廣東石油化工學(xué)院化工原理非均相混合物1

化工原理主講教師：童漢清第3章非均相物系的分離

通過本章學(xué)習(xí)，掌握沉降、過濾、固體流態(tài)化及氣力輸送等過程的原理、計(jì)算方法、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，合理選擇設(shè)備。學(xué)習(xí)目的與要求均相混合物和非均相混合物均相混合物：

物料內(nèi)部各處性質(zhì)均勻一致而不存在相界面。如溶液、混合氣體。均相混合物的常用分離方法有吸收、精餾、萃取等非均相混合物：

物系內(nèi)部有相界面存在，且界面兩側(cè)物料性質(zhì)截然不同。如含塵氣體、懸浮液等。非均相混合物的常用分離方法有：篩分、沉降、過濾等。

1）分散物質(zhì)（分散相）非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。

2）分散介質(zhì)（連續(xù)相）非均相物系中處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。

要實(shí)現(xiàn)分離，必須使分散相和連續(xù)相之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，非均相物系的分離操作遵循流體力學(xué)的基本規(guī)律。非均相物系的分離原理：非均相物系分離的理論基礎(chǔ)：根據(jù)連續(xù)相與分散相兩相物理性質(zhì)(如密度等)的不同而進(jìn)行的分離。篩分把固體物料按尺寸大小分為若干級(jí)別的操作稱為分級(jí)。

利用具有一定大小孔徑的篩面進(jìn)行分級(jí)稱為篩分。

用于篩分的機(jī)械設(shè)備按篩面的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可分為振動(dòng)篩、搖動(dòng)篩、回轉(zhuǎn)篩等。

篩分

編織篩的篩面規(guī)格許多國家都訂有標(biāo)準(zhǔn)，稱為篩制：一定長(zhǎng)度篩絲上的開孔數(shù)——目數(shù)。

篩網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)格中用以表達(dá)目數(shù)的單位是孔/厘米或線/厘米。使用英制計(jì)量單位的國家和地區(qū)，以孔/英寸或線/英寸來表達(dá)絲網(wǎng)目數(shù)。

1英寸=2.54厘米如150目/英寸，即1英寸內(nèi)有150根網(wǎng)絲。

目數(shù)一般可以說明絲網(wǎng)的絲與絲之間的密疏程度。目數(shù)越高絲網(wǎng)越密，網(wǎng)孔越小。反之，目數(shù)越低絲網(wǎng)越稀疏，網(wǎng)孔越大，

我國通常使用的篩網(wǎng)目數(shù)與粒徑對(duì)照表

目數(shù)

微米

目數(shù)

微米

目數(shù)

微米

目數(shù)

微米

2.5

7925

12

1397

60

245

325

47

3

5880

14

1165

65

220

425

33

4

4599

16

991

80

198

500

25

5

3962

20

833

100

165

625

20

6

3327

24

701

110

150

800

15

7

2794

27

589

180

83

1250

10

8

2362

32

495

200

74

2500

5

9

1981

35

417

250

61

3250

2

10

1651

40

350

270

53

12500

1

1、定義

在某種力場(chǎng)的作用下，利用分散物質(zhì)與分散介質(zhì)的密度差異，使之發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離的單元操作。2、沉降操作分類§1

沉降一、概述重力沉降：顆粒在重力場(chǎng)中受重力作用與連續(xù)相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而沉降。離心沉降：顆粒離心力的作用與連續(xù)相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而沉降。3、沉降操作的應(yīng)用

1）以澄清為目的

2）以增稠為目的

3）以分級(jí)分離為目的

4）以凈化為目的

自由沉降：懸浮在流體中的微小顆粒借本身重力作用而獨(dú)立沉降時(shí)，稱為自由沉降。干擾沉降：當(dāng)顆粒直徑與容器直徑之比大于1:200或懸浮液中顆粒的濃度大于0.2％(體積)，此時(shí)顆粒與器壁或顆粒間存在干擾。顆粒的濃度越高，干擾越大。此種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降時(shí)，其曳力系數(shù)較自由沉降時(shí)為大。其沉降速度可按自由沉降速度計(jì)算，加以修正。二、重力沉降1、自由沉降與干擾沉降2、球形顆粒的自由沉降速度重力：浮力：阻力：

當(dāng)流體相對(duì)于靜止的固體顆粒流動(dòng)時(shí)，或者固體顆粒在靜止流體中移動(dòng)時(shí)，由于流體的粘性，兩者之間會(huì)產(chǎn)生作用力，這種作用力通常稱為曳力（dragforce)或阻力。u重力Fg阻力Fd浮力Fb根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律

分析顆粒運(yùn)動(dòng)情況：加速度最大阻力加速度加速度=0加速段勻速段重力Fg=浮力Fb

+阻力Fd沉降速度公式：

等速階段中顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度ut稱為沉降速度。由于這個(gè)速度是加速階段終了時(shí)顆粒相對(duì)于流體的速度，故又稱為“終端速度”。=

3、曳力系數(shù)

1）表面曳力與形體曳力

表面曳力（摩擦阻力）：流體與顆粒表面間的摩擦力在流動(dòng)方向上的分力。形體曳力（渦流阻力）：因邊界層脫體產(chǎn)生顆粒上下端的壓差。uFd

2）對(duì)曳力系數(shù)的因次分析曳力的影響因素：曳力的函數(shù)關(guān)系：因次分析的結(jié)果：4、關(guān)系曲線圖分為四個(gè)區(qū)

（1）層流區(qū)或斯托克斯(Stokes)定律區(qū)

斯托克斯(Stokes)式：

代入方程

（2）過渡區(qū)或艾侖（Allen）定律區(qū)

艾侖（Allen）式

代入方程

（3）湍流區(qū)或牛頓（Newton）定律區(qū)牛頓（Newton）式代入方程一、沉降速度

（4）邊界層為湍流區(qū)

該區(qū)內(nèi)由于不穩(wěn)定，因此無法計(jì)算該區(qū)的沉降速度。一般沉降操作達(dá)不到此區(qū)。5、沉降速度的計(jì)算

（1）試差法假定沉降所屬區(qū)域→用該區(qū)公式計(jì)算沉降速度ut→由算出的ut求出Ret→檢驗(yàn)Ret是否在所設(shè)區(qū)域→與所設(shè)相符，計(jì)算正確；與所設(shè)不符，重新計(jì)算。例：求下列各種形狀及尺寸的固體顆粒在30oC常壓空氣中的自由沉降速度。已知顆粒密度為2670kg/m3。

1、直徑為30的球形顆粒。

2、直徑為1的球形顆粒。

3、棱長(zhǎng)為1的正方體顆粒。（2）變換坐標(biāo)法及關(guān)系曲線（3）用量綱為1的數(shù)群K值判別流型K≤2.62為斯托克斯定律區(qū);2.62<

K<69.1為艾侖定律區(qū);K≥69.1為牛頓定律區(qū)。1.球形顆粒：球形顆粒的尺寸由直徑d確定。比表面積

體積

表面積

三、非球形顆粒的當(dāng)量直徑與球形度的概念

2、非球形顆粒的當(dāng)量直徑de使非球形顆粒與某球形顆粒在某方面具有等效性（相當(dāng)），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的當(dāng)量直徑。

非球形顆粒與虛擬球形顆粒在體積方面具有等效性（相當(dāng)），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的體積當(dāng)量直徑。

非球形顆粒的體積為

(1)體積當(dāng)量直徑dev（2）表面積當(dāng)量直徑deA非球形顆粒與虛擬球形顆粒在表面積方面具有等效性（相當(dāng)），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的表面積當(dāng)量直徑。非球形顆粒的表面積為

非球形顆粒的表面積當(dāng)量直徑為

（3）比表面積當(dāng)量直徑des

比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積。

非球形顆粒與虛擬球形顆粒在比表面積方面具有等效性（相當(dāng)），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的比表面積當(dāng)量直徑。非球形顆粒的比表面積為

非球形顆粒的當(dāng)量直徑為

2、球形顆粒的球形度

不同形狀的顆粒體積相同時(shí)，以球體的表面積為最小。球形度

如邊長(zhǎng)為a正方體顆粒：四、重力沉降設(shè)備1.降塵室借重力沉降從氣流中分離出塵粒的設(shè)備稱為降塵室。除塵條件：顆粒以u(píng)速度水平通過降塵室的時(shí)間大于或等于顆粒以u(píng)t速度從室頂降到室底所需的時(shí)間?；?/p>

位于降塵室最高點(diǎn)的顆粒沉降到室底所需的時(shí)間為氣體通過降塵室的時(shí)間為欲使顆粒被分離出來，則降塵室高沉降速度降塵室長(zhǎng)氣流水平通過降塵室速度

根據(jù)降塵室的生產(chǎn)能力，氣體在降塵室內(nèi)的水平通過速度為整理得

上式表明，理論上降塵室的生產(chǎn)能力只與其沉降面積及顆粒的沉降速度有關(guān)，而與降塵室高度H無關(guān)。降塵室生產(chǎn)能力對(duì)設(shè)置了n層水平隔板的降塵室，其生產(chǎn)能力為1-隔板2、6-調(diào)節(jié)閘閥3-氣體分配道

4-氣體集聚道5-氣道7-清灰口多層降塵室

降塵室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流動(dòng)阻力小，但體積龐大，分離效率低，通常只適用于分離粒度大于50

m的粗粒，一般作為預(yù)除塵使用。多層降塵室雖能分離較細(xì)的顆粒且節(jié)省占地面積，但清灰比較麻煩。自帶降塵室的燃煤鍋爐例：欲用降塵室凈化溫度為20oC流量為2500m3/h的常壓空氣?？諝庵兴覊m的密度為1800kg/m3，要求凈化后空氣中不含有直徑大于10的塵粒，試求所需沉降面積為多大？若降塵室的底面寬2m，長(zhǎng)5m，室內(nèi)需要設(shè)多少塊隔板？例：某降塵室寬1.5m，長(zhǎng)2m，在常壓、100oC下處理2700m3/h的含塵氣，設(shè)塵粒為球形，密度為2400㎏/m3，氣體的物理性質(zhì)與空氣相同。求：1）可被100%除去的最小顆粒直徑。2）直徑為0.05mm的顆粒有百分之幾能被除去？