沉降过程与操作.docx
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沉降过程与操作
学习情境4沉降过程与操作
学习要求
知识目标:
1.了解重力沉降及离心沉降基本知识。
2.掌握旋风分离器、油水分离设备工作原理。
能力目标:
1.能使旋风分离器平稳运行。
2.能使油水分离设备平稳运行。
学习情境4.1常压塔顶回流罐的油水分离
【教学内容】
化工生产中需要将混合物加以分离的情况横多,大致说来,混合物可分为两大类,即均相混合物和非均相混合物,详细内容下表。
混
合
物
均相
气态
空气、天然气
液态
乙醇—水、石油
非均相
气—固
烟道气
气泡—液体
气—液
雾滴—气体
液—固
泥水、硫铵+母液
液—液
牛奶、油—水
固—固
煤矸石、金属矿
均相:
内部各处均匀不存在相界面的物系称为均相物系。
如溶液、混合气体及少量混合液体。
非均相:
由具有不同物理性质(如密度和粒径)的分散物质和连续介质所组成的物系称非均相物系。
均相物系的分离属于传质内容,均相物系中的“固—固”物系不在讨论之列;非均相物系可以借助沉降、过滤、筛分等手段,利用物系中两相间的物性(如ρ或d)差,实现两相间的相对运动达到分离的目的。
这些属于机械分离,操作遵循流体力学的基本规律。
在非均相物系中,处于分散状态的物质称“分散相”;包围它的物质称“连续相”(即分散介质)。
沉降是将混合物置于力场中,在力场作用下,使分散相与连续相发生相对运动,密度大的物质定向地移向收集面,实现分离。
力场
沉降类型
物系
重力场
重力沉降
自由沉降
气—固、液—固
气—液、液—液
干扰沉降
离心力场
离心沉降
同上
电场
电沉降
电除尘器
颗粒极微者
电捕焦油器
固—固物系往往要借助流体,使固固两相间的运动产生速度差。
在这里我们重点学习重力沉降,其沉降方向垂直向下。
一沉降速度
㈠球形颗粒的自由沉降
自由沉降——颗粒沉降中不受外界的任何影响。
将一粒表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体中,颗粒ρs>液体的ρ,于是颗粒受到的力分别为:
重力Fg、浮力Fb、阻力Fd,其作用方向如图示。
当颗粒和流体的种类确定后,仅于ρs、d和ρ有关的重力及浮力便为常量;阻力则
随着颗粒运动的速度的变化而变化。
直径为d的颗粒,所受三力表示为(向下为正):
三力之和,使颗粒产生加速度:
α=du/dθ
图4-1受力分析
随时间变化情况见下表:
θ
u
Fd
a
0
0
0
max
↑
u↑
Fd↑,净力↓
a逐渐↓
加速段
↑↑
ut
Fd=Fg-Fb
0
等速段
整理后得:
(3-1)
从颗粒沉降达到等速阶段,理论上讲需要很长的时间,但达到0.99ut需时很短,固可以忽略加速段,认为颗粒始终在等速ut下运动。
在a=0,u=ut,
(3-2)
上式显示:
(ρs-ρ)↑、d↑→ut↑。
㈡阻力系数ξ
ξ也是雷诺数Ret(Ret=dutρ/μ)的函数:
1.滞流区(斯托克斯定律区,10-4 ξ=24/Ret (3-3) 2.过渡区(艾伦区,1 ξ=18.5/(Ret0.6) (3-4) 3.湍流区(牛顿定律区,103 ξ=0.44 (3-5) 4.湍流边界层区(Ret>2×105) ξ=0.10 将(3-3)至(3-5)代入(3-2),得到不同Ret区域相应ut的计算式: 1.湍流区 ut=d2(ρs-ρ)g/18μ 2.过渡区 3.湍流区 不同ut下,流体对颗粒产生的流阻会有不同的影响: ⑴滞流区: 因为在颗粒表面形成很薄的滞流边界层,且不发生边界层分离,所以只存在流体的粘性阻力=f(ut)。 ⑵湍流区: 虽然边界层仍为滞流,但其分离引起的形阻已占主导地位,流阻=f(ut2)。 ⑶过渡区介于滞、湍流间,粘、形阻均不可忽略。 ⑷湍流边界层区: 此时,由于流体主体中的能量与边界层中的能量交换强度增加,反而使边界层的分离困难起来。 形阻下降使ξ突然下降。 ⑸重力沉降时: 小颗粒——斯托克斯区;粒径大些的——艾伦区;能到牛顿区的情况已很少见。 ㈢影响ut的因素 只有连续相为气态的物系或单个颗粒在大空间的沉降中,颗粒的沉降才能视为“自由沉降”。 当连续相为液体、物系中颗粒的体积分率较高时,颗粒之间相互干扰称干扰沉降。 此时影响ut的因素有: 1.颗粒的体积浓度 当体积浓度<0.2%,各ut的理论计算值偏差<1%;体积浓度较高时发生干扰沉降。 2.器壁效应 当颗粒离器壁较近时,颗粒沉降迫使连续相也有一定的流动,而不动的器壁又阻滞着这种流动,结果显示ut变慢。 当沉降处于斯托克斯区,修正: ut′=ut/(1+2.1(d/D)) 当D>100d时,器壁效应可忽略。 3.颗粒形状 已知管壁ξ↑→hf↓;同样,颗粒形状越偏离球形,沉降时阻力也越大。 用球形度标识: φs=s/sp S——球体表面积,m2; sp——颗粒的表面积,m2 颗粒形状越不规则,其球形度越小。 非球形颗粒的Ret中的d用当量直径de: (3-6) ∵d太小会产生布朗运动, ∴当d<0.5μm时不宜使用自由沉降速度计算式。 Ret>10-4可忽略布朗运动。 另外,对于分散相: 如果ρs>ρ,颗粒作沉降运动;如果ρs<ρ,颗粒作升浮运动。 连续相有静止和流动两种情况。 流动的连续相又分为与颗粒同向不同速的、与颗粒反向的及流态化状态。 ㈣沉降速度的计算 因为计算ut时,要通过Ret确定使用哪一个公式,所以有ut=f(Ret)。 可以采用如下方法进行计算。 1.试差法: 当求出的ut与假设的ut在同一个Ret范围内,求出的ut有效。 2.摩擦数群法: 可由d求ut,或反求。 设法消去Ret中的ut。 无需试差,但离不开图,该法便于计算非球形的ut。 3.K判据求ut: 此法无需试差,但使用时须知d。 令: 代入 得: 二沉降室 含尘气体在管道中流动,因气速较大,尘粒来不及沉降;进入突然扩大的流道——沉降室,气速u显著减少。 那些在流体离开降尘室之前落到室底的颗粒便与 流体分离了。 位于室内最高点的颗粒降至室底需用时间: θt=H/ut 气体通过降尘室需用时间: θ=L/u理论上,凡θt≤θ的颗粒都能落到室底。 即气体在降尘室的速度: u=Vs/(Hb),满足u≤Lut≤H条件的、气速对应为ut的颗粒能被分离。 图4-2沉降室 对应上式可改写为: Vs/(Hb)≤Lut/H。 由此可见,降尘室的生产能力Vs=bLut与高度H无关,但H与u大小有关。 采用多层水平隔板,既保证H不变(Vs不变),又使隔板间距H'↓→θt↓减少,受尘面积↑。 切记: 为不使已沉降的灰尘被卷扬,u要处于滞流区。 且降尘室的进、出口应采用渐变流道。 三浓悬浮液的沉聚过程 浓悬浮液中颗粒的沉降要受到A、其它颗粒;B、器壁;C、被颗粒取代其空间的流体向上流动等因素的影响——干扰沉降——“沉聚过程”。 图4-3间歇沉降实验 (1)随着固相浓度的增大,液体从颗粒间向上流动的速度也增大。 使颗粒在实际上是处于向上流动的液体中沉降。 比在静止的、自由沉降时受到的阻力大得多。 d大,ut↑→与周围流体间的相对速度u较d小的大些→阻力↑,反使ut↓。 (2)悬浮液中,颗粒的粒级分布很宽。 对d大而言,细小颗粒与液体混成了μ↑、ρ↑的流体。 在这种流体中的沉降显然使ut↓。 而d小却被d大向下拖曳使ut↑;絮凝现象使颗粒的有效尺寸增大,ut↑。 综上所述,d大的ut↓,d小的ut↑。 实验证明,在粒度范围<6/1时,颗粒的ut相接近。 四沉降槽的结构与操作 沉降槽的构造如图。 既可间歇操作,亦可连续操作。 间歇操作的时间可以根据底流浓度调整;连续操作的设备则要实验数据设计尺寸。 连续沉降槽是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,以尽可能小的扰动迅速分散到整个横截面上,颗粒下沉,从等浓区进入变浓区最后进入沉聚区;在槽底徐徐转动(小槽1r/min;大槽0.1r/min)的耙把浓浆中的液体挤出去,并把沉渣聚 图4-4沉降槽构造 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”的液体保持清洁。 连续沉降槽适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的悬浮料浆,如污水、煤泥水等。 其沉渣含液量约50%。 提高沉降速度的办法有: 添加少量电解质或表面活性剂,使细粒凝聚或絮聚;改变操作条件,如: 加热、冷冻或震动,使颗粒的粒度或相界面积发生变化,提高沉降速度。 学习情境4.2旋风分离器的沉降操作 【教学内容】 一惯性离心力作用下的沉降速度 惯性离心力场的强度与力场距中心轴距离R及R所在圆的圆周速度ur有关,即(uT2/R)——也称离心加速度,随uT↑和R↓(定ω↑,R↑,uT↑)显著增强(g为常数),方向沿直径指向外圆周。 含固体颗粒的流体进入离心力场时,ρs>ρ,颗粒必向外圆飞去。 同时受到三个力的作用: 惯性离心力=(π/6)d3ρs(uT2/R)指向外圆 向心力=-(π/6)d3ρ(uT2/R)指向圆心 阻力=-ξ(π/4)d2(ρur2/2)指向圆心 三力达平衡(∑F=0),ur——颗粒在R点的离心沉降速度。 (3-7) (3-2) 比较重力场和离心力场的沉降速度计算式,只在力场强度上同。 若离心沉降时,颗粒与流体的相对速度属于滞流,则ξ=24/Ret (3-8) (3-6) 两种沉降速度之比: ur/ut=(uT2/R)/g=Kc (3-9) Kc——离心分离因数 Kc是离心分离设备的重要指标。 某些高速离心机的Kc可达数十万;一般旋风(液)分离器的Kc值在5~2500之间。 如: R=0.4m,uT=20m/s时: Kc=202/(0.4×9.81)=102 二旋风分离器的操作原理 分离器结构如图。 含尘气流从切向进入圆筒后,在筒壁的约束和后继气体的推动下,形成“外螺旋运动”→离心力场。 颗粒被抛向筒壁,借重力沿壁面落至锥形筒底部的排灰口。 颗粒向器壁运动使气体向旋转中心聚集,仍然保持 着与外螺旋同方向的旋转运动——内螺旋,并从下向上从出气口排出。 ∵它的R小,∴仍具有可观的力场强度。 旋风分离器的静压强分布: 1.径向 器壁附近静压强大,向旋转中心逐渐降低, 在排气口附近与口外侧压强持平。 图4-5旋风分离器工作原理 2.轴向 沿轴向,从上至下静压强逐渐降低。 若排气口直通大气(或连引风机),则器底部轴心处形成负压,排灰口密封不 严会已落入底部的尘埃卷起。 三旋风分离器的性能 ㈠临界粒径dc dc指理论上能完全被分离下来的最小颗粒直径,[m]。 dc的计算式由下面的简化条件推导出来: ⑴进入旋风分离器的气流严格按螺旋形路线作等速运动,其切向速度uT=进口速度 ui=Vs/Bh。 (B为进口气体宽度) ⑵颗粒向器壁沉降时,都要穿过厚度为B的气流层才能到达壁面。 ⑶颗粒在滞流情况下作自由沉降,其径向沉降速度可用(3-8)计算。 简化成:
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- 沉降 过程 操作