非均相混合物分离

1、第三章 非均相混合物分离主讲教师 童汉清均相混合物和非均相混合物1、均相混合物：物料内部各处性质均匀一致而不存在相界面。 如溶液、混合气体。 均相混合物的常用分离方法有吸收、精馏、萃取等2、非均相混合物：物系内部有相界面存在，且界面两侧物料性质截然不同。 如含尘气体、悬浮液等。 1）分散物质（分散相） 非均相物系中处于分散状态的物质。 2）分散介质（连续相） 非均相物系中处于连续状态的物质。 非均相混合物的常用分离方法有：筛分、沉降、过滤等。§1 沉降一、概述1、沉降操作的分类 重力沉降：颗粒在重力场中受重力作用与连续相发生相对运动而沉降。 离心沉降：颗粒离心力的作用与连续相发生相对

2、运动而沉降。2、沉降操作在食品工业中的应用1）以澄清为目的2）以增稠为目的3）以分级分离为目的4）以净化为目的二、重力沉降1、球形颗粒的自由沉降重力： 浮力： 阻力： （ 因为 ）重力 Fg = 浮力 Fb + 阻力 Fd得 沉降速度公式 2、曳力系数 1）表面曳力与形体曳力 表面曳力（摩擦阻力）：流体与颗粒表面间的摩擦力在流动方向上的分力。 形体曳力（涡流阻力）：因边界层脱体产生颗粒上下端的压差。 2）对曳力系数的因次分析曳力的影响因素：曳力的函数关系：因次分析的结果：3、关系曲线图 该图分四个区1）层流区： 此时表面曳力为主，形体曳力可以忽略。该区内 则有公式：斯托克斯（Stokes）公式

3、所以该区称为斯托克斯区。2）过渡区： 此时形体曳力不可忽略。该区内则有公式： 阿仑（Allen）公式 所以该区称为阿仑区。 3）湍流区： 此时形体曳力为主。表面曳力可以忽略。该区内，与Re数无关。则有公式： 牛顿区（Newton）公式 所以该区称为牛顿区。 4）边界层为湍流区： 一般沉降操作达不到此区。该区内，由于不稳定，因此无法计算该区的沉降速度。4、沉降速度的计算 1）试差法假定沉降所属区域用该区公式计算沉降速度u由算出的u求出Re检验Re是否在所设区域与所设相符，计算正确；与所设不符，重新计算。 例：求下列各种形状及尺寸的固体颗粒在30oC常压空气中的自由沉降速度。已知颗粒密度为2670

4、/m3。（1） 直径为30的球形颗粒。（2） 直径为1的球形颗粒。（3） 棱长为1的正方体颗粒。2）变换坐标法 及关系曲线图因为 所以 三、非球形颗粒的当量直径与球形度的概念 1、非球形颗粒的当量直径 使非球形颗粒与某球形颗粒在某方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的当量直径。 1）体积当量直径dev 非球形颗粒与虚拟球形颗粒在体积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的体积当量直径。 非球形颗粒的体积为 非球形颗粒的体积当量直径为 2）表面积当量直径deA 非球形颗粒与虚拟球形颗粒在表面积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的表面积当量直径

5、。 非球形颗粒的表面积为 非球形颗粒的表面积当量直径为 3）比表面积当量直径des 比表面积：单位体积颗粒所具有的表面积。 非球形颗粒与虚拟球形颗粒在比表面积方面具有等效性（相当），则该虚拟球体的直径即非球形颗粒的比表面积当量直径。 非球形颗粒的比表面积为 非球形颗粒的当量直径为 2、球形度 不同形状的颗粒体积相同时，以球体的表面积为最小。 所以，对于一定体积（dev不变）的非球形颗粒，与球的形状相差越大，则S越大；deA越大。球形度的意义：如边长为a正方体颗粒： ； 四、重力沉降分离设备 1、降尘室 利用重力沉降除去气流中尘粒的设备。 除尘条件 ：颗粒以u速度水平通过降尘室的时间大于或等于颗

6、粒以uo速度从室顶降到室底所需的时间。 即： 而 ， 所以 结论：降尘室的生产能力（含尘气体通过降尘室的体积流量）只与室底面积及颗粒的沉降速度有关，与降尘室高度无关。 例1：欲用降尘室净化温度为20oC流量为2500m3/h的常压空气。空气中所含灰尘的密度为1800/m3，要求净化后空气中不含有直径大于10的尘粒，试求所需沉降面积为多大？若降尘室的底面宽2m，长5m，室内需要设多少块隔板？例2：某降尘室宽1.5m，长2m，在常压、100oC下处理2700m3/h的含尘气，设尘粒为球形，密度为2400/m3，气体的物理性质与空气相同。求：1）可被100%除去的最小颗粒直径。2）直径为0.05mm

7、的颗粒有百分之几能被除去？ 2、沉降槽直径：10100m深度：2.54m加料深度：0.31m 3、分级器1）适当安排各级沉降柱截面积的大小。2）适当选择流体的密度与粘度。3）控制流量。§2过滤一、过滤概述1、概念2、床层在多孔板架上堆积固体颗粒物料。 1）、分类 固定床流体流速较低，颗粒层处静止状态，床层高度不变。 流化床 流体流速较低，颗粒全部浮在向上流动的流体中做随机的运动。床层高度随流体流速增加而升高。 稀相输送床 流体流速很大，流化床上界面消失。颗粒分散悬浮于流体中，被气体带走。2）、床层的特性（固定床） 床层的空隙率 ：床层中空隙的体积占床层总体积的比率。 单位：m3/m3

8、 的影响因素颗粒粒径的均匀性。 粒径越均匀，越大。颗粒表面的光滑性。 颗粒表面越光滑，越小。颗粒的大小。 颗粒粒径越大，越大。非球形颗粒的球形度。 球形度越小，越小。床层的堆积方式， 乱堆床层大。床层的堆积速度。 堆积越快，越大。 床层的平均自由截面积A 流体流过床层截面时的有效流动截面积在高度范围的平均值。 则 床层的比表面积S 单位体积床层所具有的颗粒的表面积。 SP 为颗粒群的平均比表面积。 床层流道的当量直径de 对床层流道作下列简化：将床层中的不规则通道简化为长度为的一组平行细管。细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面积。细管的全部流动空间等于床层的空隙体积。 所以有 流体在床层流道中

9、的流速u则 流体流过床层的压降 流体在管内作层流流动时的阻力压降由哈根-泊谡叶公式：则流体在滤饼层内流动的压降为 设，则 常数r称为滤饼床层的比阻。3、深层过滤和滤饼过滤 深层过滤浆料中的固体颗粒沉积在较厚的过滤介质内部而不形成滤饼。 表面过滤滤液流过过滤介质后，浆料中的固体颗粒呈饼状沉积在过滤介质的上游。又称滤饼过滤。 表面过滤主要作用是液固分离； 深层过滤主要作用是澄清。 2、过滤介质粒状介质织状介质多孔性固体介质 3、助滤剂1）助滤剂的种类：硅藻土；活性炭；石棉；锯屑等。2）助滤剂的作用：防止过滤介质孔道阻塞，增加滤饼空隙率，提高过滤速度。3）助滤剂的应用：滤液是产品而不需回收滤渣。 4

10、、过滤种类1）常压过滤过滤推动力为悬浮液液柱压差，小于5×104N/m2。2）加压过滤过滤推动力源于悬浮液表面加压，小于5×105N/m2。3）真空过滤过滤推动力源于过滤介质下方减压，小于5×105N/m2。4）离心过滤过滤推动力源于离心力。三、过滤设备板框压滤机 1、板框压滤机的构造 2、板框压滤机的操作流程 1）组装S手动压紧；Y液压压紧；D电动压紧 2）过滤明流式板框压滤机和暗流式板框压滤机 3）滤饼洗涤贯通洗涤法：洗涤速率=最终过滤速率 4）卸渣整理 3、特点 优点：结构简单；造价低；过滤面积大；辅助设备少；动力消耗低。 过滤推动力一般为3×10

11、55×105N/m2，最大可达1×106 N/m2。 缺点：间歇操作；组装和卸渣需要繁重的体力劳动，洗涤时间长；不易清洗；效率较低。 板框材料：铸铁；钢；铝；铜；木材；塑料等 4、板框压滤机的系列代号 BMS20/63525 B：板框压滤机M：明流式 （A表示暗流式）S：手动压紧20：过滤面积20m2635：框内边边长 635mm25：框厚25 mm 四、过滤计算 1、过滤速度与过滤速率 1）过滤速度 定义：单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积。 单位：m3/m2·s q为单位面积上收集的滤液量。 单位：m3/m2 2）过滤速率 定义：单位时间内获得的滤液体积。

12、单位：m3/s2、过滤的基本方程 1）滤饼阻力 滤渣体积=，所以 过滤速度 滤饼阻力为 2）过滤介质阻力 将过滤介质视为厚的滤饼，由以上推导得过滤介质阻力为 所以，过滤总阻力为 3）过滤的基本方程 过滤的基本方程 3、恒压过滤对于恒压过滤，为一常数。设 ，得恒压过滤的基本方程： 设 则 4、恒压过滤的过滤常数及当量滤液量的测定与成直线关系。斜率为，截距为 例：在恒压下对某种滤浆进行过滤实验，测得如下数据：滤液量（m3） 0.10 0.20 0.30 0.40过滤时间（s） 38 115 228 380 已知过滤面积为1 m2，求过滤常数及当量滤液量。 5、洗涤时间恒压过滤速度计算公式：最终过滤速度计算公式：洗涤速度计算公式：洗涤时间的计算公式： 6、板框压滤机的生产能力例：某板框压滤机在恒压条件下过滤含硅藻土的悬浮液，过滤机的滤框内边尺寸为810×810×25mm (长×宽