非均相混合物的分离

1、第三章 非均相混合物的分离自然界的大多数物质是混合物。若物系内部各处均匀且不存在相界面，则称为均相混合物或均相物系，溶液及混合气体都是均相混合物。由具有不同物理性质(如密度差别)的分散物质和连续介质所组成的物系称为非均相混合物或非均相物系。在非均相物系中，处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散物质或分散相；包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。根据连续相的状态，非均相物系分为两种类型:    (1)气态非均相物系，如含尘气体、含雾气体等；    (2)液态非均相物系，如悬浮液、乳浊液及泡沫液

2、等。非均相混合物分离的目的: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非均相混合物的分离方法主要有以下几种：依据连续相和分散相的密度差异，在重力场或离心场中进行分离（气固、液固或液液系统的重力沉降、离心沉降、惯性分离依据两相对固体多孔介质透过性的差异，在重力、压强或离心力的作用下，流体通过介质而分散的固体颗粒受到阻挡被分离出来依据两相电性质的差异，在电场力的作用下进行分离第一节沉降在外力作用下，使密度不同的两相发生相对运动而实现分离的操作称为沉降。根据外力的不同，沉降分为重力沉降和离心沉降。一、重力沉降重力沉降是分散相颗粒在重力作用下，与周围流体发生相对运动，并实现分离的过程。颗粒的重

3、力沉降速度是指颗粒相对于周围流体的沉降运动速度。影响重力沉降速度的因素很多，有颗粒的形状、大小、密度，流体的种类、密度、粘度等。（一）球形颗粒的自由沉降将表面光滑的刚性球形颗粒置于静止的流体介质中，如果颗粒的密度大于流体的密度，则颗粒将在流体中降落。此时，颗粒受到三个力的作用，即重力、浮力和阻力。令颗粒的密度为，直径为，流体的密度为，则重力 浮力 阻力 ,式中阻力系数，无因次；颗粒在某瞬间受到的合力为匀速运动时，可得此式为自由沉降速度计算式（二）阻力系数通过因次分析可知，是颗粒与流体相对运动时雷诺准数Ret的函数，即，式中-流体的粘度，Pa.s由实验测得的综合结果示于图3-1中。由图看出，球形

4、颗粒的曲线(1)按Ret值大致分为三个区，各区内的曲线可分别用相应的关系式表达。(1)层流区或斯托克斯(Stokes)定律区()            (2)过渡区()(3)湍流区() （三）沉降速度的计算各沉降区域的沉降速度计算如下：（1） 层流区，此式为斯托克斯公式（2） 过渡区（3） 湍流区（四）实际重力沉降速度（1） 颗粒形状当量直径的计算，采用等体积当量直径，即颗粒的体积与直径为的球形颗粒体积相同，则有：（2） 干扰沉降（3） 绝对速度二、离心沉降利用离心力的作用使固体颗粒迅

5、速沉降实现分离的操作，称为离心沉降。（1）离心加速度（2）离心沉降速度（3）离心分离因数称为离心分离因数，它是反映离心沉降设备工作性能的主要参数。(4)颗粒运动的绝对速度三、沉降分离设备（一）对沉降分离设备的要求（1）基本要求(2) 分离性能指标（二）重力沉降设备（1）降尘室为便于计算，将降沉室简化为高H、长L、宽B的长方体，气体停留时间为：，- 气体在降尘室内的平均流速颗粒沉降时间为应满足：，含尘气体的体积流量应满足：若规定待分离颗粒的临界直径，其自由沉降速度为，即规定了含尘气体的最大处理量，得降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，通常只适用于分离粒度大于50m的粗颗

6、粒，一般作为预除尘使用。多层降尘室虽能分离较细的颗粒且节省地面，但清灰比较麻烦。（三）离心分离设备（1）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尘粒的设备。图37所示是具有代表性的结构型式，称为标准旋风分离器。主体的上部为圆筒形，下部为圆锥形。各部件的尺寸比例均标注于图中。含尘气体由圆筒上部的进气管切向进入，受器壁的约束向下作螺旋运动。在惯性离心力作用下，颗粒被抛向器壁而与气流分离，再沿壁面落至锥底的排灰口。净化后的气体在中心轴附近由下而上作螺旋运动，最后由顶部排气管排出。图3-5  标准旋风分离器 旋风分离器的性能临界粒径一般而言，旋风分离器的离心分离因素

7、约为，一般可分离气体中直径的粒子。压降旋风分离器压降的大小是决定分离过程能耗和合理选择见机的依据。旋风分离器的压降包含气流进入旋风分离器时，由于突然扩大引起的损失；与器壁摩擦的损失；气流旋转导致的动能损失；在排气管中的摩擦和旋转运动的损失等。旋风分离器压降可由下式计算：式中的为比例系数，亦即阻力系数。对于同一结构型式及尺寸比例的旋风分离器，为常数，不因尺寸大小而变。图35所示的标准旋风分离器，其阻力系数=8.0。旋风分离器的压强降一般为5002000Pa。影响旋风分离器性能的因素多而复杂，物系情况及操作条件是其中的重要方面。一般说来，颗粒密度大、粒径大、进口气速高及粉尘浓度高等情况均有利于分离

8、。譬如，含尘浓度高则有利于颗粒的聚结，可以提高效率，而且颗粒浓度增大可以抑制气体涡流，从而使阻力下降，所以较高的含尘浓度对压强降与效率两个方面都是有利的。但有些因素则对这两个方面有相互矛盾的影响，譬如进口气速稍高有利于分离，但过高则导致涡流加剧，反而不利于分离，徒然增大压强降。因此，旋风分离器的进口气速保持在1025ms范围内为宜。第二节  过    滤一、概述(一)滤饼过滤与深层过滤过滤是以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。过滤操作采用的多孔物质称为过滤介质，所处理的悬

9、浮液称为滤浆或料浆，通过多孔通道的液体称为滤液，被截留的固体物质称为滤饼或滤渣。(二)过滤介质过滤操作中使流体（液体或气体）透过而截留固体的可渗透材料称为过滤介质。过滤介质是滤饼的支承物，它应具有足够的机械强度和尽可能小的流动阻力，同时，还应具有相应的耐腐蚀性和耐热性。工业上常用的过滤介质主要有下面三类。1)织物介质(又称滤布)  包括由棉、毛、丝、麻等天然纤维及合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。这类介质能截留颗粒的最小直径为565mm。织物介质在工业上应用最为广泛。2)堆积介质  此类介质由各种固体颗粒(细砂、木炭、石棉、硅藻土)或非编织纤维等堆积而成，

10、多用于深床过滤中。    3)多孔固体介质  这类介质是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料及多孔金属制成的管或板，能截拦13m的微细颗粒。（三）过滤推动力实现过滤操作的外力可以是重力、压强差或惯性离心力。在化工中应用最多的还是以压强差为推动力的过滤。在压强差作用下的压差过滤，应用最广，分为加压过滤和真空过滤，操作压强可按情况调节。随着过滤的进行，被过滤介质截留的固体颗粒越来越多，液体的流动阻力逐渐增加。若维持操作压强差不变，过滤速度将逐渐下降，这种操作称为恒压过滤。逐渐加大压强差以维持过滤速度不变的操作称为恒速过滤。（四）过滤基本参数 处理

11、量。可采用悬浮液体积、滤液体积或滤饼体积 生产能力。过滤机的生产能力通常以m3滤液/h表示 生产率G。过滤机单位过滤面积在单位时间内过滤出的干固体质量，kg干固体/(m2.s) 过滤面积A。允许滤液通过的过滤介质的总面积。 悬浮液固相浓度。单位体积悬浮液中所含固体颗粒的总体积，用体积分数表示，是选择过滤设备的重要参数。 滤饼含液量。滤饼中所含液体的质量分数。 滤饼与滤液的体积比。获得单位体积滤液同时形成的滤饼体积，m3滤饼/m3滤液 过滤速率.单位时间得到的滤液体积，m3滤液/s 过滤速度.位时间单位过滤面积上得到的滤液体积，m3滤液/(m2.s)（五）滤饼的可压缩性由刚性颗粒形成的滤饼，在过

12、滤过程中颗粒形状和颗粒间的空隙率保持不变，称为不可压缩滤饼。而非刚性颗粒形成的滤饼在压强差作用下会压缩变形，称为可压缩滤饼。为减小可压缩滤饼的过滤阻力，减少细微颗粒对过滤介质中孔道的堵塞，可使用助滤剂改善饼层结构。（六）滤饼的洗涤过滤结束后，通常用洗涤液（一般为清水）进行滤饼的洗涤，以回收滤液或得到较纯净的固体颗粒。洗涤速率取决于洗涤压强差，洗涤液通过的面积及滤饼厚度。二、恒压过滤(一) 过滤基本方程滤液透过滤饼和过滤介质的过程，可看作是通过曲折多变孔道的一种特殊管流。由于这类孔道很细小，流动形态可认为属于层流。于是，滤液透过滤饼和过滤介质的压强降可表示为：，过滤基本方程，适用于不可压缩滤饼。

13、（二）恒压过滤方程，在一定条件下，、均为过滤常数。K与物料特性及压强差有关，单位为m2/s；反映了过滤介质阻力的大小，均可由实验测定.。（三）过滤常数、 的测定在恒压差下测得两个时刻以前的滤液总体积由联立方程组：即可估算出、 的值。在实验室里测定过滤常数时，为了减小实验误差，要求测得多组数据，并由转化为数据。变形为：在纵轴为，横轴为的直角坐标系下，上式为一直线，其斜率为，截距为，采用作图法可示出和。要保证测得的、 有足够的可信度，以便用于工业过滤装备，实验条件必须尽可能与工业条件相吻合，要求采用相同的悬浮液，相同的操作温度和压强。三、过滤设备各种生产工艺的悬浮液，其性质有很大的差异；过滤的目的

14、及料浆的处理量相差也很悬殊，为适应各种不同的要求而发展了多种型式的过滤机。按照操作方式可分为间歇过滤机与连续过滤机，按照采用的压强差可分为压滤、吸滤和离心过滤，工业应用最广泛的板框过滤机和叶滤机为间歇压滤型过滤机，转筒真空过滤机则为吸滤型连续过滤机。(一)、板框压滤机各种生产工艺的悬浮液，其性质有很大的差异；过滤的目的及料浆的处理量相差也很悬殊，为适应各种不同的要求而发展了多种型式的过滤机。按照操作方式可分为间歇过滤机与连续过滤机，按照采用的压强差可分为压滤、吸滤和离心过滤，工业应用最广泛的板框过滤机和叶滤机为间歇压滤型过滤机，转筒真空过滤机则为吸滤型连续过滤机。一、板框压滤机 &#

15、160;  板框过滤机早为工业所使用，至今仍沿用不衰。它由多块带凹凸纹路的滤板和滤框交替排列组装于机架而构成，如图3-20所示。图3-20  板框压滤机1一压紧装置  2一可动头  3一滤框  4一滤板  5一固定头  6一滤液出口  7一滤浆进口  8一滤布图3-21  滤板和滤框    板和框一般制成正方形，如图3-21所示。板和框的角端均开有圆孔，装合、压紧后即构成供滤浆、滤液或洗涤液流动的通道。框的两侧覆以四角开孔的滤布，空框与滤布围成了容纳滤浆及滤饼的空间

16、。滤板又分为洗涤板与过滤板两种。洗涤板左上角的圆孔内还开有与阪面两侧相通的侧孔道，洗水可由此进入框内。为了便于区别，常在板、框外侧铸有小钮或其它标志，通常，过滤板为一钮，洗涤板为三钮，而框则为二钮(如图321所示)。装合时即陵钮数以123212的顺序排列板与框。压紧装置的驱动可用手动、电动或液压传动等方式。    过滤时，悬浮液在指定的压强下经滤浆通道由滤框角端的暗孔进入框内，滤液分别穿过两侧滤布，再经邻板板面流至滤液出口排走，固体则被截留于框内，如图322(a)所示，待滤阱充满滤框后，即停止过滤。滤液的排出方式有明流与暗流之分。若滤液经由每块滤板底部侧管直接排出

17、(如图3-22所示)，则称为明流。若滤液不宜暴露于空气中，则需将各板流出的滤液汇集于总管后送走(如图3-20所示)，称为暗流。    若滤饼需要洗涤，可将洗水压人洗水通道，经洗涤板角端的暗进入板面与滤布之间此时，应关闭洗涤板下部的滤液出口，洗水便在压强差推动下穿过一层滤布及整个厚度的滤饼，然后再横穿另一层滤布，最后由过滤板下部的滤液出口排出，如图222(b)所示。这种操作方式称为横穿洗涤法，其作用在于提高洗涤效果。图3-22  板框压滤机内液体流动路径(a)过滤阶段   (b)洗涤阶段洗涤结束后，旋开压紧装置并将板框拉开，卸出滤饼，清洗滤布，重新装合，进入下一个操作循环。    板框压滤机的操作表压，一般在Pa的范围内，有时可高达Pa。    滤板和滤框可由多种金属材料(如铸铁、碳钢、不锈钢、铝等)、塑料及木材制造。我国编制的压滤机系列标准及规定代号，如下面图式所示。框每边长为3201000mm，厚度为2550mm。滤板和滤框的数目，可根据生产任务自行调节，一般为1060块，所提供的过滤面积为280m2。当生产能力小，所需过滤面积较少时，可于板框间插入一块盲板，以切断过滤通道，盲板后部即失