化工原理多媒体课件

化工原理多媒体课件淮阴工学院生命科学与化学工程学院3.1概述3.2颗粒及颗粒床层的特性3.3沉降分离3.4过滤3.5离心机3.6固体流态化第三章非均相物系的分离和固体流态化SeparationsofHeterogeneousMixtureandFluidizationofSolids3.1概述Overview1混合物分类均相混合物（homogeneousmixture）溶液，混合气体非均相混合物（heterogeneousmixture）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（mechanicalseparation）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3.1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3.1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3.2颗粒及颗粒床层的特性CharacterizationofParticlesandParticulateBeds3.2.1颗粒的特性3.2.2颗粒床层的特性3.2.3流体通过床层流动的压降上页下页返回3.2.1颗粒的特性1单一颗粒特性1）球形颗粒2）非球形颗粒（1）体积当量直径36dV2dSda636epdV36peVd上页下页（2）形状系数（球形度）非球形颗粒需要两个参数描述其性质1sppSaSa体积与颗粒相等的球形颗粒的表面积＝＝颗粒的表面积36epdVsepdS/2espda/6上页下页3.2.1颗粒的特性2颗粒群的特性1）粒度分布筛分：泰勒标准筛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2）粒子的平均粒径iiadxd/111iiaiiGxddGd上页下页返回3.2.1颗粒的特性iaa1床层空隙率2床层的比表面积3床层的自由截面积各向同性：自由截面等于床层孔隙率壁效应：流体分布不均匀床层体积床层体积－颗粒体积aab)1(sbbda6上页下页3.2.2颗粒床层的特性返回1床层的简化模型（物理模型）长度L，当量直径deb的一组平行细管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4441ebbdaa床层流动空间床层全部内表面积上页下页3.2.3流体通过床层流动的压降2流体通过床层压降的数学描述212feuLpd1uu231fpauL上页下页3.2.3流体通过床层流动的压降3模型参数的实验测定（参数估计）（1）康采尼实验结果（层流）RebK1Re1ebbduua22315fpauL上页下页3.2.3流体通过床层流动的压降（2）欧根实验结果22233114.170.29fpauauL4.170.29Reb22233111501.75fsesepuuLdd上页下页3.2.3流体通过床层流动的压降例3－1在横截面积为1m2的固定床反应器中装填直径d=3mm、高度等于直径的圆柱形催化剂1m3。催化剂的质量G=980kg，其真密度s=1760kg/m3。试求（1）催化剂的当量直径de、球形度s、床层孔隙率及比表面积ab；（2）20ºC的空气从下向上通过催化剂层，空塔速度u=0.2m/s，空气流经催化剂床层的压降返回下页上页3.2.3流体通过床层流动的压降3.3沉降分离SedimentationSeparations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分离的操作。分类：重力沉降，离心沉降自由沉降，干扰沉降刚性球形颗粒的自由沉降3.3.1重力沉降3.3.2离心沉降下页上页返回1沉降速度1）球形颗粒的自由沉降重力：浮力：阻力：gdFsg36gdFb3622uAFd上页下页3.3.1重力沉降GravitySedimentation沉降过程：加速段，恒速段沉降速度2）阻力系数maFFFdbggds)(63ddududs3226)2(43)(4stgduttduRe上页下页3.3.1重力沉降层流区，斯托克斯公式过渡区，艾伦公式湍流区，牛顿公式1Re104t310Re1t53102Re10t上页下页3.3.1重力沉降tRe246.0Re5.18t44.03）影响沉降速度的因素流体粘度：表面曳力，形体曳力颗粒的体积分数：小于0.2%器壁效应颗粒形状的影响，注意微细颗粒4）沉降速度的计算（1）试差法，假设为某一区，然后验证。（2）摩擦数群法23)(4tsugd上页下页Rettdu3.3.1重力沉降–已知颗粒直径求沉降速度–已知沉降速度求颗粒直径32)(gdKsduttRettudRe2323)(4Regdst3234ReKt3213)(4Retstug上页下页3.3.1重力沉降（3）无因次判据法（适用于已知粒径求速度）–层流区–过渡区–湍流区332()Re1818stdgK62.2K1.69K上页下页32()sgKd2.6269.1K3.3.1重力沉降例3－2试计算直径为95m、密度为3000kg/m3的固体颗粒分别在20ºC的空气和水中的自由沉降速度。2重力沉降设备1)降尘室（1）单层降尘室上页下页3.3.1重力沉降要求层流，气速一般小于1m/s，可除去大于50μm的颗粒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ttuHul上页下页tsbluV3.3.1重力沉降（2）多层降尘室隔板间距：40－100mm3.3.1重力沉降tsblunV)1(下页上页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：流动阻力小，分离50m的粗颗粒，作预除尘流体处于层流区18)(2gdustblVgdss18min上页下页3.3.1重力沉降上页下页3.3.1重力沉降例3－3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10m2，宽和高均为2m。操作条件下，气体的密度为0.75kg/m3，粘度为2.6×10-5Pa.s；固体的密度为3000kg/m3；降尘室的生产能力为3m3/s。试求（1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径；（2）粒径为40m的颗粒的回收百分率；（3）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板？上页下页3.3.1重力沉降2）沉降槽结构与操作作用–提高悬浮液浓度–得到澄清液体上页下页3.3.1重力沉降3）分级器不同粒度的颗粒进行分离不同密度的颗粒进行分离上页下页返回3.3.1重力沉降1惯性离心力作用下的沉降速度RudTs236RudT23602422rud上页下页224()4()33ssTrdduuRR3.3.2离心沉降CentrifugalSedimentation层流区离心分离因数例：已知旋转半径R＝0.4m，切向速度u=20m/s。则离心分离因数：RuduTsr2218)(cTtrKgRuuu21024.081.92022gRuKTc上页下页3.3.2离心沉降重力沉降与离心沉降比较1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3性质：常数，与R有关上页下页3.3.2离心沉降2旋风分离器操作原理上页下页3.3.2离心沉降旋风分离器实物图上页下页3.3.2离心沉降上页下页3.3.2离心沉降3旋风分离器性能1）临界粒径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B到达壁面颗粒处于层流区，自由沉降颗粒沉降速度沉降时间RuduTsr2218)(msiRud18222218ismrtudBRuB上页下页3.3.2离心沉降气体停留时间临界粒径2）分离效率总效率iemismuNRudBR21822isecuNBd91210CCC上页下页iemuNR23.3.2离心沉降粒级效率分割粒径总效率与粒级效率)(27.050stuDd上页下页iiiipCCC,1,2,1,3.3.2离心沉降nipiix103）压强降上页下页3.3.2离心沉降22iup0.8范围：500－2000Pa例3－5用如图3－7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1100kg/m3，颗粒直径为4.5m；气体密度为1.2kg/m3，粘度为1.8×10-5Pa.s，流量为0.4m3/s；允许压强降为1780Pa。试估算采用以下方案时的设备尺寸及分离效率。（1）一台旋风分离器；（2）四台相同的旋风分离器串联（3）四台相同的旋风分离器并联。上页下页3.3.2离心沉降例3－6采用图3－7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3－9。已根据设备尺寸、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。上页下页3.3.2离心沉降4旋风分离器的结构型式与选用结构形式XLT/A型–倾斜螺旋面进口XLP型–旁路分离室，蜗壳进口，在顶盖以下扩散式–上小下大，设有挡灰盘选用选择型号计算流量、分离效率、允许的压强降确定尺寸与个数上页下页3.3.2离心沉降返回3.4过滤Filtration3.4.1基本概念3.4.2过滤基本方程式3.4.3恒压过滤3.4.4恒速过滤与先恒速后恒压过滤3.4.5过滤常数的测定3.4.6过滤设备3.4.7滤饼的洗涤3.4.8过滤机的生产能力上页下页返回3.4.1过滤操作的基本概念1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质上。2过滤方式饼层过滤深床过滤错流过滤（膜分离）3过滤介质滤布：饼层过滤堆积介质：深床过滤多孔固体介质：超滤、微滤下页上页3.4.1过滤操作的基本概念4滤饼的压缩性可压缩滤饼不可压缩滤饼5助滤剂方法：预涂，预混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。下页上页返回3.4.2过滤基本方程式1滤液通过饼层的流动1）滤液通过滤饼层流动的特点细小曲折，网状结构非稳态操作流动处于层流区2）数学描述上页下页Lpauc223)1(52过滤速率和过滤速度过滤速度过滤速率上页下页3322,/5(1)cApdVmsdaL3.4.2过滤基本方程式322/5(1)cpdVumsAdaL，3滤饼的阻力对于不可压缩滤饼定义滤饼的比阻，单位：1/m²（常数）比阻的意义：粘度为1Pa.s的滤液以1m/s的平均速度通过厚度为1m的滤饼层时所产生的压强降。床层空隙率越小，颗粒的比表面积越大，阻力越大滤饼阻力，1/m（与滤饼厚度L成正比）322)1(5ar上页下页3.4.2过滤基本方程式AddVRprLpccrLR4过滤介质的阻力过滤介质的阻力一般为常数AddVmmRpAddV)(mmcRRpp)(mRRp上页下页3.4.2过滤基本方程式Le：过滤介质的当量滤饼厚度或虚拟滤