第三章非均相机械分离

盐城工学院第三章非均相机械分离第三章非均相机械分离3.1沉降3.2过滤盐城工学院第三章非均相机械分离3.3颗粒的沉降•3.3.1概述•3.3.2颗粒在流体中的沉降过程•3.2.3重力沉降设备•3.2.4离心沉降设备•3.2.4离心机盐城工学院第三章非均相机械分离3.3.1概述混合物均相混合物非均相混合物溶液：混合气体：精馏、萃取吸收、吸附气态非均相液态非均相含尘气体含雾气体悬浮液乳浊液泡沫液1.混合物的分类盐城工学院第三章非均相机械分离分散相(分散物质)：处于分散状态的物质连续相(分散介质)：处于连续状态的物质2.非均相物系分离的目的回收有价值的分散物质净化分散介质环境保护和安全生产3.3.1概述盐城工学院第三章非均相机械分离3.非均相物系的分离依据：按运动方式的不同沉降过滤分散相运动连续相静止分散相静止连续相运动分散相与连续相之间物性的差异。如密度，直径等。方法采用机械法，使发生相对运动。3.3.1概述盐城工学院第三章非均相机械分离1.自由沉降速度自由沉降:单个颗粒在流体中的沉降过程。干扰沉降：若颗粒数量较多，相互间距离较近，则颗粒沉降时相互间会干扰，称为干扰沉降。3.3.2颗粒在流体中的沉降过程盐城工学院第三章非均相机械分离颗粒在流体中受到三个力的作用，如图3-3所示：浮力Fb曳力Fd重力Fg图3-1颗粒在流体中沉降时受力曳力Fd重力Fg浮力FbFg=mg（重力），或FB=mac（离心力）Fb=mg/p式中d为曳力系数，A为颗粒在流动方向上的投影面积3.3.2颗粒在流体中的沉降过程盐城工学院第三章非均相机械分离①刚开始沉降：0ubgFF不变0dFa（加速度）最大②开始沉降udFdbgFFFatumFFFDbBdd(3-19)根据牛顿第二定律，作用于颗粒上的合外力使其产生加速运动，即：盐城工学院第三章非均相机械分离tuudbgFFFa＝0u增加至一定值时自由沉降速度匀速沉降23321116642tppppudgdgd4()/3pptgdums　　　自由沉降速度公式(3-20)式中dp为颗粒的当量直径。3.3.2颗粒在流体中的沉降过程盐城工学院第三章非均相机械分离2.阻力系数的计算),f(Re因次分析٭球形度=与颗粒体积相等的圆球的表面积颗粒的表面积1PteduRpSS盐城工学院第三章非均相机械分离盐城工学院第三章非均相机械分离3.球形颗粒沉降速度计算：Re242()18pptdgu层流区——Stokes定律区过渡区——Allen定律区3.3.2颗粒在流体中的沉降过程6.00Re5.18盐城工学院第三章非均相机械分离51021000Re44.0湍流区——Newton定律区3.3.2颗粒在流体中的沉降过程Re0200000后，ζ骤然下降，在Ret=(3~10)×105范围内可近似取ζ=0.1。盐城工学院第三章非均相机械分离4.影响沉降速度的因素①颗粒直径•其它条件相同时，小颗粒后沉降。②流体密度•条件其它相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。③颗粒密度•其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。tu，则,PtutPud则,盐城工学院第三章非均相机械分离5.的计算：问题：沉降速度未知，如何判断流型？解决方法：试差法或判据法（避免试差）判据法：tu将上式代入Re中，得到：2()18PPtdgu斯托克斯公式:32()118pptepdgduRtu盐城工学院第三章非均相机械分离118eRk则：令1epR则62.2k采用斯托克斯公式层流区：26.2k132()ppgkd令盐城工学院第三章非均相机械分离试差法：假设流型选择公式计算tu计算tRe验算盐城工学院第三章非均相机械分离例：求直径40μm球形颗粒在30℃大气中的自由沉降速度。已知ρ颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。解：设为层流，则：查30℃、0.1MPa空气：3mkg165.1sPa1086.152()18pptdgu校核：sm12.023.0tduRe(正确)5261086.118)165.12600(81.9)1040(盐城工学院第三章非均相机械分离6.非球形颗粒的沉降速度同样条件下因此球非球球非球,,ttuu处理方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。ReP颗粒球形度对沉降速度的影响ut（非球形）/ut（球形）盐城工学院第三章非均相机械分离3.3.3重力沉降设备1.降尘室（1）工作原理气体入室减速颗粒的沉降运动&随气体运动沉降运动时间气体停留时间分离气体气体进口出口集灰斗降尘室BVsu0uLH颗粒在降尘室中的运动盐城工学院第三章非均相机械分离BVsutuLH颗粒在降尘室中的运动颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。其中：θ与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；θt与流体、颗粒的性质、分离要求及降尘室的高度有关。3.3.3重力沉降设备停留时间：气流速度m/s气流流率m3/s沉降时间盐城工学院第三章非均相机械分离注意：当某直径的颗粒满足θ≥θt时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足θθt时，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。讨论：（1）降尘室的生产能力：停留时间最短为θt=θ=H/u，即最大生产能力为Vs=BLut；故生产能力与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无关，因此，降尘室多制成扁平型或多层。（2）降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高度是否越小越好呢？3.3.3重力沉降设备盐城工学院第三章非均相机械分离①若u不变，则L↓，生产能力Vs=BLut↓；为保证生产能力不变，必须B↑；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置；②若L不变，u↑，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被重新扬起，分离效率↓，故应保证气体流动维持层流状态，一般u3m/s，易扬起的物料u1.5m/s。（3）重力沉降中沉降速度无法提高，重力沉降的效果有限，一般重力沉降能分离的颗粒直径为10μm（75μm效果较好）。3.3.3重力沉降设备盐城工学院第三章非均相机械分离（4）θ≥θt在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据，在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当Stokes定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为Vs时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：AVgduss18)(2min0降尘室底面积AVgdss)(18min3.3.3重力沉降设备盐城工学院第三章非均相机械分离3.3.3重力沉降设备例1:降尘室计算用总高4m、宽1.7m、长4.55m的重力降尘室分离空气中的粉尘。中间等高安排39块隔板，每小时通过降尘室的含尘气体为2000m3，气体的密度为1.6kg/m3(均为标况)，气体温度为400℃，此时粘度为3×10-5Pa·s，粉尘的密度为3700kg/m3。试求①此降尘室能分离的最小尘粒的直径②除去6μm颗粒的百分率。盐城工学院第三章非均相机械分离已知：H，w，n，V0，ρO，t,μ，ρP求：dpctSPDtSNWLuVgdumKgTTsmV18/649.04002732736.1/369.13600/273400273200023003假设沉降处于层流区：mmNWLVgdSpPC11.81011.8407.155.481.9649.03700369.11031811865解：盐城工学院第三章非均相机械分离11075.7103649.01022.41011.8Re/1042.418Re453632tPDtdusmgdu：验证∴假设成立，dPC=8.11μm。②d=6μm由上可知沉降属于层流区停留时间：θ=L/u=4.55×1.7×4/1.369=22.60s%541.0054.01.0404054.06.221042.2'/1042.218332除去百分率：每层高度：内沉降的高度：在沉降速度：mhmuhsmgdutPDt盐城工学院第三章非均相机械分离例题2：质量流量为2.50kg/s，温度为20℃的常压含尘气体在进入反应器之前必须除尘并预热至150℃，所含尘粒密度为1800kg/m3。现有一台总面积为130m2的多层降尘室，试求（1）先除尘后预热的情况下降尘室可全部除去的最小颗粒直径；（2）先预热后除尘的情况下降尘室可全部除去的最小颗粒直径；（3）哪种顺序比较好？为什么？已知20℃的气体粘度为1.81×10-5Pa.s，150℃的气体粘度为2.41×10-5Pa.s。解：（1）据题意kg/m3μ=1.81×10-5Pa.sm3/s可全部除去的最小颗粒的沉降速度为m/s205.1)2015.273(314.810291013253RTPM075.2205.150.2mVqq016.0130075.2AquVt盐城工学院第三章非均相机械分离假设颗粒沉降处于层流区，则mmgudPt2.171072.181.9)205.11800(016.01081.118)(1855min校核2018.01081.11072.1016.0205.1Re55mintPud835.0)15015.273(314.810291013253RTPM故以上计算有效（2）据题意994.2835.050.2mVqqμ=2.41×10-5Pa.s可全部除去的最小颗粒的沉降速度为:023.0130994.2AquVt假设颗粒沉降处于层流区，则mmgudPt8.231038.281.9)835.01800(023.01041.218)(1855min2019.01041.21038.2023.0835.0Re55mintPud校核故以上计算有效盐城工学院第三章非均相机械分离（3）由计算可知，先除尘后预热的顺序较好，可以全部除去的最小颗粒直径较小。盐城工学院第三章非均相机械分离3.3.3重力沉降设备2.增稠器（沉降槽）加料清液溢流清液水平挡板耙稠浆图3-7连续式沉降槽①结构增稠器的构造如右图。主要是一个底部略成锥形的大直径（数米～百米以上）浅槽（高度2.5～4m）。料浆从中央进料口送入液面下0.3~1.0m处，以小扰动迅速分散到整个横截面上，颗粒下沉，从等浓区变浓区沉聚区；在槽底缓慢转动的耙把浓浆中的液体挤出去，并把沉渣聚拢到锥底的中央排渣口，以“底流”排出。清液向上流动，即使夹带粒子，颗粒在澄清区还是有机会再沉降，使“溢流”的澄清液体保持清洁。②工作原理盐城工学院第三章非均相机械分离3.3.3重力沉降设备④改变沉降速度的方法增稠器既可用于间歇操作或连续操作，具有澄清液体和增稠悬浮液双重功能。适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的悬浮料浆，如污水、煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时，一般采用连续式增稠器。Ⅰ添加絮凝剂：③应用Ⅱ改变操作条件：一般采用添加少量电解质或表面活性剂的方法，使细小颗粒凝聚或絮聚；通常采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或相界面积发生变化，从而提高或降低沉降速度。盐城工学院第三章非均相机械分离3.3.4离心沉降（Centrifugalsedimentation）r1r2ArCBuruut颗粒在旋转流体中的运动rumma2tr离心力颗粒的切线速度旋转半径离心加速度若颗