廣東石油化工學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

通過本章學習，掌握沉降、過濾、固體流態(tài)化及氣力輸送等過程的原理、計算方法、典型設備的結構特性，能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，合理選擇設備。學習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)。

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

利用具有一定大小孔徑的篩面進行分級稱為篩分。

用于篩分的機械設備按篩面的運動特點可分為振動篩、搖動篩、回轉(zhuǎn)篩等。

篩分

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

篩網(wǎng)產(chǎn)品規(guī)格中用以表達目數(shù)的單位是孔/厘米或線/厘米。使用英制計量單位的國家和地區(qū)，以孔/英寸或線/英寸來表達絲網(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)生相對運動而分離的單元操作。2、沉降操作分類§1

沉降一、概述重力沉降：顆粒在重力場中受重力作用與連續(xù)相發(fā)生相對運動而沉降。離心沉降：顆粒離心力的作用與連續(xù)相發(fā)生相對運動而沉降。3、沉降操作的應用

1）以澄清為目的

2）以增稠為目的

3）以分級分離為目的

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立沉降時，稱為自由沉降。干擾沉降：當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，其曳力系數(shù)較自由沉降時為大。其沉降速度可按自由沉降速度計算，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：

當流體相對于靜止的固體顆粒流動時，或者固體顆粒在靜止流體中移動時，由于流體的粘性，兩者之間會產(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)牛頓第二運動定律

分析顆粒運動情況：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于流體的運動速度ut稱為沉降速度。由于這個速度是加速階段終了時顆粒相對于流體的速度，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）對曳力系數(shù)的因次分析曳力的影響因素：曳力的函數(shù)關系：因次分析的結果：4、關系曲線圖分為四個區(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，因此無法計算該區(qū)的沉降速度。一般沉降操作達不到此區(qū)。5、沉降速度的計算

（1）試差法假定沉降所屬區(qū)域→用該區(qū)公式計算沉降速度ut→由算出的ut求出Ret→檢驗Ret是否在所設區(qū)域→與所設相符，計算正確；與所設不符，重新計算。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、棱長為1的正方體顆粒。（2）變換坐標法及關系曲線（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、非球形顆粒的當量直徑與球形度的概念

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

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

非球形顆粒的體積為

(1)體積當量直徑dev（2）表面積當量直徑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），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的表面積當量直徑。非球形顆粒的表面積為

非球形顆粒的表面積當量直徑為

（3）比表面積當量直徑des

比表面積：單位體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），則該虛擬球體的直徑即非球形顆粒的比表面積當量直徑。非球形顆粒的比表面積為

非球形顆粒的當量直徑為

2、球形顆粒的球形度

不同形狀的顆粒體積相同時，以球體的表面積為最小。球形度

如邊長為a正方體顆粒：四、重力沉降設備1.降塵室借重力沉降從氣流中分離出塵粒的設備稱為降塵室。除塵條件：顆粒以u速度水平通過降塵室的時間大于或等于顆粒以ut速度從室頂降到室底所需的時間。或

位于降塵室最高點的顆粒沉降到室底所需的時間為氣體通過降塵室的時間為欲使顆粒被分離出來，則降塵室高沉降速度降塵室長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，而與降塵室高度H無關。降塵室生產(chǎn)能力對設置了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

降塵室結構簡單，流動阻力小，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，一般作為預除塵使用。多層降塵室雖能分離較細的顆粒且節(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5m，室內(nèi)需要設多少塊隔板？例：某降塵室寬1.5m，長2m，在常壓、100oC下處理2700m3/h的含塵氣，設塵粒為球形，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？