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第四章非均相物系的分离 化工原理 1 本章学习指导 本章学习目的通过本章的学习 要重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理 典型设备的结构与特性 本章应掌握的内容a沉降分离 包括重力沉降和离心沉降 的原理 降尘室的简单计算 b过滤操作的原理 过滤基本参数 过滤基本方程式 2 4 1概述 化工单元操作中有相当大的一部分 其作用是将混合物加以分离 这都要采用适当的分离方法与设备 并消耗一定的物料或能量 为了实现上述分离目的 必须根据混合物性质的不同而采用不同的方法 3 一 混合物的分类两大类 均相混合物及非均相混合物1 均相混合物 1 概念 又称均相物系 是指物系内部各处的性质均匀一致且不存在相界面者 即整个物系只有一个相 溶液及混合气体都是均相混合物 2 特点 只有一个相 不同的物质之间并没有相界面隔开 体系内各处的性质一样 4 2 非均相混合物 1 概念 又称非均相物系 是指物系内部有一个以上的相存在 且物系内部有隔开不同相的界面存在 而界面两侧的物料性质截然不同者 2 特点 非均相物系中存在相界面 且界面两侧物料的性质不同 包括 气固系统 如空气中含有尘埃 含尘气体 液固系统 如液体中含有固体颗粒 悬浮液 气液系统 如气体中含有液滴 含雾气体 液液系统 如乳浊液等 5 1 分散相 又称分散物质 是指在非均相物系里 处于分散状态的物质 如悬浮液中的固态颗粒 乳浊液中的微小液滴 泡沫液中的气泡等都为分散相 2 连续相 是指在非均相物系里 包围着分散相而处于连续状态的流体 如气态非均相物系里的气体 液态非均相物系里的液体都是连续相 本章只讨论非均相物系的分离方法 6 根据相态和分散物质尺寸的大小 非均相混合物的分离方法如下表所示 7 二 非均相物系分离的依据非均相物系中的连续相与分散相具有不同的物理性质 不同的密度 据此可用机械分离的方法将它们分开 非均相物系的分离操作仍遵循流体力学的基本原理和规律 按两相运动方式的不同 机械分离大致分为沉降和过滤两种方法 8 三 非均相物系分离的目的主要有三个的目的 1 回收有用物质 主要回收物系中的分散相 如颗粒催化剂的回收 从催化反应器出来的气体中 往往夹带着催化剂颗粒 必须将这些有价值的颗粒加以回收 循环使用 2 净化气体 如净化原料气 某些催化反应的原料气中含有灰尘杂质 会影响催化剂的效能 降低催化剂的活性或使催化剂中毒 为此 在气体进入反应器之前必须除净灰尘 以保证催化剂的活性 9 比如硫酸的生产过程中 原料气 炉气 中含有大量灰尘 在SO2的催化氧化工序之前 必须把大量灰尘除去 否则除降低催化剂的活性外 还会增加系统的阻力 增加能耗 3 保护环境 为了保护环境 必须清除掉工业排出的各种废气 废液中的有害物质 而各种废气 废液中大多为非均相物系 所以非均相物系的分离在环境保护方面也具有重要作用 10 4 2重力沉降 gravitysettling 沉降操作是依靠某种力的作用 利用分散相与连续相间的密度差异 使之发生相对运动而实现分离的单元操作 实现沉降的作用力可以是重力 也可以是惯性离心力 因此沉降过程就有重力沉降和离心沉降之分 11 4 2 1重力沉降速度 一 重力沉降1 概念重力沉降 在重力场中 借连续相与分散相之间密度的差异 使两相得以分离的过程 称为重力沉降 即借地球引力场的作用而实现的沉降就是重力沉降 12 2 分类重力沉降分为自由沉降和干扰沉降 自由沉降 非均相物系中的固体颗粒 在沉降过程中 不因流体中其它颗粒的存在而受到干扰的沉降 干扰沉降 非均相物系中的固体颗粒 在沉降过程中 因颗粒之间的相互影响 而使颗粒不能正常沉降 这种沉降称为干扰沉降 干扰沉降多发生在液态非均相物系的沉降操作中 13 二 球形颗粒的自由沉降1 沉降速度下面讨论一个表面光滑的刚性球形颗粒在静止流体中的自由沉降过程 若颗粒的密度 s大于流体的密度 则颗粒将在流体中降落 即颗粒由于重力的作用 与流体间发生了相对运动 如下图所示 14 颗粒在沉降过程中 受到三个力的作用 重力 浮力及阻力 此三力的合力便是促使颗粒降落的净力 颗粒在此净力的作用下 产生一定的加速度 若颗粒的质量为m 向下沉降的加速度为a 则 净力 重力 浮力 阻力 ma 动画 15 对于一定的颗粒及一定的流体 重力与浮力是一定的 若设颗粒的直径为d 则 而阻力却随颗粒与流体间的相对运动速度而变化 若颗粒相对于流体的运动速度 即颗粒的降落速度为u 则可仿照管内流体流动阻力的计算公式写出如下关系式 16 式中 A 颗粒在垂直于其运动方向的平面上的投影面积 沉降开始阶段 颗粒在合力的作用下作加速运动 由于速度u不断增加 则阻力也不断增加 则合力越来越小 当u达到某一数值ut时 三力的合力为零 此时加速度为零 颗粒这时开始作等速运动 其速度ut不再变化 17 所以静止流体中颗粒的降落运动过程分为两个阶段 第一阶段为加速运动 第二阶段为等速运动 18 颗粒的特点是单位体积的表面积 比表面积 与其成整块物体时的表面积相比要大的多 使得颗粒与流体间的接触表面积很大 那么在运动中 与流体介质相摩擦而产生的阻力也相对大的多 因此 阻力很快便能达到与作用力 重力减浮力 相等 所以加速运动阶段很短 在整个运动过程中往往可以忽略 19 沉降速度的计算通式 整个沉降过程就可以视为在恒定的速度 ut 下进行 这一速度称为沉降速度 由于这一速度是加速阶段终了时颗粒相对于流体的速度 故又称为终端速度 用ut表示 20 2 阻力系数阻力系数反映颗粒运动时流体对颗粒的曳力 所以又称曳力系数 通过量纲分析可推导出 阻力系数是流体与颗粒相对运动时雷诺准数的函数 即 f Ret 式中 d 颗粒的直径 流体的密度及粘度 ut 颗粒的沉降速度 21 与Ret的具体关系式也很难得到 将大量的实验结果综合起来 得到了球形颗粒自由沉降过程中 与Ret的关系曲线 如下图所示 P147图3 2 22 23 2 过渡区 Allen区 1 Ret 103 3 湍流区 Newton区 103 Ret 2 105 0 44 1 滞流区 Stokes区 10 4 Ret 1 由图可看出 这条曲线大致可分为三个区 24 1 滞流区 Stokes区 10 4 Ret 1 2 过渡区 Allen区 1 Ret 103 3 湍流区 Newton区 103 Ret 2 105 各区沉降速度的计算公式 25 上述三个公式适用于多种情况下颗粒与流体在重力方向上的相对运动 静止流体中的运动颗粒 运动流体中的静止颗粒 s 的沉降运动 s 的浮升运动 颗粒与流体逆向运动 颗粒与流体同向但速度不同的运动 但是不适用于非常细微的颗粒 d 0 5 m 因为此时流体分子的热运动使得颗粒发生布朗运动 26 三 非球形颗粒的自由沉降颗粒在沉降过程中所受到的阻力与颗粒的几何形状密切相关 非球形颗粒与球形颗粒的差异程度 可用球形度 形状系数 s来表征 球形度越小 颗粒的形状与圆球的差异越大 s 1时 则为圆球形 27 对于非球形颗粒 Ret中的颗粒直径d应用当量直径de来代替 即 de 是指与一个任意形状的颗粒体积 Vp 相等的球形颗粒的直径 称为体积当量直径 即 当量直径 28 从图3 2可以看出 颗粒的球形度越小 对应于同一Ret值的阻力系数 就越大 但球形度的值对阻力系数 的影响在滞流区内并不显著 Ret值越大 这种影响越显著 29 四 沉降速度的计算只讨论球形颗粒沉降速度的计算 在一定的流体介质中 球形颗粒的沉降速度有三种计算方法 30 1 试差法 1 先假设流动型态 滞流 过渡流或湍流 然后选用相应的公式 计算沉降速度ut 2 用计算出的ut计算雷诺准数Ret 按照算出的Ret的值 看是否在所假设的流型范围内 3 若是 则原假设正确 求得的沉降速度ut也是正确的 4 若不是 需要重新假设 按照算出的Ret的值假设流型 并改用相应的公式计算ut 直到计算结果与假设相一致为止 31 2 摩擦数群法 根据沉降速度ut的计算通式及雷诺准数的公式 可推得 P147推导 这是一个无量纲的数群 称为摩擦数群 数群中不包含待求的量ut 由于阻力系数 本身是雷诺准数Ret的函数 所以摩擦数群 Ret2也是雷诺准数Ret的函数 以摩擦数群 Ret2对雷诺准数Ret在双对数坐标上作图 则可得下图所示的曲线 32 P150图3 3 33 34 用上图求ut的步骤 1 将已知各物理量的值代入摩擦数群 Ret2公式算出 Ret2的值 2 在上图查出相应的雷诺准数Ret值 3 根据雷诺准数Ret的值及其定义式反算出沉降速度ut 35 如果要计算以某一沉降速度ut沉降的颗粒的直径 也可采用类似的方法解决而不必先知道雷诺准数Ret的值 令 与Ret 1相乘 得 Ret 1也是雷诺准数Ret的函数 Ret 1 Ret的关系曲线也在上图中绘出 这样就可以根据沉降速度ut计算颗粒的直径 36 3 无量纲数群K法 只限于球形颗粒 令 则得 37 1 滞流区 在滞流区 Ret 1 当Ret 1时 K 2 62滞流区范围 K 2 62 38 2 湍流区 同理推得 将湍流区下限Ret 103代入上式 得K 69 1湍流区范围 K 69 1 3 过渡区 K值介于上述二者之间 即 过渡区范围 2 62 K 69 1 39 所以 对于球形颗粒 可先计算无量纲数群K的值 然后可以判断流型 从而选用相应的沉降速度计算公式计算ut 而避免了试差法 也避免了查图带来的读数误差 40 例4 1 P151例3 1 试计算直径为95 m 密度为3000kg m3固体颗粒分别在20 C的空气和水中的自由沉降速度 解 d 95 10 6m s 3000kg m3 1 在20 C的空气中20 C的空气的物性数据 1 205kg m3 1 81 10 5Pa s 41 2 62 K 69 1 为过渡区 42 2 20 C的水中20 C的水的物性数据 998 2kg m3 1 005 10 3Pa s K 2 62为滞流 43 或者 从上面的计算可以看出 同一颗粒在不同介质中沉降时 具有不同的沉降速度 且属于不同的流型 所以 沉降速度由颗粒的特性及流体特性综合因素决定 44 4 2 2重力沉降设备 一 降尘室借重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室 45 动画 46 47 含尘气体中 因颗粒的密度 s大于气体的密度 所以颗粒在重力作用下被分离 如上图所示 含尘气体进入降尘室后 因流通截面积扩大而速度放慢 只要在气体通过降尘室的时间内 颗粒能够降至室底 颗粒便可以从气流中分离出来 48 假设 L 降尘室的长度 m H 降尘室的高度 m b 降尘室的宽度 m u 气体在降尘室内的水平通过速度 m s Vs 降尘室的生产能力 即操作条件下 含尘气体通过降尘室的体积流量 m3 s 49 位于降尘室最高点的颗粒降至室底所需要的时间 气体在降尘室内的停留时间 当气体在降尘室内的停留时间等于或大于沉降时间时 即 t时 颗粒便可从气流中分离出来 50 由此可见 理论上降尘室的生产能力只与其沉降面积 Lb 及颗粒的沉降速度有关 而与降尘室的高度无关 降尘室可以做成多层 即在降尘室内均匀设置多层水平隔板 构成多层降尘室 参考书P153图3 5 动画对于多层降尘室 Vs n 1 bLut n H hn 隔板数 h 板间距 mP153例3 2 51 52 二 沉降槽借重力沉降分离悬浮液的设备称为沉降槽 悬浮液中的颗粒沉降过程多属于干扰沉降 P154自学 53 三 重力沉降应注意的问题1 自由沉降与自由落体自由沉降是指颗粒在沉降过程中不受流体中其它颗粒的干扰而进行的沉降 但由于颗粒很小 所以不能忽略流体对颗粒产生的阻力 而自由落体是指密度较大体积也较大的物体的沉降 流体对物体产生的阻力与其本身的重力相比要小的多 所以自由落体不考虑流体对物体产生的阻力 54 2 沉降速度ut是当颗粒在流体中沉降所受到的重力与浮力及阻力的合力为零时 颗粒作匀速沉降运动时的速度 其值与流体及颗粒的密度 颗粒的直径及流动型态等因素有关 沉降速度是一个综合特性 3 用降尘室分离气固相物系时 气体在降尘室内的速度不应过高 一般应保证气体流动的雷诺准数值处于滞流区内 以免干扰颗粒的沉降或把下沉下来的颗粒重新扬起 55 总之 重力沉降 降尘室结构简单 阻力小 但体积庞大 占地面积大 分离效率低 所以只适应于分离颗粒粒度大于50 m的颗粒 一般作为预除尘使用 而多层降尘室虽然能分离较细小地颗粒 而且占地面积省 但是清灰比较麻烦 56 4 3离心沉降 离心沉降 依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程称为离心沉降 4 3 1离心沉降速度一 离心沉降速度颗粒作圆周运动时 使其方向不断改变的力称为向心力Fc 颗粒的惯性却使它脱离圆周轨道而沿切线方向飞出 这种惯性力就是离心力F 离心力的作用方向是沿旋转半径从圆心指向外周 57 对于一定质量为m的物体 其所受离心力的大小随所在位置及转速而变化 在距转轴的距离为R 切向速度为uT的位置上 离心力F 其中 称为离心加速度 又称惯性离心力场强度 58 显然 ar不是常数 随位置及切向速度而变化 其方向是沿旋转半径从圆心指向外周 而重力场强度即重力加速度g是不变的 其方向指向地心 当带有颗粒的流体旋转时 若颗粒的密度 s大于流体的密度 则由于离心力的作用使颗粒穿过运动中的流体而飞出 亦即颗粒由于离心力的作用 在径向上与流体产生了相对运动而远离旋转中心 59 在运动过程中 颗粒受到三个力的作用 惯性离心力F 向心力Fc 与重力场中的浮力相当 及阻力Fd 与颗粒径向运动方向相反 其方向沿半径指向旋转中心 当三力达到平衡时 颗粒在径向上相对于流体的速度即为颗粒在此位置上的离心沉降速度 用ur表示 推导157 离心沉降速度计算通式 60 若颗粒与流体的相对运动属于滞流区 则 滞流时离心沉降速度计算式 61 二 分离因数重力沉降速度 离心沉降速度 62 在滞流区时 Kc是颗粒所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比 称为离心分离因数 Kc是离心分离设备的重要指标 表示在相同条件下 离心沉降速度比重力沉降速度高出多少倍 一般在5 2500之间 63 4 3 2离心沉降设备 一 旋风分离器旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出所含尘粒的设备 旋风分离器在工业上应用已有近百年的历史 具有结构简单 造价低廉 操作方便 分离效率高等特点 目前仍是工业上常用的分离和除尘设备 64 1 基本结构 见右图 它是一种最简单的旋风分离器 主要由进气管 上圆筒 下部的圆锥筒 中央升气管组成 65 66 2 操作原理 含尘气体从进气管沿切向进入 受圆筒壁的约束旋转 做向下的螺旋运动 气体中的粉尘随气体旋转向下 同时在离心力的作用下向器壁移动 沿器壁落下 沿锥底排入灰斗 气体旋转向下到达圆锥底部附近时 转入中央升气管而旋转向上 最后从顶部排出 通常 将下行的螺旋形气流称为外旋流 上行的螺旋形气流称为内旋流 内 外旋流的旋转方向相同 外旋流的上部是主要除尘区 动画 67 二 旋液分离器旋液分离器用于从液体中分离出固体颗粒 其结构和操作原理与旋风分离器类似 P166图3 13 68 4 4过滤 过滤是分离悬浮液最普遍 最有效的单元操作之一 通过过滤操作可获得清净的液体或固相产品 与沉降分离相比 过滤操作可使悬浮液的分离更迅速更彻底 有时过滤是沉降的后继操作 过滤也属于机械分离操作 69 4 4 1过滤操作的基本概念 一 过滤概念过滤是指在外力作用下 利用可以让液体通过而不能让固体通过的多孔介质 将悬浮液中的固体颗粒分离出来的单元操作 1 滤浆 所处理的原始悬浮液称为滤浆或料浆 2 滤液 通过多孔介质的液体 3 滤饼 被截留在多孔介质上的固体物质 70 4 过滤介质 所用的可以让液体通过而不能让固体通过的多孔介质 过滤过程中所选用的过滤介质应依不同的情况有所不同 但对其基本的要求是具有适宜的孔径 过滤阻力小 同时因过滤介质是滤饼的支承物 应具有足够的机械强度和耐腐蚀性 工业上常用的过滤介质是棉麻或合成纤维的丝织物或金属丝织成的金属网 常称为滤布 71 动画 过滤操作 72 二 过滤目的 从悬浮液中分离出固体颗粒 从而获得清净的液体或固相产品 三 过滤原理 在外力的作用下 悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道 而固体颗粒被截留下来 从而实现固 液分离 四 过滤推动力为克服流体在过滤过程中通过过滤介质和滤饼层的阻力 必须施加外力 可以是重力 离心力或压强差 称为过滤推动力 由于流体所受的重力较小 所以一般重力过滤用于过滤阻力较小的场合 化工生产上常用压差作推动力 压差有可调性 73 五 过滤方式工业上的过滤方式基本上有两种 滤饼过滤和深层过滤 1 滤饼过滤 又称饼层过滤 颗粒的尺寸大多都比过滤介质的孔道的直径大 固体物质积聚于介质表面 形成滤饼层 滤液穿过滤饼层中的空隙流动 所以又称表面过滤 动画 74 过滤开始时 尺寸比介质直径小的颗粒会进入介质孔道之内 随液体进入滤液 使滤液浑浊 但是颗粒会在孔道内迅速地发生 架桥 现象 使小于孔道直径的细小颗粒也能被拦截 75 架桥 现象如图 76 只有当滤饼形成后 滤液才会变清 然后过滤才能有效地形成 在滤饼过滤中 真正发挥截拦颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质 滤饼过滤适用于处理固体颗粒物含量比较大的悬浮液 固相体积 1 化工生产中的过滤多属于这一种 77 2 深层过滤 又称深床过滤 颗粒的尺寸比介质的孔道的直径小的多 但介质的孔道弯曲细长 颗粒进入到介质的孔道后很容易被截住 更由于流体流过时所引起的挤压与冲撞作用 颗粒紧附在孔道的壁面上 下图 固体颗粒不形成滤饼 过滤在介质内部进行 这种过滤称为深层过滤 78 深层过滤适用于生产能力大 而悬浮液中颗粒小 含量低 固相含量 0 1 的悬浮液 如自来水厂饮水的净化及合成纤维纺丝液中除去极细的固体物质等均属于这种过滤 深层过滤 79 六 滤饼滤饼是由滤浆中被截留下来的固体颗粒形成的固定床层 随着过滤操作的进行 滤饼的厚度会逐渐增厚 过滤阻力也会随之增大 分为可压缩性滤饼与不可压缩性滤饼 1 可压缩性滤饼 当滤饼两侧的压差增大时 颗粒的形状和颗粒间的空隙都有明显的变化 单位厚度滤饼的流体阻力随压差的加大而增大 这种滤饼称为可压缩性滤饼 80 2 不可压缩性滤饼 当滤饼两侧的压差增大时 颗粒的形状和颗粒间的空隙不发生明显的变化 单位厚度滤饼的流体阻力可视作恒定的 这种滤饼称为不可压缩性滤饼 81 七 助滤剂目的 防止过滤介质孔道堵塞 或降低可压缩性滤饼的过滤阻力 助滤剂是一种坚硬的粉状或纤维状的固体 能形成疏松结构 要求 作助滤剂的物质应能较好地悬浮于料液中 且颗粒大小合适 助滤剂中还不应含有可溶于滤液的物质 以免污染滤液 常用于作助滤剂的物质有硅藻土 珍珠岩粉 碳粉和石棉粉等 注意 当滤饼是产品时不能使用助滤剂 82 4 4 2恒压过滤计算 一 恒压过滤方程式1 恒压过滤 过滤操作是在恒定的压强差下进行 恒压过滤是最常见的过滤方式 连续过滤机上进行的过滤都是恒压过滤 间歇过滤机上进行的过滤也多数为恒压过滤 恒压过滤时 滤饼不断变