1、第三章 非均相机械分离,第3章 非均相机械分离,3.1 概述 3.2 颗粒的沉降 3.3 过滤,一、什么是非均相物系？,分散相 组分 连续相,3.1 概述,例如:悬浮在空气（连续相）中的粉尘（分散相）,相系分为两大类： a 均相物系：在连续相和分散相之间没有相界面。分离较难，如水-乙醇 b. 非均相物系：在连续相和分散相之间存在着明显的相界面，机械分离过程，如油和水。,二、非均相物系的分离方法,沉降利用分散相和连续相之间的密度差异，在某种重力场中，使之发生相对运动而实现分离。如 水中的d=510m的沙粒或粘土。包括重力沉降、离心沉降、电场、磁场、絮凝沉降 (在浊水中加入少量的明矾)过滤分离 d
2、=410m离子交换分离 如: 水中的Ca2+, Mg2+ 膜分离 如 ：海水的脱盐、造纸废水的处理,三、机械分离在工业生产中的作用,用于产品的回收 环境保护 废水的净化 水的净化吸附（活性炭 ) 过滤 磁化 矿化 生物接触氧化法； 臭氧法；电渗透法；反渗透法 废气的净化 空气 油水分离器 棉花过滤器 超细纤维过滤器,3.2 颗粒沉降,3.2.1 重力沉降 3.2.2 重力沉降分离设备 3.2.3 离心沉降 3.2.4 离心沉降设备,3.2.1 固体颗粒在流体中的重力沉降,一、球形颗粒的自由沉降与干扰沉降,自由沉降: 当颗粒在一个足够大的容器(dpD)中沉降，且在沉降过程中，没有受到其它颗粒的影
3、响。 干扰沉降: 当颗粒的浓度较高时，颗粒的沉降会受到其它颗粒的影响。若颗粒的直径与容器的直径比小于1:200, 或颗粒的浓度小于0.2% ，干扰小于1% , 可视为自由沉降。,二、 颗粒重力沉降运动中的受力分析,d，s的球形颗粒,1. 重力,2. 浮力,3. 阻力,表面阻力与形体阻力,阻力大小取决于颗粒与流体间的相对运动速度,三、重力沉降速度u0与阻力系数,1. 重力沉降速度u0,重力-浮力-阻力=颗粒质量加速度,重、浮力一定，u，阻力 ，加速度,加速度=0时，u=u0重力沉降速度,2. 公式成立假定条件,其他因素对u0的影响,颗粒为球形；,颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰；,容器壁对沉降的
4、阻滞作用可以忽略；,颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响。,3. 阻力系数,因次分析,阻力系数Re0关系图,层流区(Stokes区),Stokes公式,表面阻力占主导地位,不发生边界层分离,过渡区(Allen区),开始发生边界层分离,颗粒后部形成旋涡尾流,尾流区压强低形体阻力增大,湍流区(牛顿区),形体阻力占主导地位，表面阻力可以忽略,阻力u2,阻力系数与Re0无关, Re02105,阻力系数骤然下降,层流边界层湍流边界层,分离点后移，尾流区收缩，形体阻力突然下降,近似取=0.1,5. 重力沉降公式的应用,如果能够确认流动区域，直接用对应公式,流动区域不能确定，采用试差法,假定流动处于层流区，
5、 Stokesu0 Re0 (？2)，yes结束 no 换用相应区域公式 u0 Re0 判断，修正,四、强化重力沉降的方法,增加颗粒的直径，加凝聚剂、助附着剂减小流体的密度、粘度ut 减 减少干扰沉降 减对于液体 = f (T ) T 对于气体 = f (T ) T ,3.2.2 重力沉降分离设备,降尘室,1. 工作原理,气体入室 减速,颗粒的沉降运动&随气体运动,沉降运动时间气体停留时间分离,流道面积扩大,所需沉降时间=H/u0,在室内停留时间=L/u,分离满足的条件：,2. 能(100%)被除去的最小颗粒直径,100%去除室顶到室底,说明, d，容易除去,气量V，容易除去,分离所需最低沉降
6、速度,最低沉降速度能被分离的最小粒径,说明,dmin与颗粒、气体性质，气体处理量，底面积有关,考虑是dmin ，一般认为处在层流区,3. 最大处理量（生产能力）,说明,Vmax为某一粒径能100%被去除的最大处理量,Vmax与 (100%去除的) d, A0有关，而与H无关,4. 补充说明,气体均布重要性入口锥形,横截面大操作气速低不被卷起 底面积大分离效率高,【例】采用降尘室回收常压炉气中所含球形固体颗粒。降尘室底面积为10，宽和高均为2m。操作条件下气体密度为0.75kg/m3，粘度为2.610-5Pas，颗粒密度为3000 kg/m3。降尘室的生产能力为3m3/s。试求： （1）理论上可
7、完全回收的最小颗粒直径； （2）粒径为40 m的颗粒的回收百分率； （3）如将降尘室改为多层以完全回收10m的颗粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板及板间距。,解：,（1）理论上可完全回收的最小颗粒直径,在降尘室中能完全被分离出的最小颗粒的沉降速度为,假设沉降在层流区，用Stokes公式求最小颗粒直径,核算沉降流型,假设成立，求得的最小粒径有效。,（2）粒径为40 m的颗粒的回收百分率,假设颗粒在炉气中的分布是均匀的，则在气体的停留时间内颗粒沉降的高度与降尘室的高度之比即为该尺寸颗粒被分离下来的分率。,由于各种尺寸的颗粒在降尘室内的停留时间均相同，故40 m的颗粒的回收率也可用其沉降速度u0与
8、69.1 m的颗粒的沉降速度u0之比来确定，在层流区,（3）需设置水平隔板层数及板间距,由上面计算可知，10 m的颗粒的沉降必在层流区，可用stokes公式计算沉降速度,需设置水平隔板层数,板间距,核算气体在多层降尘室内的流型：若忽略隔板厚度所占的空间，则气体的流速为,即气体在降尘室的流动为层流，设计合理。,一、 颗粒离心沉降运动中的受力分析,d，s的球形颗粒,1. 离心力,2. 向心力,3.2.3 固体颗粒在流体中的离心沉降,3. 阻力,二、离心沉降速度ur,颗粒实际运动速度在径向上的分量；,方向：由圆心指向外；,轨迹：逐渐扩大的螺旋线，,3.2.4 离心沉降设备,重力沉降的不足与离心沉降的
9、优势,设备体积小而分离效率高,旋风分离器,1. 构造与工作原理,圆筒、圆锥、矩形切线入口,气流旋转向下螺旋运动到锥口,向上螺旋运动（气芯）,顶部中央排气口,颗粒,器壁,与气流分离，滑落,离心力作用,2. 分离性能估计,（1）能被分离出的最小颗粒直径,临界直径dc,假定,ut保持不变，且等于进气速度ui,穿越最大气层厚=B,相对运动为层流,Stokes公式可用,将g换为,rm-平均旋转半径,颗粒沉降速度,假设沉降时间,气芯前圈数=N,运行距离,有效停留时间,某一粒径能(100%)被分离出的条件:其穿越B所需时间停留时间,对于标准旋风分离器，一般取,dc与气体性能、结构、处理量有关,假定与实际情况
10、相差较大，粗略估计,（2）粒级效率,粒级效率 :混合物经旋风分离器后某一(范围的)粒径被分离出来的质量分数,理论上 ddc的颗粒=1,实际上ddc,入器时如其BB，也可以被分离,粒级效率曲线,（4）压降,摩擦阻力：进气管、排气管、器壁,压降常表示为,阻力系数实测,经验,（3）总效率O：,被分离出来的颗粒点全部颗粒的质量分数,局部阻力：各局部,动能损失：气旋,入口气体流量 V, 入口气速 ui ui, 涡流加剧 压降 ui=1525m/s 较小的分离器 当处理量较大时，常并联使用几个小的分离器 出口管的长度 分离器的直径 排气设备 在尘粒出口出为负压,若不密封,空气将会进入，阻碍尘粒的下降。,3.分离效率的影响因素,4. 选型与计算,根据处理量、允许压降、粉尘性质、分离效率选型 注意权衡效率与阻力,
