第三章+非均相物系的分离

1第三章非均相物系的分离3.1概述3.2颗粒和床层的特性3.3沉降分离3.4过滤23.1概述3.1.1均相物系和非均相物系均相物系：物系内部各处物料性质均匀而不存在相界面的混合物系。溶液以及各种气体的混合物都是均相物系，它们的分离方法将在后面非均相物系：物系内部有明显的相界面存在而界面两侧物料的性质不同的混合物系。33.1.2非均相物系的分类1、按状态分液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。悬浮液(液固物系)：液体中含有一部分固体颗粒乳浊液(液液物系)：一种液体分散在与其不互溶的另一种液体中泡沫液(液气物系)气态非均相物系：固、液分散在气相中。含尘气体(气固物系)：气体中含有固体颗粒含雾气体(气液物系)：气体中含有少量液滴42、按颗粒大小分粗悬浮系统：d100μm悬浮系统：0.1μmd100μm胶体系统：d0.1μm53.1.3连续相与分散相分散相(分散物质)：处于分散状态的物质连续相(分散介质)：包围着分散物质而处于连续状态的物质由于非均相物系中连续相与分散相之间具有不同的物理性质(如密度、粒子的大小与另一相分子尺寸等)，受到外力作用时运动状态就不同，因而可应用机械方法将它们分开。6要实现这种分离，其方法是使分散物质与分散介质之间发生相对运动，所以非均相物系的分离操作也遵循流体流动的基本规律。本章主要讨论液固非均相物系和气固非均相物系分离所依据的基本原理和设备，即颗粒相对于流体而运动的沉降操作和流体相对于颗粒而运动的过滤操作。73.1.4非均相物系分离的目的1、回收有用物质从气流干燥器排出尾气中回收带出的固体颗粒作2、净化物料除去浑液中的固相杂质而使其成为清液；使压缩后气体中的油滴分离而净化气体。3烟道气的排放、废液的排放都要求其含固量达到一定标准，以防止对大气、河海等环境污染。83.1.5非均相物系的分离方法1、沉降：依据重力、离心力、惯性力，使分散相与连续相分离。据力的不同分：重力沉降离心沉降2、过滤：借助压力或离心力使混合物通过某介质(固体)，使液相与固相截留于介质两侧而达到分离的目的。主要用于分离液态非均相物系。93、气体湿法净制：让含尘气体通过水或其它液体中，使颗粒溶于液体中或润湿颗粒，而使颗粒粘在一起，通过重力沉降分离。4、电子除尘：使含有悬浮尘粒或雾滴的气体通过金属电极间的高压直流静电场，气体电离产生离子附着于悬浮尘粒或雾滴上而使之荷电。荷电的尘粒、雾滴在电场力的作用下至电极后发生中和而恢复中性从而达到分离。103.2颗粒及床层的特性固体颗粒由于其形成的方法和条件不同，致使它们具有不同的几何形状和尺寸，在工程计算中，常需要知道颗粒的几何特性参数：即大小（尺寸）、形状和表面积（或比表面积）等。3.2.1颗粒的特性(单颗粒的几何特性参数)11一、特征尺寸1、球形颗粒：常用直径d作为特征长度，其体积V、表面积S和比表面积a为：式中：a—单位体积颗粒所具有的表面积，m2/m3。对一定直径的颗粒，比表面积一定；颗粒的直径愈小，比表面积愈大，因此可以根据比表面积的大小，来表示颗粒的大小，特别是微小颗粒。32,,6/6VdSdad122、非球形颗粒：常用颗粒的当量直径和球(1)体积当量直径de：与实际颗粒体积Vp相等的球(2)表面积当量直径ds：表面积等于实际颗粒表面积Sp的球形颗粒的直径。即：36πVdpeπSdps13(3)比表面积当量直径da：比表面积等于实际颗粒比表面积ap的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的比表面积当量直径。即：工程上常用de。paad614(4)形状系数s亦称球形度，用于表征颗粒的形状与球形的差异程度。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：〖说明〗由于体积相同时，球形颗粒的表面积最小，故非球形颗粒的s1，而且颗粒与球形差别愈大，其s值愈小。对非球形颗粒必须有两个参数才能确定其几何特性，通常选用de和s来表征。pSSVVsp时，当153、颗粒群的特性工业中碰到的颗粒大多是由大小和形状不同的若干颗粒组成的集合体，称为颗粒群。但通常认为它们的形状一致，而只考虑其大小分布，这样就提出了其粒度分布及其平均直16(1)粒度分布按颗粒尺寸对颗粒群进行排列划分的结果称为粒度分布。根据颗粒大小的范围不同，采用不同的方法测量颗粒群的粒度分布，对工业上常见的尺寸大于40μm的颗粒群，一般采用标准筛进行测量，称为筛分。17a.筛分标准筛由一系列筛孔大小不同的筛组成，筛的筛网由金属丝网制成，筛孔呈正方形。一套标准筛的各个筛的网孔大小按标准规定制成，通用的是泰勒(Tyler)标准筛系列。各个筛用其筛网上每英寸长度上的孔数作为筛号，也称为目，且每个筛的筛网金属丝的直径也有规定，因此一定目数的筛孔尺寸一定。如100号筛，1英寸长有筛孔100个，它的筛网的金属丝直径规定为0.0042in，故筛孔的净宽度为：(1/100-0.0042)=0.0058in=0.147mm，因而筛号愈大，筛孔愈小，相邻筛号的筛孔尺寸之比为20.5(即筛孔面积按2的倍数递增)18•筛分时，将一系列的筛按筛号大小次序由下到上叠起来，最底为一无孔底盘。把要筛分的颗粒群放在最上面的筛中，然后将整叠筛均衡的摇动(振动)，小颗粒通过各筛依次下落。对每一筛，尺寸小于筛孔的颗粒通过而下落，称为筛下产品；尺寸大于筛孔的颗粒留在筛上，称为筛上产品。振动一定时间后，称量每个筛上的筛余物，得到筛分分析的基本数据。19b.粒度分布表示法筛分得到各筛网上筛余物的颗粒尺寸，应在上层筛孔尺寸和该层筛孔尺寸范围之内，一般定义第i层筛网上颗粒的筛分尺寸dpidpi=(di-1+di)/2式中：di-1——第i-1层筛网的筛孔尺寸，mm;di——第i层筛网的筛孔尺寸，mm根据其筛分尺寸dpi可得到颗粒群的粒度分布，分别以表格，图示或分布函数曲线表示之。xi－di粒径段内的质量分率wi－di粒径段内的颗粒质量iiiwwxΣ20(2)平均粒径常以比表面积等于颗粒群的比表面积的颗粒直径定义为颗粒群的平均直粒dm。对于球形颗粒，1kg密度为ρs的颗粒，其中粒径为di的颗粒质量分数为xi若颗粒群的平均直径为dm，则isisiidxax6ΣΣeiimiimmsisidx/ddx/dddxsΣ1Σ1616Σ对非球形颗粒：214、粒子的密度单位体积内粒子的质量称为密度，kg/m3。若粒子体积不包括颗粒之间的空隙，称为粒子的真密度，以ρs表示。若粒子体积包括颗粒之间的空隙，称为粒子的堆积密度或表观密度，以ρb223.2.2颗粒床层的特性由颗粒堆积而成的颗粒层称为颗粒床层。1、床层空隙率ε床层堆积的疏密程度用空隙率表示，指单位体积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。即：ε的大小与颗粒的大小、形状、粒度分布、填充方式等有关，其值由实验测定。床层体积颗粒体积床层体积23【说明】非球形颗粒的球形度愈小，床层的空隙率愈大；大小愈不均匀的颗粒，空隙率愈小；颗粒愈光滑，空隙率愈小；愈靠近壁面，空隙率愈大。242、床层的比表面积ab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，若忽略因颗粒相互接触而减少的裸露面积，则：ab=(1-ε)aab——床层的比表面积，m2/m3a——颗粒的比表面积，m2/m3ε——床层空隙率。也可根据堆积密度估算，即式中ρb、ρs分别为堆积密度和真实密度，kg/m3。ρb和ρs之间的近似关系可用下式表示。sbbda6sb)1(253、床层的自由截面积床层截面上未被颗粒占据的、流体可以自由通过的面积为床层的自由截面积。在工业上小颗粒的床层采用乱堆方式堆成，这时颗粒的定位是随机的，所以堆成的床层可认为是各向同性(意指从各个方向看，颗粒的堆积情况都是相同的)。各向同性床层的重要特点是：床层横截面上可供流体通过的自由截面(即空隙截面)与床层截面之比在数值上等于空隙率。在近壁处，由于壁面形状的影响，导致颗粒分布与床层中间不同，称为壁效应，这时表现为各向不同性，它导致流体通过时出现沟流等现象。263.2.3流体通过床层流动的压降流体在颗粒床层纵横交错的空隙通道中流动，流速的方向与大小时刻变化，一方面使流体在床层截面上的流速分布趋于均匀，另一方面使流体产生相当大的压降。困难：通道的细微几何结构十分复杂。解决方法：用简化模型通过实验数据关联。271、床层的简化模型将床层中不规则的通道假设成长度为L、当量直径为de的一组平行细管，并规定：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。L’uLu表观速度28以1m3的床层体积为基准，细管的当量直径可表示为床层空隙率ε及比表面积ab的函数，即aadbeb)1(444细管的全部内表面积床层流动空间292、流体通过床层压降的数学描述流体通过一组平行细管流动的压降为式中：Δpf——流体通过床层的压降，Pa；L——床层高度，m；deb——床层流道的当量直径，m；u1——流体在床层内的实际流速，m/s。u1与按整个床层截面计算的空床流速u的关系为u1=u/ε故可得到：λ′——模型参数，由试验测定。23)1(Δua'Lpf2Δ21udLpef303、模型参数的实验测定（1）康采尼（Konzeny）实验结果在流速较低，床层雷诺数Reb2的层流情况下K′为康采尼常数，其值取为5.0。Reb的定义为式中μ——流体的黏度，Pa·s。代入压降计算公式可得康采尼方程式：)(11auudReebbbRe'K'322)1(5uaLpΔf31在较宽的Reb范围内，代入压降计算公式得：将a=6/(φsde)代入得欧根方程：适用于Reb为0.17~330范围。Reb20时，为层流，上式中第二项可忽略；Reb1000时，为湍流，上式中第一项可忽略。（2）欧根（Ergun）实验结果290174.Re.'b32322)1(290)1(174ua.ua.LpΔf)()1(751)()1(1503232esesfdu.duLpΔ323.3沉降分离沉降分离——是指在某种力的作用下，固粒相对于流体产生定向运动而实现分离的操作过程。其依据是利用两相间密度的差异，受力时其运动速度不同从而发生相对运动。根据外力场的不同，分为：重力沉降离心沉降衡量沉降进行的快慢程度通常用沉降速度来表示。33根据沉降过程中颗粒是否受到其他颗粒或器壁影响分为：自由沉降：发生在稀疏颗粒的流体中干扰沉降：多发生在液态非均相物系中，沉降速度低。流体与固体间的相对运动：流体静止，颗粒相对于流体作沉降或浮升运动；固体颗粒静止，流体相对固体作绕流；固体和流体都运动，但二者保持一定相对速度。343.3.1重力沉降重力沉降——依靠重力而进行的沉降过程。一、沉降速度1、球形颗粒的自由沉降速度浮力Fb阻力Fd重力Fg设直径为d、密度为ρs的光滑球形颗粒在密度为ρ，粘度为μ的静止流体中作自由沉降。此时颗粒受到阻力、浮力和重力的作用。35阻力是由摩擦引起的，随颗粒与流体间的相对运动速度而变，仿照管内流动阻力计算式：24222Δ22222uduAFuAFupddf2466223b3gudFgdFgdFds阻力：浮力：重力：则受力情况：浮力Fb阻力Fd重力Fg36根据牛顿第二运动定律：Fg-Fb-Fd=ma即：adud)(dss32236246沉降开始瞬间，u=0，Fd=0，加速度a具有最大值。沉降开始后，u↑，Fd↑，a↓。当u=ut后，重力与浮力、阻力达到平衡，即合力为零，此时a=0。37颗粒的沉降过程分为两个阶段：加速阶段：u=0，Fd=0，a=amaxu↑，fd↑，a↓等速阶段：u=ut时，Fd=Fg-Fb，a=0等速阶段里颗粒相对于流体的运