非均相物系的分离.ppt

第3章 非均相物系的分离,非均相混合物机械分离的目的： (1)回收有价值的分散组分 (2)净化分散介质,可以进一步加工处理 (3)环境保护和安全生产,分离依据和作用力的不同，非均相混合物的分离方法主要有以下几种： （1）依据连续相的分散相的密度差异，在重力场或离心力场分离。 （2）依据两相对固体多孔介质透过性的差异，在重力、压强差或离心力的作用下，液体透过介质而分散的固体颗粒受到阻挡被分离出来。 （3）依据两相电性质的差异，在电场力的作用下进行分离。,通过本章的学习，要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性，能够根据生产工艺要求，合理选择设备类型和尺寸。,3.1 颗粒的特性,3.1.1 单一颗粒的特性参数,表示颗粒大小的几何参数：大小（尺寸）、形状、表面积（或比表面积）。,图3-1 不同形状颗粒示意图,3.1.1.1 形状规则的颗粒,(1)大 小：用颗粒的某一个或某几个特征尺寸表示， 如球形颗粒的大小用直径ds表示。 (2)比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积，其单位为m2/m3 ,对球形颗粒为：,3.1.1.2 形状不规则的颗粒,(1)颗粒的形状系数：用形状系数表示颗粒的形状，最常用的形状系数是球形度，它的定义式为,(2)颗粒的当量直径,体积当量直径deV，即体积等于颗粒体积的球形颗粒的直径为非球形颗粒的等体积当量直径。 比表面积当量直径dea，即将比表面积等于颗粒比表面积的球形颗粒的直径定义为非球形颗粒的等比表面积当量直径。,通常使用等体积当量直径：,工业生产中常遇到流体通过大小不等的混合颗粒群的流动，此时常认为这些颗粒形状一致，只考虑大小不同。常用筛分的方法测得粒度分布，再求其相应的平均特性参数,3.1.2 混合颗粒的特性参数,3.1.2.1 颗粒的筛分尺寸,对于工业上常见的中等大小的混合颗粒，一般采用一套标准筛进行测量，这种方法称为筛分。,标准筛：有不同的系列，其中泰勒（Tyler）标准筛是较为常用的标准筛之一，其筛孔的大小以每英寸长度筛网上所具有的筛孔数目表示，称为目。 筛号(目数)：每英寸边长的筛孔数目； 筛过量：通过筛孔的颗粒量； 筛余量：截留于筛面上的颗粒量。,颗粒的筛分尺寸:,3.1.2.2 颗粒群的平均特性参数, 平均比表面积：, 颗粒群的等比表面积当量直径：,3.2 沉 降,根据沉降作用力可分为：重力沉降、离心沉降 根据沉降粒子间相互影响程度可分为：自由沉降和干扰沉降,3.2.1 颗粒-流体间的阻力,(1)牛顿阻力定律,(2)阻力（曳力）系数: 与流体的流动阻力系数类似，阻力（曳力）系数与颗粒沉降雷诺数有关，即,注意：其中d为颗粒直径，u0为颗粒的沉降速度，、分别为流体的密度与粘度。,实验获得与Rep的关系：,通过实验得到曳力系数与雷诺数的关系绘成算图,将他们回归成关联式为：,过渡区（Allen区， 2 Re0 500）,湍流区（牛顿区， 500 Re0 200000 ）, Re0 200000后，骤然下降，在Re0 =(310)105范围内可近似取= 0.1。,层流区（Stokes区，Re0 2或0.3）,（Stokes定律）,3.2.2 重力沉降,（1）球形颗粒的自由沉降速度 以重力的方向为正方向,什么情况下颗粒在流体中会发生沉降过程？,直径为d、颗粒密度为s的球形颗粒在密度为流体中的重力和浮力分别为：,颗粒做匀速运动，沉降速度恒定不变，该速度称为自由沉降速度。达到恒定的沉降速度时，合力为：,过渡区（Allen区， 2 Re0 500）,湍流区（牛顿区， 500 Re0 200000 ）,（2）不同区域的沉降速度公式,（3）沉降速度的计算 公式法(试差法)： 将以上阻力系数关系式代入自由沉降速度的计算式中可得到计算沉降速度的公式。由于沉降速度未知,雷诺数无法计算，因此公式法也需要试差计算。 计算过程：,因次分析法： 通过实验整理数据得到：,Ar与沉降颗粒和流体的性质、分离要求有关，根据已知条件计算Ar ，然后由上式计算Re0 ，由Re0直接计算沉降速度u0 ，不需要试差和校核。,（4）分级沉降,含有两种直径不同或密度不同的混合物，可以用沉降的方法加以分离。 密度不同的a、b两种颗粒采用分级沉降法分离，若可用斯托克斯定律计算，则a、b两种颗粒达到相同沉降速度时：,通式：,（5）其它因素对沉降速度的影响 以上的沉降过程为在重力作用下球形颗粒的自由沉降： 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。,在实际情况中还需考虑以下因素的影响：,3.2.2.3 非球形颗粒的沉降； 3.2.2.4 干扰沉降。,例1：某烧碱厂拟采用重力沉降净化粗盐水，粗盐水密度1200 kg/m3 ，粘度为2.310-3 Pas，其中颗粒可看作球形，密度为2640 kg/m3。求直径为0.1mm的颗粒的沉降速度。,解法1：试差法 解法2：因次分析法-阿基米德数,3.2.3 重力沉降设备,3.2.3.1 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：,停留时间：,t与设备尺寸及处理量有关，与颗粒性质无关；,故颗粒在降尘室能沉降分离的具体条件是：,注意：当某直径的颗粒满足t0时，它能够被完全（100%）地分离；当某直径的颗粒满足t0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：,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。,(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Stoches定律适用时，颗粒在降尘室中作自由沉降，处理量为Q时能分离出的颗粒的最小直径dmin为：,(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)为避免干扰尘粒的沉降或防止气流湍动卷起已沉降的颗粒，降尘室中气速不宜过大，一般应控制在1.5-3m/s以下。,3.2.3.2 沉降槽:用于分离清液而留下稠厚沉渣的设备。,用于分离悬浮液，连续操作。其生产能力与降尘室一样与底面积有关，与沉降槽高度无关。 悬浮液中加入电解质、絮凝剂等添加剂有利于絮凝现象的发生，提高沉降速度；另外，提高悬浮液温度也可提高沉降速度。,图3-6 连续式沉降槽（增稠器）,3.2.4 离心沉降,当作用力等于阻力时，可得离心沉降速度ur,(1)离心沉降速度计算方法：同重力场，重力离心力,(2) 衡量离心分离性能的指标:离心分离因数,(3)离心沉降速度与重力沉降速度的比较 表达式：重力沉降速度公式中的重力加速度改为离心加速度 数值：重力沉降速度基本上为定值 离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，随颗粒在 离心力场中的位置而变。,3.2.5 离心沉降设备,3.2.5.1 旋风分离器 (1)结 构 : 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。,图3-8 旋风分离器尺寸及操作原理示意图,(2)工作原理 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后折向上，沿中心轴旋转着从顶部的中央排气管排出。,（3）旋风分离器的分离性能, 临界直径dc：能够分离出的最小颗粒直径。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，则临界直径越小，分离性能越好。, 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 :,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:,其中c为质量含量，g/m3；i表示直径为di的颗粒。,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, 旋风分离器的压力降（阻力损失） 通常压降用入口气体动能的倍数来表示：,阻力系数c与旋风分离器的结构和尺寸有关，对同一种结构形式、不同规格（尺寸）的旋风分离器为常数。,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。,旋风分离器结构简单，无运动部件，操作不受温度和压强的限制，价格低廉，性能稳定，可满足中等粉尘捕集的要求，在工业生产中广泛应用。 气量一定,进口气速越大, 旋风分离器直径越小,分离效 果越好。工业上将许多小直 径旋风分离器并联组成整体， 装在一个外壳内，称为旋风 分离器组，分离效果比大直 径的旋风分离器好。,3.2.5.2 离心沉降机 分离液-固非均相混合物 特点：转速可以根据需要调整,由设备本身的旋转产生离心 力，适用于分离困难的体系， 常用的离心沉降机：转鼓式离心机、蝶片式离心机等。,管式超速离心机,蝶片式离心机,3.3 过 滤,3.3.1 过滤过程的基本概念,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。我们把待过滤的悬浮液称为滤浆，而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼，通过过滤介质的液体称为滤液。,过滤的推动力有重力、压力和离心力，本节讨论应用最广的压力过滤。,工业过滤方式: 深层过滤、滤饼过滤,特点：固体颗粒的沉积发生在较厚的粒状过滤介质内部，过滤介质表面上无颗粒层形成 。,特点：固体颗粒呈饼层状沉积于过滤介质的上游一侧，形成滤饼层 。,适用：处理颗粒含量较高(1%)的悬浮液，是工业生产中的主要过滤方式。,适用：悬浮液中颗粒尺寸甚小而且含量甚微(0.1%)的场合。,3.3.2 影响过滤的因数,(1) 过滤介质 要求：具有多孔性，足够的机械强度。 丝织物品：棉、麻、合纤、金属网(滤布、滤纸)； 多孔性固体介质：多孔塑料； 堆积介质：砂、木炭、石棉粉等。,(3) 过滤推动力 克服流体流动阻力，提高过滤速度。 过滤推动力 : 重力、离心力、压力差。 生产上常用压差作推动力，压差有可调性。,（3）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。,注意：当滤饼是产品时不能使用助滤剂。,3.3.3 过滤过程的计算,3.3.3.1 过滤速度,单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积 。过滤是非定常操作，过滤时滤饼逐渐增厚，阻力随之增大，故瞬时过滤速度表示如下：,3.3.3.2 滤液通过滤渣层的流动,(一)几个概念 (1)过滤的压力差p； (2)恒压过滤和恒速过滤； (3)滤饼的压缩性。,(二)滤液通过滤饼层流动的简化,1. 滤饼层特性 （1）滤饼层空隙率,(2)颗粒的比表面积,(3)流道的平均长度l 若滤饼的厚度为L，则l=K0L，对颗粒床层的层流流动K0=5。,(4)滤饼层滤液通道的当量直径,2.简化计算,(1)滤液的真实流速u1 若u为按整个床层截面积计算的滤液平均流速，则：,(2)流动阻力可用哈根泊谡叶方程表示：,式中 l 滤饼孔道的平均长度，m； u1为滤饼孔道中滤液的流速， m/s； de 为孔道的当量直径，m。,(3)过滤速度u,3.3.3.3 过滤基本方程,压缩性指数,过滤截面积不变，则以整个截面积计算的滤液通过滤饼层和过滤介质的速度相等，即,（不可压缩滤饼）,（可压缩滤饼）,（3-36）,令q=V/A，qe=Ve/A,（3-36a）,3.3.3.3 过滤基本方程,3.3.3.4 恒压过滤计算式,恒压过滤时，对一定的悬浮液，p和K均为常数，式（3-36）积分，得,当过滤介质阻力与滤饼阻力相比较小可以忽略，则 Le= 0、Ve= 0、qe= 0时，有,实际生产过滤过程的进行： 若在过滤过程中保持过滤推动力恒定，那么在过滤初始阶段，滤饼还未形成时，过滤阻力小，过滤速率大，随着过滤的进行，滤饼厚度不断增大，过滤阻力增大，过滤速率下降；这种过滤方式为恒压过滤。 若要保证过滤过程的过滤速率恒定，那么在过滤过程中应不断提高过滤的推动力，这种操作方式为恒速过滤。 若过滤过程中压力和速率均无法恒定则为变压变速过滤。,在工业应用实际中采用哪种操作方式？恒压？恒速？先恒速后恒压？先恒压后恒速？,3.3.3.5 恒速过滤计算式,恒速过滤,过滤速度不变，即,3.3.4 过滤常数的测定,(2) 作图法：,(1),（3）压缩性指数s的测定,对可压缩的滤饼，测出不同压差下的K值，用作图法可求出s。,3.3.5 滤饼的洗涤,（1）洗涤目的：回收或除去滤饼里存留的滤液。,（2） 洗涤速率和洗涤时间 洗涤速率为单位时间的洗涤液用量。在洗涤过程中，滤饼厚度不再增加，故洗涤过程的阻力不变，洗涤速率为常数。,洗涤速率：,洗涤时间：,3.3.6 过滤设备,3.3.6.1 叶滤机,(1)结构：矩形或圆形的滤叶；由金属网组成的框架上覆以滤布构成；若干个平行排列的的滤叶组成一体，安装在密闭的机壳内即构成叶滤机。,(2)流程 操作过程包括装合、过滤、洗涤、卸渣、整理。 (3)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）。,3.3.6.2 板框过滤机,（1）结构：由许多块顺序排列的滤板与滤框交替排列组合而成的。滤板与滤框靠支耳架在一对横梁上，并用一端的压紧装置将它们压紧。,图3-16 板框压滤机 1-压紧装置；2-可动头；3-滤框； 4-滤板；5-固定头；6-滤液出口； 7-滤浆进口；8-滤布,（2）组成部件： 滤板和滤框多做成正方形，其构造如右图所示。 滤框的作用是：滤框的两侧覆以滤布，围成容纳滤浆及滤饼的空间； 滤板的作用有二：一是支撑滤布；二是提供滤液流出的通道，为此板面制出凸凹纹路，凸出部分起支撑滤布的作用，凹处形成的沟为滤液流道。,滤板与滤框的角上均开有小孔，滤布的角上也开有与滤板滤框相对应的孔，组合后即构成供滤浆和洗涤水流通的孔道。,（4）特点 间歇操作：每个操作循环由装合、过滤、洗涤、卸渣、 整理五个阶段组成。 优点：板框压滤机构造简单,过滤面积大而占地省,过滤 压力高,便于用耐腐蚀材料制造，操作灵活，过滤面积可根据 产生任务调节。 缺点:间歇操作，劳动强度大，产生效率低。 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）。,过滤机的生产能力:,生产能力可以用单位时间过滤得到的滤液或滤渣体积量来表示，没有特别说明情况下以滤液表示，即Q（m3滤液/h）。,3.3.6.3 转筒真空过滤机,依靠真空系统造成的转筒内外压差进行过滤。它的主体是能转动的圆筒，其表面有一层金属网，网上覆盖滤布。转筒沿圆周分隔成若干个互不相通的扇形格，每格都有单独