形度 亦称形状系数
5、,用于表征颗粒的形状与球形的差亦称形状系数,用于表征颗粒的形状与球形的差异程度。异程度。定义:体积与实际颗粒相等时球形颗粒表面积与定义:体积与实际颗粒相等时球形颗粒表面积与实际颗粒的表面积之比,即:实际颗粒的表面积之比,即:非球形颗粒表面积球形颗粒表面积与非球形颗粒等体积的ppAAAA返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件(2)当量直径当量直径等体积当量直等体积当量直径径 dv等表面积当量等表面积当量直径直径 ds等比表面积当等比表面积当量直径量直径 dappvaVd663psAd paad6返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3、颗粒群的特性、颗
6、粒群的特性由大小和形状不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。由大小和形状不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。(1)粒度分布)粒度分布n 不同粒径范围内所含粒子的个数或质量占颗粒总不同粒径范围内所含粒子的个数或质量占颗粒总量的百分数称为粒度分布;量的百分数称为粒度分布;n对工业上常见的尺寸大于对工业上常见的尺寸大于40m的颗粒群,一般采的颗粒群,一般采用标准筛进行粒度分布测量,称为用标准筛进行粒度分布测量,称为筛分筛分。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件(2)筛分分析与泰勒标准筛)筛分分析与泰勒标准筛目数目数 孔径孔径m目数目数 孔径孔径m346810142035668046
7、9933272362165111688334174865100150200270400295208147104745338泰勒标准筛泰勒标准筛返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件(3)颗粒群的平均粒径)颗粒群的平均粒径iiadxd1da:平均比表面积直径;di:筛分直径(两筛号筛孔的算术平均值);xi:di 粒径段内颗粒的质量分数。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.2.2 颗粒床的特性颗粒床的特性 由颗粒堆积而成的颗粒层称为颗粒床层。由颗粒堆积而成的颗粒层称为颗粒床层。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件 1、床层的
8、空隙率、床层的空隙率 单位体积床层所具有的空隙体积单位体积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。p空隙率通过实验测得空隙率通过实验测得p一般乱堆床层的空隙率大致在一般乱堆床层的空隙率大致在0.470.70之间之间床层体积颗粒体积)(床层体积床层体积空隙体积返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件2、床层的比表面积、床层的比表面积 单位体积床层所具有的颗粒的表面积称为单位体积床层所具有的颗粒的表面积称为床层的比表面积。床层的比表面积。a ab b=(1-)=(1-)a a ab床层比表面积;床层比表面积;a 颗粒的比表面积;颗粒的比表面积;床层空隙率。床层空隙率。返回华南理工大
9、学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.3 颗粒的沉降颗粒的沉降 3.3.1 重力沉降重力沉降3.3.2 重力沉降分离设备重力沉降分离设备3.3.3 离心沉降离心沉降3.3.4 离心沉降设备离心沉降设备返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.3.1 重力沉降重力沉降1、球形颗粒的自由沉降与干扰沉降、球形颗粒的自由沉降与干扰沉降自由沉降自由沉降:颗粒在流体中沉降时,不受其它颗颗粒在流体中沉降时,不受其它颗粒或器壁的影响。粒或器壁的影响。干扰沉降干扰沉降以下讨论自由沉降过程。以下讨论自由沉降过程。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件2、球形
10、颗粒的自由沉降速度、球形颗粒的自由沉降速度 设直径为设直径为dp、密度为密度为p的光滑球形颗粒在的光滑球形颗粒在密度为密度为,粘度为粘度为的静止流体中作自由沉的静止流体中作自由沉降。颗粒受力:降。颗粒受力:FbFgFd重力重力 浮力浮力 阻力阻力gdmgFppg36gdFpb36242222uduAFppdu则Fd返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件ddummaFFFdbgddummaudgdppp246223颗粒做匀速沉降时当tuuddua,034pptgdu末端速度沉降速度/根据牛顿第二定律可知根据牛顿第二定律可知上式称为重力沉降速度基本方程式。上式称为重力沉降速度
11、基本方程式。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3 3、沉降速度实用公式、沉降速度实用公式因次分析因次分析)(tRefttduRe 曳力系数曳力系数与与ReP的关系:的关系:(1)圆球圆球 (2)圆盘圆盘 (3)圆柱圆柱10-410-310-210-11.01010210310410510610-11.010102103105ReP(1)(2)(3)返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件层流区(层流区(Stokes定律区,定律区,Re0 2)tRe24182gduppt过渡区(过渡区(Allen定律区,定律区,2 Re0 1000)6.0Re5.1
12、8t6.0Re27.0tpptgdu湍流区(湍流区(Newton定律区,定律区,1000 Re0 2105)44.0pptgdu74.1返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件4、强化重力沉降的方法、强化重力沉降的方法 增加颗粒的直径,加凝聚剂、助附着剂增加颗粒的直径,加凝聚剂、助附着剂 减小流体的密度、粘度减小流体的密度、粘度ut 减减对于液体对于液体=f(T)T 对于气体对于气体=f(T)T ,tpdfu 返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件5、重力沉降公式的应用、重力沉降公式的应用 试差法试差法 若若ut未知未知 Ret未知未知未知未知 无法选
13、择计算无法选择计算公式公式无法计算无法计算ut,此时可采用试差法。此时可采用试差法。假定流动处于层流区,假定流动处于层流区,Stokesut Ret (?2),yes结束结束no 换用相应区域公式换用相应区域公式 ut Ret 判断,修正判断,修正返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件无量纲参数判别法无量纲参数判别法(K判据法)判据法)69.13.3K1.691074.1)(74.1Re3.321818)(Re)(K332p3ppt32p3ppt32p3p过渡区:湍流区:滞流区:令KKgdudKKgdudgdtt返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件
14、计算步骤:计算步骤:323)(Kgdpn计算计算n根据根据K选择公式计算选择公式计算utgduKgdugduKttt)(74.11.69Re)(27.069.13.3K18)(3.3pp0.6pppp2p湍流区:过渡区:滞流区:返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件6、沉降速度的影响因素、沉降速度的影响因素颗粒的体积浓度小于颗粒的体积浓度小于0.2%时,理论计算值的偏差在时,理论计算值的偏差在1%以内;以内;颗粒浓度较高时便发生干扰沉降颗粒浓度较高时便发生干扰沉降,需要根据浓度进行修正。需要根据浓度进行修正。当容器尺寸当容器尺寸D远远大于颗粒尺寸远远大于颗粒尺寸dp时时(
15、100倍以上倍以上),器壁效应可,器壁效应可忽略,否则需加以考虑。忽略,否则需加以考虑。同一种固体物质,球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉同一种固体物质,球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些。实际计算时非球形颗粒的大小可用当量直径表示。降快一些。实际计算时非球形颗粒的大小可用当量直径表示。颗粒直径颗粒直径0.5um时,沉降受到流体分子布朗运动的影响。时,沉降受到流体分子布朗运动的影响。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件3.3.2 重力沉降分离设备重力沉降分离设备1、降尘室、降尘室返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件 工作原理工作原
16、理 气体入室气体入室 减速减速颗粒的沉降运动颗粒的沉降运动&随气体运动,合速度:抛物线随气体运动,合速度:抛物线沉降运动时间沉降运动时间 气体停留时间气体停留时间分离分离所需沉降时间所需沉降时间t t=H/ut在室内停留时间在室内停留时间=L/u分离满足的条件:分离满足的条件:uLuHt流道面积扩大流道面积扩大返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件 说明:说明:(1)不同直径)不同直径d的颗粒的颗粒ut不同,相应的不同,相应的t不同。不同。d ,ut 容易除去。容易除去。(2)当某直径的颗粒满足)当某直径的颗粒满足t 时,它能够被完全时,它能够被完全(100%)地分离;当
17、某直径的颗粒满足)地分离;当某直径的颗粒满足t时,时,它不是不能被分离,仍然可以被分离,只不过是不它不是不能被分离,仍然可以被分离,只不过是不能被完全分离。能被完全分离。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件 (3)能能(100%)被除去的最小颗粒直径被除去的最小颗粒直径 0sAVLBHBuLHuut最低沉降速度最低沉降速度能被分离的最小粒径能被分离的最小粒径0ss2min18AVgdut 0ssmin18AVgd 返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件 (4)最大处理量(生产能力)最大处理量(生产能力)VmaxutLb=utA0Vmax为为某一粒径
18、能某一粒径能100%100%被去除的最大处理量,即沉被去除的最大处理量,即沉降速度降速度u ut t应按需要完全分离下来的最小颗粒计算;应按需要完全分离下来的最小颗粒计算;Vmax与与(100%(100%去除去除的的)d,A0有关有关,而与,而与H无关。无关。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件 多层降尘室多层降尘室清洁气流清洁气流含尘气流含尘气流挡板挡板隔板隔板p降尘室一般用水平隔降尘室一般用水平隔板做成多层,间距为板做成多层,间距为40100mm。p多层降尘室生产能力多层降尘室生产能力(n层水平隔板层水平隔板):VS(n+1)utLb1nHh)(1bluVntS隔板
19、间距:取整返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件说明说明n气流速度气流速度u不应太高,以免干扰颗粒的沉降或把已经不应太高,以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起。为此,应保证沉降下来的颗粒重新卷起。为此,应保证气体流动的气体流动的雷诺准数处于滞流范围雷诺准数处于滞流范围之内;之内;n降尘室结构简单,流动阻力小,但体积庞大,分离效降尘室结构简单,流动阻力小,但体积庞大,分离效率低,通常仅率低,通常仅适用于分离直径大于适用于分离直径大于50m的颗粒的颗粒,用,用于过程的于过程的预除尘预除尘。n多层降尘室虽能分离细小的颗粒,并节省地面,但出多层降尘室虽能分离细小的颗粒
20、,并节省地面,但出灰麻烦。灰麻烦。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件(1)一球形石英颗粒,在空气中按斯托克斯定律)一球形石英颗粒,在空气中按斯托克斯定律沉降,若空气温度由沉降,若空气温度由20升至升至50,则其沉降速度,则其沉降速度将将 。(2)在除去某粒径的颗粒时,若降尘室的高度增)在除去某粒径的颗粒时,若降尘室的高度增加一倍,则沉降时间加一倍,则沉降时间 ,气流速度,气流速度 ,生,生产能力产能力 。课堂练习课堂练习(3)在滞流(层流)区,颗粒的沉降速度与颗粒)在滞流(层流)区,颗粒的沉降速度与颗粒直径的直径的 次方成正比;在湍流区,颗粒的沉降次方成正比;在湍流区
21、,颗粒的沉降速度与颗粒直径的速度与颗粒直径的 次方成正比。次方成正比。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件【例例】采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为降尘室底面积为10,宽和高均为,宽和高均为2m。操作条件下气。操作条件下气体密度为体密度为0.75kg/m3,粘度为,粘度为2.6 10-5Pa s,颗粒密度为,颗粒密度为3000 kg/m3。降尘室的生产能力为。降尘室的生产能力为3m3/s。试求:。试求:(1)理论上可完全回收的最小颗粒直径;)理论上可完全回收的最小颗粒直径;(2)粒径为)粒径为40 m的颗粒
22、的回收百分率;的颗粒的回收百分率;(3)如将降尘室改为多层以完全回收)如将降尘室改为多层以完全回收10 m的颗粒,的颗粒,在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件解:解:(1)理论上可完全回收的最小颗粒直径)理论上可完全回收的最小颗粒直径在降尘室中能完全被分离出的最小颗粒在降尘室中能完全被分离出的最小颗粒的沉降速度为的沉降速度为smAVut/3.01030s假设沉降在层流区,用假设沉降在层流区,用Stokes公式求最小公式求最小颗粒直径颗粒直径mgudt5pmin1091.618返回华南理工
23、大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件核算沉降流型核算沉降流型2598.0Reminttud假设成立,求得的最小粒径有效。假设成立,求得的最小粒径有效。(2)粒径为)粒径为40 m的颗粒的回收百分率的颗粒的回收百分率假设颗粒在炉气中的分布是均匀的,则在气体假设颗粒在炉气中的分布是均匀的,则在气体的停留时间内颗粒沉降的高度与降尘室的高度的停留时间内颗粒沉降的高度与降尘室的高度之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件由于各种尺寸的颗粒在降尘室内的停留时间均相由于各种尺寸的颗粒在降尘室内的停留时间均
24、相同,故同,故40 m的颗粒的回收率也可用其沉降速度的颗粒的回收率也可用其沉降速度ut与与69.1 m的颗粒的沉降速度的颗粒的沉降速度ut之比来确定,在层之比来确定,在层流区流区%5.33)1.6940()(22mindduutt回收率(3)需设置水平隔板层数及板间距)需设置水平隔板层数及板间距由上面计算可知,由上面计算可知,10 m的颗粒的沉降必在的颗粒的沉降必在层流区,可用层流区,可用stokes公式计算沉降速度公式计算沉降速度smgdu/1029.6183s20返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件需设置水平隔板层数需设置水平隔板层数层,取4769.4611029.
25、61031300uAVns板间距板间距mnHh042.04821核算气体在多层降尘室内的流型:若忽略隔板厚核算气体在多层降尘室内的流型:若忽略隔板厚度所占的空间,则气体的流速为度所占的空间,则气体的流速为smbHVus/75.0223返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件mhbbhde082.0)042.02(2042.024)(241774106.275.075.0082.0Re5ude即气体在降尘室的流动为层流,设计合理。即气体在降尘室的流动为层流,设计合理。返回华南理工大学化工原理电子课件华南理工大学化工原理电子课件2、沉降槽(增稠器)、沉降槽(增稠器)7料浆底流6
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