化工原理课件非均相物系分离全.ppt

第三章 非均相物系的分离,授课教师：庞煜霞,3.1 概述,3.1.1 混合物的分类,混合物,均相混合物 （均相物系）,非均相混合物 （非均相物系）,物系内部各处组成均匀且不存在相界面,物系内部有隔开两相的界面存在且界面两侧的物料性质截然不同,例如：溶液及混合气体,例如：含尘气体、悬浮液等,非均相物系,分散相（分散物质）：处于分散状态的物质, 如固体颗粒、液滴、气泡,连续相（分散介质）：包围着分散物质而处于连续状态的物质,3.1.2 非均相物系的分类,根据连续相的状态分： 液态非均相物系：固、液、气分散在液相中。 悬浮液、乳浊液、泡沫液 气态非均相物系：固、液分散在气相中。 含尘气体、含雾气体,3.1.3 非均相物系的分离目的,回收有用的分散相 净化连续相 环境保护的需要,3.1.4 非均相物系的分离方法,1、沉降：颗粒相对于流体运动。 重力沉降 离心沉降 2、过滤：流体相对于固体颗粒床层运动。 重力过滤 加压过滤 真空过滤 离心过滤,3.2.2 颗粒床的特性,由颗粒堆积而成的颗粒层称为颗粒床层。,1、床层的空隙率 单位体积床层所具有的空隙体积(m3/m3)。 空隙率通过实验测得 一般乱堆床层的空隙率大致在0.470.70之间,2、床层的比表面积,单位体积床层所具有的颗粒的表面积称为床层的比表面积。 ab=(1-)a,ab床层比表面积； a 颗粒的比表面积； 床层空隙率。,3.3 颗粒的沉降,3.3.1 重力沉降 3.3.2 重力沉降分离设备 3.3.3 离心沉降 3.3.4 离心沉降设备,3.3.1 重力沉降,1、球形颗粒的自由沉降与干扰沉降,自由沉降: 颗粒在流体中沉降时，不受其它颗粒或器壁的影响。 干扰沉降 以下讨论自由沉降过程。,2、球形颗粒的自由沉降速度,设直径为dp、密度为p的光滑球形颗粒在密度为，粘度为的静止流体中作自由沉降。颗粒受力：,重力 浮力 阻力,u则Fd,根据牛顿第二定律可知,上式称为重力沉降速度基本方程式。,3、沉降速度实用公式,因次分析,曳力系数与ReP的关系：(1) 圆球 (2) 圆盘 (3) 圆柱,ReP,(1),(2),(3),层流区（Stokes定律区，Re0 2）,过渡区（Allen定律区， 2 Re0 1000）,湍流区（Newton定律区， 1000 Re0 2105）,4、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 减对于液体 = f (T ) T 对于气体 = f (T ) T ,6、沉降速度的影响因素,颗粒的体积浓度,颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内；颗粒浓度较高时便发生干扰沉降,需要根据浓度进行修正。,器壁效应,颗粒形状的影响,当容器尺寸D远远大于颗粒尺寸dp时(100倍以上)，器壁效应可忽略，否则需加以考虑。,同一种固体物质，球形或近球形颗粒比同体积非球形颗粒的沉降快一些。实际计算时非球形颗粒的大小可用当量直径表示。,颗粒大小的影响,颗粒直径0.5um时，沉降受到流体分子布朗运动的影响。,3.3.2 重力沉降分离设备,1、降尘室,工作原理,气体入室 减速,颗粒的沉降运动 & 随气体运动，合速度：抛物线,沉降运动时间气体停留时间分离,所需沉降时间t=H/ut,在室内停留时间=L/u,分离满足的条件：,流道面积扩大,说明： （1）不同直径d的颗粒ut不同，相应的t不同。 d ，ut 容易除去。 （2）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。,（3）能(100%)被除去的最小颗粒直径,最低沉降速度能被分离的最小粒径,（4）最大处理量（生产能力）,VmaxutLb = utA0,Vmax为某一粒径能100%被去除的最大处理量，即沉降速度ut应按需要完全分离下来的最小颗粒计算；,Vmax与 (100%去除的) d, A0有关，而与H无关。,多层降尘室,清洁气流,含尘气流,挡板,隔板,降尘室一般用水平隔板做成多层，间距为40100mm。 多层降尘室生产能力(n层水平隔板)： VS(n+1)utLb,说明,气流速度u不应太高，以免干扰颗粒的沉降或把已经沉降下来的颗粒重新卷起。为此，应保证气体流动的雷诺准数处于滞流范围之内； 降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常仅适用于分离直径大于50m的颗粒，用于过程的预除尘。 多层降尘室虽能分离细小的颗粒，并节省地面，但出灰麻烦。,（1）一球形石英颗粒，在空气中按斯托克斯定律沉降，若空气温度由20升至50，则其沉降速度将 。,（2）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 。,课堂练习,（3）在滞流（层流）区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比；在湍流区，颗粒的沉降速度与颗粒直径的 次方成正比。,【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ut与69.1 m的颗粒的沉降速度ut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。,3.3.3 离心沉降,离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现沉降的过程。 离心沉降效率较重力沉降效率高。对于两相密度差较小或颗粒粒径较小的情况，应采用离心分离。,1、离心沉降速度,流体作圆周运动时，形成惯性离心力场。当颗粒在距中心r处旋转时，其切向速度uT，径向速度ur 。,惯性离心力场强度： uT2/r 轨迹： 逐渐扩大的螺旋线,颗粒在旋转流体中的运动,Fc,Fb,FD,dp，p的球形颗粒受力分析：,离心力,向心力,阻力,（方向向外）,（方向向内）,（方向向内）,当三个力达到平衡时： Fc- Fb- FD=0,2、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： 1）重力沉降速度基本上为定值 2）离心沉降速度为绝对速度在径向上的分量，数值随颗粒在离心力场中的位置而变。,3、离心分离因数,同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值。,3.3.4 离心沉降设备,气固 旋风分离器 液固 旋液分离器,旋风分离器 1、结 构 : 主体的上部为圆筒形,下部为圆锥形,中央有一升气管。矩形切线入口。,旋风分离器尺寸及操作原理示意图 （各部分尺寸按比例以D为基准）,2、工作原理,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,41,评价指标,总效率 粒级效率,分离效果 压强降,临界直径 分离效率,3、旋风分离器的性能,1）临界粒径 定义：理论上在旋风分离器中能被完全分离下来的最小颗粒。 计算公式的推导：,假设： （1）气流严格按螺旋形路线作等速运动，其切向速度等于进口气速ui； （2）颗粒向器壁沉降时，必须穿过厚度等于进气宽度B的气流层，方能达到器壁而被分离； （3）颗粒的流动类型为滞流。,Stokes公式可用，旋转半径取rm（平均旋转半径）,颗粒沉降速度,说明,D或B=D/4，则dC， 设备尺寸（直径、进气口宽度）不能太大，以维持较高的分离效率。,V或 ui，则dC， B一定时，提高气流量或提高进口气速，可提高分离效率，但进口阻力增加，同时湍流状况增大，易带起灰尘，所以一般不采用此法。当气体处理量大时，使用若干小尺寸旋风分离器并联使用。,对于标准旋风分离器，一般取,课堂练习,（1）沉降操作是指在某种 中利用分散相和连续相之间的 差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。沉降过程有 沉降和 沉降两种方式。,（2）旋风分离器性能的好坏，主要以 来衡量。 越小，说明分离性能越好。,3.4 过滤,3.4.1 过滤的基本概念 3.4.2 过滤基本方程式 3.4.3 过滤设备 3.4.4 过滤计算,1、过滤操作,3.4.1 过滤的基本概念,以某种多孔物质为介质，在外力的作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，固体颗粒被截留在介质上，从而实现固/液分离的操作。,过程推动力：重力；压力(差)；离心力,操作目的：获得固体或清净的液体,洗涤回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质,2、过滤方式 （1）滤饼过滤 ：固体沉积物在介质表面堆积、架桥而形成滤饼层。滤饼层是有效过滤层。,适用于：处理固体含量较高的混悬液。,（2）深层过滤：过滤介质是较厚的粒状介质的床层，过滤时悬浮液中的颗粒沉积在床层内部的孔道壁面上，而不形成滤饼。,适用于：生产量大而悬浮颗粒粒径小、含量微或是粘软的絮状物。,3、过滤介质,支撑滤饼或截留颗粒，使滤液通过。 要求： 1）多孔性，孔道大小合适（既对流体的阻力小，又能截住要分离的颗粒）； 2）具有足够的机械强度； 3）化学稳定性好（耐腐蚀、耐热、抗老化）； 4）价格便宜。,过滤介质种类： 织物介质 滤布(织物、网)，截留的粒径5m以上，工业应用广泛 多孔固体介质具有微细孔道的固体，截留粒径13m的微细粒子 堆积介质固体颗粒或纤维等堆积，适用于深层过滤 微孔膜由高分子材料制成的薄膜状多孔介质。适用于滤除0.0210m的混悬微粒。,4、滤饼的压缩性和助滤剂,（1）滤饼的压缩性,滤饼,不可压缩滤饼:,可压缩滤饼:,颗粒有一定的刚性，所形成的滤饼并不因所受的压力差而变形。,颗粒较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中的流动通道变小，阻力增大。,（2）助滤剂 助滤剂具有一定刚性的颗粒或纤维状的固体。 加入助滤剂可减少可压缩滤饼的流动阻力。,加入方法,预涂,用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤，在过滤介质上形成一层由助滤剂组成的滤饼。,将助滤剂混在滤浆中一起过滤,预混,1、颗粒床层的物理模型与基本参数,颗粒床层一组平行细管流体通道,细管内表面=床层颗粒的全部表面,细管的总体积=床层空隙体积,3.4.2 过滤基本方程式,合理简化,本质近似,基本参数,空隙率：床层的空隙体积/床层的总体积,比表面积a：颗粒表面积/颗粒体积,孔道(细管)平均长度 l ： 床层厚度L,孔道(细管)当量直径de：,2、过滤速度及其表达,1）定义,A滤饼层总截面积； 过滤时间； V滤液体积,滤液流速u1:,u1与u的关系,因此，过滤速度,恒压降速: l(L)，如pc不变，则u,恒速升压: l(L)，如u不变，则pc ,说明：,3）滤饼的阻力,对不可压缩滤饼，其形状、大小不变，故、a为常数，则,式中：R滤饼的阻力，1/m r滤饼的比阻，1/m2,推动力,阻力,过滤推动力：促成滤液流动的因素，即压强差pC 过滤阻力：rL=R 滤液本身的粘性： 滤饼阻力：R= rL,4）过滤介质的阻力,滤饼压降,过滤介质压降,相应的总阻力也等于两层阻力之和。 设想过滤介质相当于厚度为Le的一层滤饼,则过滤介质阻力为,总推动力,Le过滤介质的当量滤饼厚度,总阻力 RRmrLrLe,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,上式表明：可用滤液通过串联的滤饼与滤布的总压强降表示过滤推动力，用两层的阻力之和表示总阻力。,5）过滤基本方程式, V = AL,系数： 获取单位体积滤液所得滤饼体积,Ve当量滤液体积，与Le对应的滤液体积,若每获得 1m3 滤液形成的滤饼体积为 vm3， 则每获得 Vm3 滤液形成的滤饼体积为 vVm3,不可压缩滤饼:,其中滤饼的压缩指数s=01，对于不可压缩滤饼s=0,可压缩滤饼: r是压强差的函数， 可表示为,过滤基本方程式,3、恒压过滤方程式,、r、与时间无关,Ve、A、p常数,与过滤介质阻力相对应的虚拟滤液体积为Ve，假定需要过滤时间为e，此阶段实际获得滤液V=0，则上式简化为,积分限：时间0e，体积： 0Ve,（1）,在有效过滤阶段，Ve、e为常数，积分,积分限：时间ee，体积： VeVeV,（1）和（2）相加得,恒压过滤方程式，表明恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为一抛物线。,（2）,总结：恒压过滤方程式,K过滤常数，由物料特性和过滤压强差决定； qe、e介质常数，反映过滤介质阻力的大小,对于不可压缩滤饼,对于不可压缩滤饼进行恒速过滤时，其操作压强差随过滤时间成直线增高。因此，可采用先恒速后恒压的复合式操作。,原理一,过滤方程同除以Kq,/q q作图，直线斜率=1/K，截距=2qe/K,恒压过滤下连续测定，q,5、过滤常数的实验测定,（1）恒压下K、qe、 e的测定,对过滤方程进行微分,微分用增量代替,连续测定，q,算出一系列及对应q,/qq作图，,直线斜率=2/K，,截距=2qe/K,原理二,（2）压缩性指数s的测定,原理 两边取对数： 对一定物料k、s为常数，故此式表明lgK与lgp为直线关系，其斜率为(1-s)，截距为lg(2k)。 因此在不同压强差下进行恒压过滤，测得对应的K值，即可根据上式通过作图法或最小二乘法求出s。,（1）恒压过滤时，滤浆温度降低，则滤液粘度 ，过滤速率 。,（2）恒压过滤操作，一个周期中，过滤时间为，获滤液量为V，现将过滤压差增加一倍，其他条件不变，则过滤时间变为 。（设滤饼不可压缩且介质阻力不计）,课堂练习,（4）已知q为单位过滤面积所得滤液体积V/S，qe为Ve/S，Ve为过滤介质的当量滤液体积（滤液体积为Ve时所形成的滤饼层的阻力等于过滤介质的阻力），在恒定过滤时，测得 ，过滤常数K ，qe= 。,（3）在恒压过滤时，如过滤介质的阻力忽略不计，且面积恒定，则所得的滤液量与过滤时间的 次方成正比，而对一定的滤液量则需要的过滤时间与过滤面积的 次方成 比。,【例】用过滤面积为0.04m2的小型板框压滤机恒压过滤含固体10%（质量）的滤浆，滤饼不可压缩，滤饼含水量20%。过滤时间分别为0，38.2s，114.4s时的滤液量分别为0，0.004m3，0.008m3。若在相同条件下处理滤浆10 t/h。需要多大的过滤面积？滤液密度为1000kg/m3。,解：,将已知条件代入得,解得,10吨悬浮液中含液体：,101000（1-0.1）/1000=9 m3,9m3的液体有一部分滞留在滤饼中，设滞留在滤饼中的液体x吨,计算得 x=0.25 t=0.25m3 因此，滤液量V为 V=9-0.25=8.75m3,将恒压过滤方程,变形为,操作方式,压滤机 吸滤机 离心过滤机,间歇过滤机 连续过滤机,压强差,3.4.3 过滤设备,常用：板框过滤机、转筒真空过滤机,1、板框过滤机 最普遍使用的一种过滤机 由许多块滤板与滤框交替排列组合而成。,主要工作部件:,滤板（过滤板1和洗涤板3） 滤框2,组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1,滤布框的两侧,过滤： 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) 或从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流) 洗涤： 洗涤液由总管入板滤布滤饼滤布非洗涤板排出,工作原理：,过滤阶段,横穿洗涤：,洗涤面= (1/2)过滤面积 洗水路径=2倍过滤终了时过滤路径,说明:,间歇操作过滤、洗涤、卸渣、整理、装合,主要优缺点: 结构简单、过滤面积较大、滤饼的含水量少、操作压强高、适应能力强。 效率较低，劳动强度大。,代号 例：BMS20/635-25 B：板框压滤机 M：明流 S：手动压紧 20：过滤面积， 635：框内边长，mm 25：框厚，mm,洗涤液行程与滤液相同。 洗涤面积=过滤面积,置换洗涤：,2、加压叶滤机,叶滤机的优缺点,优点： 1、过滤推动力大； 2、单位地面所容过滤面积大； 3、滤饼洗涤充分； 4、劳动强度较低，操作环境较好（密闭空间）。 缺点：构造复杂，造价较高。 适用场合：固体含量少, 需要产品主要是液体。,3、转筒真空过滤机,结构与工作原理,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,工作过程, 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,优点： 能连续自动操作，节省人力，生产能力大，适用于处理大而容易过滤的料浆。 缺点： 附属设备较多，投资费用高，过滤面积不大。过滤推动力有限，不能过滤高温的悬浮液，洗涤不充分。,3.4.4 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,总时间,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(以小时计)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,洗涤速率：单位时间内通过滤饼层的洗涤液体积。 影响洗涤速率的因素可根据过滤基本方程式来分析。,m3滤液/h,m3滤饼/h,(1) 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,假定：洗涤液与滤液相同；洗涤p与过滤时相同,(2)板框压滤机的洗涤速度和洗涤时间横穿洗涤,洗涤时间,2、连续过滤机的计算,1）操作周期与过滤时间,转筒过滤机，每分n周,，则C=60/n,每圈用时,转筒表面浸入分数：,一个周期中任何部分表面经历过滤时间,【例】用26个框的BMS20/635-25板框压滤机过滤每升水含25克颗粒的悬浮液, 过滤压力为3.39105Pa时，测得过滤常数K=1.67810-4m2/s, qe=0.0217m3/m2。洗涤时，水温、压力与过滤时相同，其体积为滤液体积的8。辅助操作时间为15min。已知固体密度为2930kg/m3，湿滤饼密度为1930kg/m3。求板框压滤机的生产能力。,解： 过滤面积A=(0.635)2226=21m2 滤框总容积=(0.635)20.02526 =0.262m3,悬浮液中每升水含25克颗粒,滤饼中各量关系,解上述两个方程式得,代入恒压过滤方程式,过滤时间,对于板框压滤机,洗涤时间,生产能力,【例】有一转筒过滤机，转速为2分钟转一周，生产能力为4m3/h，现将生产能力增大到5m3/h，试问转速应增大到多少？滤饼厚度为原来的多少倍？,解：生产能力与转速之间的关系为,滤饼厚l与滤饼体积的关系,第三章 小结,要求： 1、理解均相混合物与非均相混合物的基本概念 2、理解重力沉降与离心沉降的概念以及适用的范围 3、掌握沉降速度（特别是层流区）的计算 4、掌握降尘室内颗粒分离出来的条件 5、理解过滤操作的基本原理、基本方程式 6、掌握恒压过滤基本方程式及应用 7、掌握过滤常数的测定 8、掌握过滤设备的工作原理及计算,知识结构图,非均相分离,颗粒沉降,过滤,重力沉降,离心沉降,基本理论,设备及过滤计算,过滤速率基本方程式,恒压过滤方程式,恒速过滤方程式,间歇过滤机的计算,连续过滤机的计算,重力沉降速度,强化重力沉降方法,能去除的最小颗粒直径,生产能力,重力沉降速度u0,层流区(Stokes区),强化重力沉降的方法,（1）增加颗粒的直径，加凝聚剂、助附着剂 （2）减小流体的密度、粘度 减对于液体 T 对于气体 T ,能(100%)被除去的最小颗粒直径,最大处理量（生产能力）,过滤基本方程式,不可压缩滤饼,可压缩滤饼,恒压过滤方程式,恒速过滤方程式,间歇过滤机的计算,生产能力,叶滤机的洗涤速率和洗涤时间,板框压滤机的