非均相机械分离.ppt

第三章 非均相机械分离,3.1沉 降 3.2过 滤,3.3 颗粒的沉降,3.3.1 概述 3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程 3.2.3 重力沉降设备 3.2.4 离心沉降设备 3.2.4 离心机,3.3.1 概述,混合物,均相混合物,非均相 混合物,溶液：,混合气体：,精馏、萃取,吸收、吸附,气态非均相,液态非均相,含尘气体,含雾气体,悬浮液,乳浊液,泡沫液,1.混合物的分类,分散相(分散物质)：处于分散状态的物质,连续相(分散介质)：处于连续状态的物质,2.非均相物系分离的目的 回收有价值的分散物质 净化分散介质 环境保护和安全生产,3.3.1 概述,3.非均相物系的分离依据：,按运动方式 的不同,沉降,过滤,分散相运动,连续相静止,分散相静止,连续相运动,分散相与连续相之间物性的差异。如密度，直径等。 方法采用机械法，使发生相对运动。,3.3.1 概述,1.自由沉降速度,自由沉降:单个颗粒在流体中的沉降过程。,干扰沉降：若颗粒数量较多，相互间距离较近，则颗粒沉降时相互间会干扰，称为干扰沉降。,3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程,颗粒在流体中受到三个力的作用，如图3-3所示：,曳力Fd,重力Fg,浮力Fb,Fg=mg （重力），或FB=mac（离心力）,Fb=mg/p,式中d为曳力系数，A为颗粒在流动方向上的投影面积,3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程,刚开始沉降：,不变,a（加速度）最大,开始沉降,a,(3-19),根据牛顿第二定律，作用于颗粒上的合外力使其产生加速运动，即：,a0,u增加至一定值时,自由沉降速度,匀速沉降,自由沉降速度公式,(3-20),式中dp为颗粒的当量直径。,3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程,2.阻力系数 的计算,因次分析,球形度,=,与颗粒体积相等的圆球的表面积,颗粒的表面积,3.球形颗粒沉降速度计算：,层流区,Stokes定律区,过渡区,Allen定律区,3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程,湍流区,Newton定律区,3.3.2 颗粒在流体中的沉降过程,Re0 200000后，骤然下降，在Re0 =(310)105范围内可近似取= 0.1。,4.影响沉降速度的因素, 颗粒直径 其它条件相同时，小颗粒后沉降。 流体密度 条件其它相同时，颗粒在空气较在水中易沉降。 颗粒密度 其它条件相同时，密度大的颗粒先沉降。,5. 的计算：,问题：沉降速度 未知，如何判断流型？ 解决方法：试差法 或 判据法（避免试差） 判据法：,将上式代入Re中，得到：,斯托克斯公式:,令,试差法：,假设 流型,选择 公式,计算,计算,验算,例：求直径40m球形颗粒在30大气中的自由沉降速度。已知颗粒为2600kg/m3,大气压为0.1MPa。,解：,设为层流，则：,查30、0.1MPa空气：,校核：,(正确),6.非球形颗粒的沉降速度,同样条件下 因此,处理方法：可先假定为颗粒球形，然后校正。,3.3.3 重力沉降设备,1.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,气体,气体,进口,出口,集灰斗,降尘室,颗粒能够沉降到集尘斗中有什么条件呢？ 颗粒在降尘室中的沉降时间小于停留时间时，颗粒在流体离开降尘室前即可沉降到降尘室的底部。,其中：,与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；,t与流体、颗粒的性质、分离要求及降尘室的高度有关。,3.3.3 重力沉降设备,沉降时间,注意：当某直径的颗粒满足t 时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足t时，它不是不能被分离，仍然可以被分离，只不过是不能被完全分离。 讨论： （1）降尘室的生产能力：,停留时间最短为t= =H/u，即最大生产能力为Vs=BLut ；故生产能力与降尘室的底面积BL有关而与降尘室的高度无关，因此，降尘室多制成扁平型或多层。 （2）降尘室生产能力与设备高度无关，那么降尘室的高度是否越小越好呢？,3.3.3 重力沉降设备,若u不变，则L，生产能力Vs=BLut；为保证生产能力不变，必须B；降尘室变得短而宽，气体进入降尘室还未稳定就离开降尘室了，气体在降尘室内的分布不均匀造成分离能力下降；所以在降尘室的前后均有渐缩和渐扩装置； 若L不变，u，生产能力不变；若流速太大，则沉降后的颗粒被重新扬起，分离效率，故应保证气体流动维持层流状态，一般u 10m（75m效果较好）。,3.3.3 重力沉降设备,（4）t0在设计中是确定降尘室主要结构尺寸的依据，在操作中是确定所能完全分离最小颗粒直径的判据。当Stokes定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为Vs时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：,3.3.3 重力沉降设备,3.3.3 重力沉降设备,例1: 降尘室计算 用总高4m、宽1.7m、长4.55m的重力降尘室分离空气中的粉尘。中间等高安排39块隔板，每小时通过降尘室的含尘气体为2000m3，气体的密度为1.6kg/m3(均为标况)，气体温度为400，此时粘度为310-5Pas，粉尘的密度为3700 kg/m3。试求此降尘室能分离的最小尘粒的直径除去6m颗粒的百分率。,已知：H，w，n，V0，O，t, ，P 求：dpc,解：,假设成立，dPC=8.11m。,d=6m 由上可知沉降属于层流区,停留时间：=L/u=4.551.74/1.369=22.60s,例题2：质量流量为2.50kg/s，温度为20的常压含尘气体在进入反应器之前必须除尘并预热至150，所含尘粒密度为1800kg/m3。现有一台总面积为130m2的多层降尘室，试求（1）先除尘后预热的情况下降尘室可全部除去的最小颗粒直径；（2）先预热后除尘的情况下降尘室可全部除去的最小颗粒直径；（3）哪种顺序比较好？为什么？已知20的气体粘度为1.8110-5Pa.s，150的气体粘度为2.4110-5Pa.s。,解：（1）据题意 kg/m3 =1.8110-5Pa.s m3/s 可全部除去的最小颗粒的沉降速度为 m/s,假设颗粒沉降处于层流区，则,校核,故以上计算有效,（2）据题意,=2.4110-5Pa.s,可全部除去的最小颗粒的沉降速度为:,假设颗粒沉降处于层流区，则,校核,故以上计算有效,（3）由计算可知，先除尘后预热的顺序较好，可以全部除去的最小颗粒直径较小。,3.3.3 重力沉降设备,2.增稠器（沉降槽）, 结构,增稠器的构造如右图。主要是一个底部略成锥形的大直径（数米百米以上）浅槽（高度2.54m）。,料浆从中央进料口送入液面下0.31.0m处，以小扰动迅速分散到整个横截面上，颗粒下沉，从等浓区 变浓区沉聚区；在槽底缓慢转动的耙把浓浆中的液体挤出去，并把沉渣聚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”的澄清液体保持清洁。, 工作原理,3.3.3 重力沉降设备, 改变沉降速度的方法,增稠器既可用于间歇操作或连续操作，具有澄清液体和增稠悬浮液双重功能。适用于量大、浓度不高且颗粒不太细微的悬浮料浆，如污水、煤泥水处理等。工业上处理大量悬浮液时，一般采用连续式增稠器。,添加絮凝剂：, 应用,改变操作条件：,一般采用添加少量电解质或表面活性剂的方法，使细小 颗粒凝聚或絮聚；,通常采用诸如：加热、冷冻或震动等方法，使颗粒的粒度或相界面积发生变化，从而提高或降低沉降速度。,3.3.4 离心沉降（Centrifugal sedimentation ）,当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur,3.3.4离心沉降（Centrifugal sedimentation ）,r = 0.5m，ut = 10m/s时，,注意：离心沉降与重力沉降的类比。颗粒离心沉降的速度方向是由圆心沿径向指向外周，但由于颗粒和流体同时做圆周运动，颗粒的实际运动轨迹是一个半径逐渐扩大的螺旋线。离心沉降速度并不是颗粒的实际运动速度，只是其在径向上的分量。,（1）结构与工作原理,如右图所示 ，主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形，中央有一升气管。,旋风分离器（Cyclone separators）,含尘气体从侧面的矩形进气管切向进入器内，然后在圆筒内作自上而下的圆周运动。颗粒在随气流旋转过程中被抛向器壁，沿器壁落下，自锥底排出。被净化的气体到达底部(处于密封状态)后折向上，沿中心轴旋转着从顶部中央排气管排出,旋风分离器（Cyclone separators）,（2）分离性能 旋风分离器能够分离出的颗粒大小是它的主要性能之一。 临界直径dc（Critical diameter） 假设： a、颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度ut恒定，与所在位置无关，且等于进口处的速度ui； b、颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进口宽度B； c、颗粒与气流的相对运动为层流。 颗粒在旋风分离器中能被完全分离，其沉降时间必须不大于停留时间,临界直径：当沉降时间与停留时间相等时所能完全分离的颗粒直径为最小直径。,旋风分离器（Cyclone separators）,离心沉降时间为：,旋风分离器（Cyclone separators）,讨论： B，D，dc，效率；在生产能力相同条件下，有一台大旋风分离器和若干台小旋风分离器（进口气速一样），应采用哪种方案？ ui，dc，效率，但阻力；旋风分离器的进口气速应适当选择，不宜太高也不宜太低。 dc不仅与颗粒和气体的性质有关，而且与旋风分离器的结构和处理量有关。处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大（N越大），则临界直径越小，分离性能越好。,旋风分离器（Cyclone separators）, 分离效率 粒级效率、总效率 含尘气体中所有颗粒经分离器后被分离出的质量百分数0 ，称为总效率，不能准确地代表旋风分离器的分离性能:,含尘气体中某一粒径的颗粒经分离器后被分离出的质量百分数pi ，称为粒级效率，可以准确表示旋风分离器的分离性能。,其中c为质量含量，g/m3；i表示直径为di的颗粒。,d50是粒级效率恰为50%的颗粒直径，称为分割粒径。,工业上常将旋风分离器的粒级效率dpi 标绘成粒径比dpi/d50的函数曲线。,旋风分离器（Cyclone separators）,讨论： 若两台旋风分离器的总效率相同，他们的分离性能是否相同？含尘气体中颗粒的大小范围不同，临界直径不同，因此采用粒级效率才能更准确地评价分离器的效率。 d dc时，pi =100%， d dc的颗粒能否被分离？能，不能被完全分离即pi 100% 。, pi与0的关系,旋风分离器（Cyclone separators）, 压力降（阻力损失） 通常压降用入口气体动能的倍数来表示：,对标准型旋风分离器,处理量越大、颗粒密度越大、进口越窄、长径比越大、减小排气管直径、缩小旋风分离器直径等等均能提高分离性能，但同时也增加的阻力损失，在旋风分离器的选型上应充分考虑阻力的影响。,4.7 旋液分离器,旋液分离器的工作原理及计算与旋风分离器类似。 与旋风分离器相比，旋液分离器的直径较小？较大？ 气固密度差大而液固密度差较小，为获得较高的离心力，旋液分离器的直径通常较小。,在除去某粒径的颗粒时，若降尘室的高度增加一倍，则沉降时间_，气流速度_，生产能力_。,球型石英颗粒在水中作自由沉降，若沉降属于层流区（stocks公式适用），当粒径增加一倍时，其它条件不变的情况下，其沉降速度将为原来的_倍。,拟采用一个降尘室和一个旋风分离器来除去某含尘气体中的灰尘，则较适合的安排是_。,球型石英颗粒在水中作自由沉降，若沉降属于层流区（stocks公式适用），当粒径增加一倍时，其它条件不变的情况下，其沉降速度将为原来的_倍。,3.4 过 滤,3.4.1 概述 3.4.2 过滤基本方程 3.4.3 过滤常数的测定 3.4.4 滤饼洗涤 3.4.5 过滤设备及过滤计算,3.4 过滤（Filteration）,3.4.1 概述 过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼（Filter cake），通过过滤介质的液体称为滤液（Filtrate）。 （1）过滤介质（Filter medium）： 过滤介质应具有以下特性：多孔性，足够的机械强度，尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性，耐热性，易于再生。 工业上常见的过滤介质：织物介质、堆积介质、多孔固体介质、多孔膜。,3.4.1 概述,（2）过滤分类： 深层过滤（Deep bed filteration） 滤饼过滤（Cake filteration）,3.4.1 概述,（3）过滤推动力： 重力（漏斗过滤）、压力（加压过滤）或真空（抽滤）、离心力（离心过滤）。 （4）滤饼的可压缩性 （5）助滤剂 助滤剂本身就是一性能良好的过滤介质，是一种坚硬、不规则的小颗粒，它能形成结构疏松、空隙率大、不可压缩的滤饼，很大程度改善过滤难度。助滤剂使用方法主要有两种：混合、预涂。,3.4.1 概述,3.4.2 过滤设备,（1）板框压滤机（Plate-and-frame type filter press） 结构与工作原理,3.4.2 过滤设备,排列方式：板、框交替，个数可调。,3.4.2 过滤设备, 流程,装合、过滤、洗涤、卸渣、整理，1232123212321,1-非洗涤板；,2-框；,3-洗涤板；,四角均开孔,组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1,滤布框的两侧,滤浆由总管入框,框内形成滤饼,滤液穿过饼和布,经每板上旋塞排出(明流),从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流),过滤,3.4.2 过滤设备, 特点 优点：结构简单，过滤面积大（100100mm1500 1500mm）而占地省，过滤压力高（可达1.5MPa），操作灵活，便于用耐腐蚀材料制造，所得滤饼水分含量少，又能充分地洗涤。 缺点：间歇过滤，劳动强度大，适用于中小规模的生产及有特殊要求的场合。 横穿洗涤（洗涤液的流通路径是过滤滤液流通路径的两倍，洗涤液的流通截面积为过滤滤液流通截面积的一半；故洗涤速率为过滤终了速率的四分之一）。,3.4.2 过滤设备,（2）叶滤机（Leaf filter） 结构与工作原理,叶滤机由许多滤叶组成。滤叶是由金属多孔板或多孔网制造的扁平框架，内有空间，外包滤布，将滤叶装在密闭的机壳内，为滤浆所浸没。滤浆中的液体在压力作用下穿过滤布进入滤叶内部，成为滤液后从其一端排出。过滤完毕，机壳内改充清水，使水循着与滤液相同的路径通过滤饼进行洗涤，故为置换洗涤。最后，滤饼可用振动器使其脱落，或用压缩空气将其吹下。,3.4.2 过滤设备,流程 装合、过滤、洗涤、卸渣、整理 特点 优点：间歇过滤，单位地面所容纳的过滤面积大，洗涤充分，生产能力比压滤机大，机械化程度高，劳动力省，密闭过滤，操作环境较好。 缺点：构造复杂，造价高，滤饼中粒度差别较大的颗粒可能分别积聚于不同的高度，使洗涤不均匀。 置换洗涤（洗涤液的流通路径与过滤滤液流通路径相同，洗涤液的流通截面积与过滤滤液流通截面积相等；洗涤速率与过滤终了速率相等）。,（3）转筒真空过滤机（Rotary vacuum drum filter） 结构与工作原理：,3.4.2 过滤设备,为连续操作过滤设备。其主体部分是一个卧式转筒，表面有一层金属网，网上覆盖滤布，筒的下部浸入滤浆中。转筒沿径向分成若干个互不相通的扇形格，每格端面上的小孔与分配头相通。凭借分配头的作用，转筒在旋转一周的过程中，每格可按顺序完成过滤、洗涤、卸渣等操作。 当转筒中的某一扇形格转入滤浆中时，与之相通的转动盘上的小孔也与固定盘上槽1相通，在真空状态下抽吸滤液，滤布外侧则形成滤饼；当转至与槽2相通时，该格的过滤面已离开滤浆槽，槽2的作用是将滤饼中的滤液进一步吸出；当转至与槽3相同时，该格上方有洗涤液喷淋在滤饼上，并由槽3抽吸至洗涤液罐。当转至与孔4相通时，压缩空气将由内向外吹松滤饼，迫使滤饼与滤布分离，随后由刮刀将滤饼刮下，刮刀与转筒表面的距离可调；当转至与与孔5相通时，压缩空气吹落滤布上的颗粒，疏通滤布孔隙，使滤布再生。然后进入下一周期的操作。 转筒直径为0.35m，长为0.37m。滤饼层薄的约为36mm，厚的可达100mm。操作连续、自动、节省人力，生产能力大，能处理浓度变化大的悬浮液，在制碱、造纸、制糖、采矿等工业中均有应用。但转筒真空过滤机结构复杂，过滤面积不大，滤饼含液量较高（1030），洗涤不充分，能耗高，不适宜处理高温悬浮液。,水平转筒分为若干段，滤布蒙于侧壁,段管分配头转动盘(多孔)分配头固定盘,(凹槽2、凹槽1、凹槽3) 三个通道的入口,滤液真空管,洗水真空管,吹气管,工作过程跟踪一段,当浸入滤浆中时，对应滤布对应管转动盘孔凹槽2 滤液真空管 滤液通道过滤,流程 过滤、洗涤、吸干、吹松、卸渣,当位于水喷头下，对应滤饼、滤布对应管转动盘孔凹槽1 洗水真空管 洗水通道洗涤,吹气管凹槽3转动盘孔 对应管滤布滤饼 压缩空气通道吹松,遇到刮刀 卸渣,两凹槽之间的空白处：没有通道 停工两区不致串通,3.4.2 过滤设备,特点 优点：操作连续、自动 缺点：设备体积庞大，过滤面积相对较小，过滤、洗涤推动力小，洗涤不充分，适用于处理量大而容易过滤的悬浮液分离。 洗涤方式为置换洗涤。,3.4.3 过滤基本理论,3.4.3.1 滤饼层特性 （1）滤饼层空隙率,空隙率反映了滤饼层中固体颗粒的堆积密度； ，颗粒堆积紧密，同样流量下，阻力；，颗粒堆积疏松，同样流量下，阻力。,将孔道视为长度均为le，当量长度为de的一组平行细管，流体在细管中的平均流速u1。,3.4.3.2 滤液通过滤饼层的流动,简化条件：,（1）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积； （2）细管的内表面积等于颗粒床层的全部表面积。,流动阻力可用哈根泊谡叶方程表示：,式中 u1 流体的真实流速，m/s； p1 通过滤饼的压力降，N/m2； 滤液的粘度，Ns/m2； de 滤饼层孔道的当量直径，m； le 孔道的平均长度，m。,3.4.3.2 滤液通过滤饼层的流动,在单位时间内通过单位过滤面积的滤液量为瞬时过滤速度u：,式中 q 单位过滤面积所得的滤液量，q=V/A，m3/m2； A 过滤面积，m2； V滤液量,取le=CL，,de采用水力当量直径，则：,流体的真实流速与空床速度u的关系为：,3.4.3.2 滤液通过滤饼层的流动,令颗粒比表面积a=颗粒表面积/颗粒体积，则：,将上述几式代入哈根泊谡叶方程，整理得：,r称为滤饼的比阻，与滤饼的结构有关。,可压缩滤饼的s大约为0.20.8。不可压缩滤饼s=0。于是上式可写成：,式中p1 为过滤推动力， rL可视为滤饼阻力。,3.4.3.2 滤液通过滤饼层的流动,3.4.2 过滤基本方程,将介质阻力折合成厚度为Le的滤饼阻力，则,令,代入得 ：,或,式中,过滤基本方程,每获得1m3滤液所形成的滤饼体积为vm3，则滤饼层厚度L为 ：,3.4.2 过滤基本方程,1恒压过滤,若过滤过程中保持过滤推动力（压差）不变，则称为恒压过滤。对于指定滤浆的恒压过滤，K为常数，积分式3-70得：,或,若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：,3.4.2 过滤基本方程,2恒速过滤,若过滤时保持过滤速度不变，则过滤过程为恒速过滤。,代入式3-70中得：,若过滤介质阻力可忽略不计，则以上两式简化为：,对恒速过滤，有,或,3.5 过滤计算,1间歇过滤机的计算,（1）操作周期与生产能力,操作周期总时间,操作周期,过滤时间,洗涤时间,卸渣、清理、装合,设计和操作计算要基于C,生产能力：一个操作周期中，单位时间内得到的滤液或滤饼体积,已知K，qe，由过滤方程，FVF Q,（2）洗涤速率和洗涤时间,一般认为：洗涤液量滤液量，即,假定：洗涤液粘度与滤液相同；洗涤压力与过滤时相同,洗涤速率：单位时间内通过滤饼层的洗涤液体积,叶滤机的洗涤速率和洗涤时间置换洗涤,洗涤速率恒定滤饼厚度不变,板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间横穿洗涤,洗涤时间,（3）最佳操作周期,在一个操作周期中,R一般固定,F，V ，但上升幅度，Q可能,F ，V ，且下降幅度 ，Q可能,存在一个最优的过滤时间，使Q最大,可以证明： F + W= R，则Q可达最大,2连续过滤机的计算,(1)操作周期与过滤时间,间歇过滤机：部分时间，全部面积过滤,连续过滤机：部分面积，全部时间过滤,转筒过滤机，每分钟n周，,则T=60/n,每圈用时,转筒表面浸入分数：,一个周期中全部面积经历过滤时间,部分面积，全部时间全部面积，部分时间,T,A,（2）生产能力,当滤布阻力可以忽略,QA，n,说明,，过滤面积 ，其它面积，操作不便,n ， F ，L ，难以卸渣，功率消耗,例题1：拟用过滤面积20.8 m2，滤框总容积0.262 m3的板框压滤机处理温度20的某一悬浮液，获每m3滤液得滤饼量0.01787m3。在3.35atm操作压力下，过滤常数K1.678104m2/s，qe=0.0217 m3/ m2，滤饼为不可压缩。试求：（1）过滤至框充满滤渣所需过滤时间；（2）每次过滤完毕用清水洗涤滤饼，洗水温度及表压与滤浆