非均相分离讲稿

1、第三章 非均相分离有相界面的混和物称为非均相物质。悬浮液，乳浊液，泡沫液，含尘气体，含雾气体属非均相物系。分散相（分散物质）连续相（分散介质）由于非均相介质的物性不同，可通过机械方法分离。要分离就有相对运动，故其分离规律是借助于流体力学的规律，下面重点介绍沉降与过滤。第一节重力沉降1-1 沉降速度 一 自由沉降（假设：1.等速阶段2.颗粒间不碰撞；3.器壁无干扰；4.球形颗粒） 二 阻力系数三个区域Stokes区（滞流区）（10-4Ret<1） Allen 区（过渡区）（1Ret<103） Nuwton（湍流区）（103Ret<2105） 沉降速度 Stokes区 Allen

2、 区 Nuwton区 三 、影响沉降速度的因素1） d的相互干扰2） 器壁影响3） 颗粒形状 四、沉降速度的计算（一）试差法 ut （二）摩擦数群法 1.求ut Retut 2.求固定ut下能分离的颗粒直径 Ret1-2 降尘室籍重力沉降从气流中分离出尘粒的设备称为降尘室 沉降时间 停留时间 要求 而所以生产能力V与高度无关，故为多层。隔板间距一般为40100mm，高度太大浪费，单位容积V小。高度太小，已沉降物质会重新卷起，易干扰。u不能太大，保证层流。第二节 离心沉降2-1 ur 行能指标 1）离心分离因素 2）n 3)D 分离效果远较重力沉降高度多2-2旋风分离的操作原理a结构标准旋风分离

3、器尺寸特点各部分尺寸与分离器直径成比例中心负压，落灰斗要严密。自身无动力装置，但要求ui达到1025m/s。分离大于5mm的微粒，大于200mm一般先沉降，小于3mm用袋滤器。b性能参数假设（1）处处为ui =uT（2）穿过整个B；（3）滞流自由沉降 （4）R取平均半径Rm。1)dC 推导：停留时间 沉降时间 停留时间沉降时间 推得2）分离效率：粒级效率 直径为d的颗粒能被分离的理论效率 总效率 解释：为何部分小于dc得颗粒能分离，又有部分大于的颗粒不能被分离。小于临界直径的颗粒被分离的原因是小颗粒在器内结成了大颗粒，或碰撞加速沉降所致。大于临界直径的颗粒：碰撞减慢了速度或沉降后又重新被卷起，

4、导致不能被分离。3）压力降 8.0 5002000 kPa思考：旋风分离器串并联在何时采用，如何组合更合理。考虑问题的基本思路是使分离效率高（dc尽量小，），同时要考虑实际操作的压降尽量小。选择题：一旋风分离器的分离效果不够满意，有人提出以下建议，你认为哪个建议较合理 。（江南大学07年）A与另一相同旋风分离器并联使用；B与另一相同旋风分离器串联使用；C与另一小尺寸的旋风分离器串联使用；D在现有旋风分离器的后面串联一对小尺寸的旋风分离器并联而成的分离器。分析：A不行，并联相同的旋风分离，则总压差不变，并联后，风速减少一半，分离效果变差；B有一定的效果，但理论上说临界颗粒直径无变化，而且动力消耗

5、增加了；C因直径变小，为保证处理量，要求提高速度，分离效果提高，但同时消耗更多动力，一般压差消耗是额定的，这种情况压差和处理量不能同时兼顾；D比较而言最可行，能满足气量要求，动力消耗增加不大，因为尺寸小，沉降距离B小，分离效果提高，材料消耗也少。第三节 过滤3-1过滤操作的基本概念1过滤原理l滤饼滤液过滤介质1）定义：过滤操作是利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过某种多孔性过滤介质，悬浮液中的固体颗粒被截留，滤液则穿过介质流出。2）过滤方式 a.饼层过滤（表面过滤）：(1) 定义: 若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于1%，则过滤过程中在过滤介质表面会形成固体颗粒的滤饼层，这种过滤操作称为饼层过

6、滤。(2) 特点:颗粒会在孔道内很快发生“架桥”现象，并开始形成滤饼层，起到过滤介质作用，滤液由浑浊变为清澈。(3)小结: 在饼层过滤中，真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质，在饼层过滤过程中，滤饼会不断增厚。过滤的阻力随之增加，在推动力不变下，过滤速度会愈来愈小。b.深层过滤(1) 定义: 悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤称为深层过滤。(2) 适用范围: 深层过滤适用于浮液中固体颗粒的体积百分数小于0.1%，且固体颗粒粒径较小的场合。(3)特点: 深层过滤中，由于悬浮液的粒子直径小于床会孔道直径，所以粒子随着液体一起流入床层内的曲折通道，在穿过此曲折通

7、道时，因分子间力和静电作用力的作用，使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。过滤介质表面不生成滤饼，且整个过滤过程中过滤阻力不变。3)过滤推动力 常压、加压、真空、离心2.过滤介质1）织物介质：又称滤布，它由棉、毛、丝、麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。2）粒状介质：包括细纱、木炭、石棉、硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质，多用于深床过滤。3）多孔道固体介质：它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板式管。4）膜分离3.滤饼：滤饼是由被截留下来的颗粒垒积而成的固定床层，随着过滤操作的进行，滤饼的厚度与流动阻力都逐渐增加；1）不可压缩性滤饼

8、：颗粒结构不随操作压差的改变而变；如硅藻土，碳酸钙等。2）可压缩性滤饼：滤饼空隙率随操作压差的增大而变小；如Al(OH)3等。4.助滤剂：对于可压缩性滤饼，压差增加时，饼层颗粒间的孔道会变窄，有时会因颗粒过于细密而将通道堵塞，为了避免此种情况，可将某种质地坚硬且能形成疏松床层的另一种固体颗粒预先涂于过滤介质上，或者混入悬浮液中，以形成较为疏松的滤饼，使滤液得以畅流，这种物质称为助滤剂，如硅藻土等。5.过滤过程的特点：a.过滤床层的非稳定性b. 过滤床层的流动为滞流3-2流体通过滤饼固定床的压降1.床层的空袭a.空隙率 b.床层的各向同性c.床层的比表面积ab：单位体积床层中具有的颗粒表面积m2

9、/m3。aba（1）单个球形颗粒比表面积为a=d2/(1/6d3)=6/d2.滤饼层的简化模型1）床层的简化物理模型ledel过滤过程物理模型假设：(1)细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；(2)细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积。以1m3床层体积为基准简化物理模型结论：流体通过固定床的压降相当于流体通过一组当量直径为de，长度为Le的细管的压降。影响床层压降的变量有三类：a) 操作变量u； b) 流体物性和； c) 床层特性和a最重要是空隙率，当由0.5变为0.4时，压降升高2.8倍；2)流体压降的数学模型u1与u的区别：3)模型的检验和模型参数的估值 Kozeny方程：当Re<

10、;2时 K=5，实验误差小于5%，较好验证了模型Ergun方程：（在较宽的Re范围内获得如下的关联式）其实验范围为Re=1/6（12500)。当Re<20/6时，等式右方第二项可以略去，当Re>100时，右方第一项可以略去。Ergun方程在固定床、流化床、气力输送领域内是重要理论基础。3.因次分析法和数学模型法的比较数学模型法：紧紧抓住过程的特征和研究的目的，对具体问题作合理简化，建立一个不失真的物理模型而又可用数学方程式表示，通过实验测定模型参数。1.将复杂的真实过程简化成易于用数学方程式描述的物理模型；2.对所得到的物理模型进行数学描述即建立数学模型：3.通过实验对数学模型的合

11、理性进行检验并测定模型参数。数学模型法关键是建立物理模型。因次分析法：找出对过程产生重要影响的全部因素，通过无因次化减少变量数目，减少实验次数，通过实验求取无因次化变量的函数关系。1.列出影响过程的主要因素，2.通过无因次化减少变量数目；3.通过实验求取无因次化变量的函数关系。因次分析法关键是确定过程的影响因素。3-3过滤基本方程式一、方程的导出在流速较小（Re<2）时Kozeny方程：定义： 则 定义：悬浮液比浓度 ： 故： 则 定义：滤饼的比阻r（1/m2） pcppc为通过滤饼床层的压降，压差测定常常是测量滤饼床层和过滤介质的总压差，解决这个问题常常引入“滤饼当量体积Ve”的定义定

12、义：滤饼当量体积Ve ：与过滤介质阻力相当的滤饼层体积；稳定过滤过程流体流经过滤饼层速率与流经过滤介质层速率相当，且等于总速率，由合比定律得： 考虑滤饼可压缩性 r=r0(p)s对一定的悬浮液，r0、v、不变，定义 （1）作业P.204第8题令K=2k(p)1-s （2）令 or （3）r0单位压差下滤饼比阻(1/m2)，s可压缩性指数，不可压缩滤饼s=0；k只与滤浆性质有关，如, ,v, r0,不受操作条件限制，而 K与物性和操作压力有关。（1）（2）（3）该式是过滤的灵魂。 二、讨论：1）恒压过滤K为常数V1=0, =0V=V, =V2+2VeV=KA2q2+2qeq=K2)初始阶段已有滤

13、饼的过滤=0 ,V0=V0,=0+¹,V=V0+V¹则(V+ V0)2+2Ve(V¹+V0)-(V02+2VeV0)=KAV¹2+2(Ve+V0) V¹= KA23)恒速过滤4）先恒速后恒压（K是变数，终了时K为K'）V22+2(Ve+V1) V2= K' A225) K的测定由基本方程，在一定的p下及6) r、s的测定 由第5）点讨论得到一个K值，改变p测定得不同的Ki值，由K=2k(p)1-s求对数，作直线即可求k、r、s等参数。7）介质阻力qe=0时的恒压过滤 q2=K8)当量时间：qe2=Ke,3-3过滤机械一、板框过滤

14、机（参阅多媒体）1.基本结构：板、滤布、框、压紧装置；若干板，框交替排列，板，框都用支耳架在一对横梁上，用压紧装置压紧或拉开。滤板结构：凹凸纹路作用支撑滤布，提供滤液或洗涤液的流道。分为洗涤板和非洗涤板两种。滤框结构：有供料浆通过的暗孔，料浆在压差的推动下籍框两侧覆盖的滤布进行过滤分离。2.明流、暗流的区别：明流每块板上滤液流出；暗流每块板上滤液汇合在一起形成通道一起流出。3.过滤通道、洗涤（横穿洗涤、置换洗涤）通道的区别：4.过滤面积与洗涤面积的区别：过滤面积S=2ab； 横穿洗涤面积S洗=ab；5.过滤终了速率与洗涤速率间的区别：过滤时一个滤框提供两侧过滤面积，洗涤时若恒压洗涤的压差与过滤

15、终了时的压差相等，洗涤液粘度与滤液粘度相同，由于洗涤液通过框内两层滤饼和两层滤布，洗涤阻力为过滤终了时的阻力的一倍，且洗涤面积为过滤面积之半，故洗涤速率为过滤终了时的速率的1/4。6.型号代码的含义：7.操作特点：间歇操作二、叶式过滤机基本结构：由多个带孔的方形金属或丝网滤叶外加滤布组成。三、转鼓真空过滤机（参阅多媒体） 基本结构与工作原理：转筒真空过滤机是连续过滤操作设备，过滤，洗涤，卸饼连续进行。3-4过滤计算一、滤饼洗涤时间的计算a）叶滤机：洗涤为置换通道根据速率定义：r,v与过滤相同，若P、f（洗液）、A与过滤终了时相同，则洗涤速率就等于过滤终了时的速率。若PW=PE ,W=液 :b）

16、板框机: 洗涤为横穿通道LW=2LE AE=2AW若PW=PE ,W=液 ：若PWPE ,W液 ：二、过滤机的能力Q (m3/h)a .间歇过滤机注意：最大生产能力的计算，当F一定时,V2+2VeV =KA2F 时，生产能力最大，是由dQ/dF=0求得的F为最佳过滤时间。特例：Qe=0时，最大生产能力应满足F=D+Wb.连续转筒真空过滤机考虑的方程完全与板框过滤相同，关键是其基准都是转一圈，用时60/n 秒，因为浸没度为，则一圈中真正用于过滤的时间为/n秒，故转一圈滤液量为（恒压操作）：V2+2VeV=KA2(60/n) 所以: 自然生产能力Q=60nV(m3/h)作业P.204第11、12.

17、13、14题，15题选做 例题1拟用板框压滤机恒压过滤含CaCO38%(质量)的水悬浮液2m3，每立方米滤饼中含固体1000kg，CaCO3的密度为2800kg/m3，试求：1）现有560×560×50mm规格的板框，问至少需要多少只框？2）若过滤常数0.162m3/h，过滤介质阻力不计，充满这些框过滤需用时间为多少min？3）若过滤常数0.162m3/h，过滤介质阻力不计，用上述这些框过滤需用时间为20min，则滤液量为多少？Solu: (1)过滤面积 Sn×0.56×0.56×2（m2）=0.6272n（m2）基准1 m3滤饼滤饼中CaCO

18、3为1000kg，CaCO3体积为1000/2800=0.35714（m3）则滤饼中水体积为1-0.35714=0.64286（m3）所需的原悬浮液量为1000/0.08=12500（kg）其中水质量为12500-1000=11500 （kg），体积为11.5（m3）悬浮液量体积为0.35714+11.5=11.85714（m3）注：则2 m3悬浮液具有的滤饼体积为（2/11.85714）´1=0.16867（m3）充满框时的滤饼体积 V饼0.562×0.05n（m3）框充满时，有 1000×0.01568n=0.16867（kg）n=10.8,取11块(2) 每个框的过滤面积=2ab=2×056×0.56=0.6272（m2）2 m3的悬浮液得到的滤液体积V恒压过滤，V2KA2(3) VA(K)0.50.6272×11×(0.162×20/60)0.5=1.054 （m3）2.用过滤面积为10m2的板框过滤机过滤某种悬浮液，操作压力为2atm（表压），过滤15min，共得滤液2.91m3，滤饼不可压缩，介质阻力忽略不计，该过滤机的生产能力为4.8m3/h。试求：（1）