化工原理(上)课程教学演示文稿二

PowerPointTemplate化工原理——朱明娟2012年3月11日模块二：非均相物系分离及设备

技能训练：板框式过滤机操作

任务2.4过滤分离原理及方法用任务2.3沉降分离设备操作及维护

任务2.2

沉降分离设备选型及尺寸计算

任务2.1非均相物系分离方法

模块二：非均相物系分离及设备能力目标知识目标了解离心分离的原理了解离心分离机的结构及原理能够对过滤设备出现的故障进行及时处理了解沉降分离和过滤分离的效率及速率计算式能够操作板框式过滤机能够操作离心分离机掌握沉降设备的结构及原理了解过滤机的原理及操作混合物分类一种物质以分子、离子状态均匀分散在另一种物质中。有明显相界面；不同相间有明显的物理化学性质差异。通过施加适当外力使两相间发生相对运动，实现非均相混合物的分离。机械分离的两种操作方式任务2.1非均相物系分离方法非均相物系分离在工业上应用1回收有价值的分散物质2净化分散介质以满足生产工艺要求3环境保护和安全生产一、颗粒的特征1、球形颗粒颗粒最基本的特征就是其形状和大小。对于球形颗粒仅用直径就可以说明颗粒的大小，而对于非球形颗粒，由于难以用单一参数说明，常将它与球形颗粒相对比来表示其特征。任务2.2

沉降分离设备选型及尺寸计算2、非球形颗粒工业上遇到的固体颗粒大多是非球形颗粒，它不像球形颗粒那样容易求出体积、表面积和比表面积，但可用当量直径和球形度来表示其特征。由于体积相同的形状不同的颗粒中，球形颗粒表面积最小，所以任何非球形颗粒的球形度均小于1，其值越小，说明颗粒与球形颗粒差别越大S----与实际颗粒体积相等的圆球的表面积；SP----颗粒的实际表面积颗粒群的特性2）颗粒的平均粒径常用方法是平均比表面积直径法。由大小不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。1）颗粒群粒径分布颗粒群的粒度组成情况即粒径分布。可用筛分分析法测定各种尺寸颗粒所占的分率。

xi＝式中da—平均比表面积直径；di—筛孔平均直径；xi—di粒径范围内颗粒的质量分数3）颗粒的密度颗粒的真密度：当不包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m3。堆积密度（表观密度）：当包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，

4）颗粒的粘附性和散粒性二、颗粒沉降1、颗粒在流体中的沉降过程颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：质量力F＝ma、浮力Fb=Vp.ρ.a、、曳力Fd=ξ.Aρu2/2。对于一定的颗粒和流体，重力Fg、浮力Fb一定，但曳力Fd却随着颗粒运动速度而变化。当颗粒运动速度u等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零三、重力沉降及设备自由沉降：颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁的影响，称为自由沉降。对单个球形颗粒受力分析：沉降两个阶段：加速段和等速段，加速段时间很短，整个过程可以忽略；等速段的颗粒相对于流体的速度称为沉降速度用ut表示，也称终端速度。沉降速度：其中ξ是颗粒沉降时的阻力系数。并且ξ是颗粒对流体作相对运动时的雷诺数Ret的函数阻力系数ζ根据阻力随颗粒雷诺数变化的规律，可分为三个区域：滞流区或斯托克斯定律区（10-4<Ret<2)过渡区或艾仑定律区（2<Ret<103）湍流区或牛顿定律区（103<Ret<2×105）将阻力系数的计算式代入，得到不同颗粒雷诺数范围内ut的计算式：滞流区过渡区湍流区影响沉降的因素1、颗粒形状：球形度越小，沉降速度越小。2、干扰沉降：当颗粒的体积浓度小于0.2%时，理论计算值的偏差在1%以内，当颗粒浓度较高时便发生干扰沉降，由于干扰作用，大颗粒的实际沉降速度小于自由沉降速度；小颗粒的沉降速度增大。3、当容器尺寸远远大于颗粒尺寸时，器壁效应可忽略，否则需加以考虑由于壁面效应，实际沉降速度小于自由沉降速度。

在Stokes区，器壁的影响：沉降速度的计算1试差法例：

一直径为1.00mm、密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，试求其沉降速度。解：由于颗粒直径较大，先假设流型层于过渡区，校核流型，Re=dPutρ/μ=10-3×0.145×998.2/0.001005=144故属于过渡区，与假设相符。当已知沉降速度，求颗粒直径时，也需要试差计算一、重力沉降设备1、降尘室任务2.3沉降分离设备操作及维护沉降室的生产能力气体通过水平降尘室的速度为（2－22）式（2－21）带入（2－22）得：注意：降尘室中气速不易过大，应保证气体在滞留区流动，以防止气体湍流将以沉淀的尘粒重心卷起，一般控制流速在1.5-3m/s。思考：降尘室为什么要做成扁平的？注意：1、Vmax=BLut中，ut应根据需要分离下来的最小微粒计算；2、u不能过高，以免使已沉降的微粒重新飞扬。3、特点：降尘室结构简单，阻力小，但体积大，实际净制气体的程度低，只适用于分离直径在75μm以上的粗粒，一般作预除尘器使用。例:用高2m、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。在操作条件下空气的密度为0.779kg/m3，粘度为2.53×10-5Pa.s，流量为5.0×104m3/h。粉尘的密度为2000kg/m3。试求粉尘的粒径。解：假设沉降处于过渡区：属于过渡区，与假设相符。例用总高4m、宽1.7m、长4.55m的重力降尘室分离空气中的粉尘。中间等高安排39块隔板，每小时通过降尘室的含尘气体为2000m3，在气体的密度为1.6kg/m3(均标况)，气体温度为400℃，此时粘度为3×10-5Pa·s，粉尘的密度为3700kg/m3。①此降尘室能分离的最小尘粒的直径；②除去6μm颗粒的百分率。

解：①已知：H，B，n，V0，ρ0，t,μ，ρp求：dp∴假设成立，dP=8.11μm。②d=6μm由上可知沉降属于层流区停留时间：θ=L/u=4.55×1.7×4/1.369=22.60s用来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体3沉降槽（1）悬浮液连续送入，底流由耙集拢后由泄渣口排出，溢流由溢流槽连续流出。（2）可用于增稠悬浮液，也可澄清液体（3）产量与质量：清液产量取决于增稠器的面积（即直径）——VS=blut稠浆浓度与微粒在器内停留而被压紧的时间有关（4）tr≧ts=H/ut，微粒停留时间取决于进口管以下增稠器的深度H（5）适用场所：处理量大、浓度不高、微粒不太细微的悬浮液（6）特点：设备构造简单，处理量大，操作连续化、机械化，但设备庞大（7）生产上为了使设备紧凑、节省地面，将3、5个增稠器垂直叠放，各自单独操作，共用中心转轴。二、离心沉降及设备当分散相与连续相密度相差较小、颗粒较细时，利用离心力的作用，使固体颗粒沉降速度加快，达到分离的目的。对照重力场与重力沉降的比较：沉降速度的大小、方向离心分离因子离心分离因子是离心分离设备的重要指标参数，Kc值越高，离心沉降效果越好。三、离心分离设备1、旋风分离器1）构造及操作原理旋风分离器是得用惯性离心力有作用从气流中分离出尘粒的设备，其外旋流的上部是主要的除尘区。2）旋风分离器的性能（1）临界直径：能100%分离出来的最小颗粒的直径，用dc表示。其满足：停留时间θ＝沉降时间θt。几点假设：1、假设气体速度恒定，且等于进口气速ui；2、假设颗粒沉降过程中所穿过的气流的最大厚度等于进气口宽度B；3、假设颗粒沉降服从斯托克斯公式。各式中：ui—含尘气体进口速度；Rm—颗粒平均旋转半径；B—旋风分离器进口宽度；N—气体的旋转圈数（标准旋风分离器N取为5）减小旋风分离器直径降低旋风分离器的操作温度提高操作流速增大颗粒密度改变旋风分离器类型，增大有效圈数dc减小，分离效果更好，但有些因素有双重影响提高分离效果的措施3）旋风分离器的分离效率分离效率是衡量气流在旋风分离器内净化程度的指标。总效率：被旋风分离器除掉的总的颗粒质量占进口含尘气体中全部颗粒质量的分率c1、c2分别为进、出口气体中颗粒的质量浓度(g/cm3)。

通常工业上用总效率表示旋风分离器的效率。分效率（粒级效率）：入口气体中某一粒级di的颗粒被旋风分离器除掉的分率ci1、ci2分别为进、出口气体中平均粒径为di的颗粒的质量浓度。xi为进口气体中粒径为di的颗粒的质量分率。4）旋风分离器的阻力损失

旋风分离器的特点：流量大、压头低。(1)气体的膨胀或压缩引起的不可逆机械能损失；(2)消耗于气流旋转的加速度损失；(3)摩擦阻力损失以及各个部位的局部阻力损失等。有理论或半理论式，但工程上主要采用经验公式：阻力系数主要由旋风分离器的结构决定。同一结构型式、不论其尺寸大小，阻力系数接近定值。常用型号的旋风分离器值在5.0～8.0之间；入口气速，分离效率，但阻力，不经济。压降一般控制在0.5~2kPa左右(入口气速15～25m/s)，采取缩小直径、多台并联的方式满足分离效率与大气量的要求。

5）旋风分离器的结构和形式为提高旋风分离器的分离效率和降低压强降，在旋风分离器的设计时主要考虑以下两方面：1)采用细而长的器身2)减小涡流的影响3）采用带有旁路分离室或采用异形进气管的旋风分离器可以改善上涡流的影响6）旋风分离器的优缺点优点：构造简单，没有运动部件； 操作不受温度、压力限制； 可分离出小到5μm的微粒。缺点：气体在器内流动阻力大，微粒对器壁有较严重的机械磨损； 对气体流量的变动敏感； 细粒子的灰尘不能充分除净。2、旋液分离器（1）定义：旋液分离器是一种利用惯性离心力的作用，分离以液体为主的悬浮液或乳浊液的设备。（2）结构：类似于旋风分离器。上为圆筒，下为圆锥形；悬浮液从侧面进入，溢流从上面输出，底流从下面排出。（3）操作原理：类似于旋风分离器。空气芯：由于离心力的作用，液体被摔到边缘，中心有一个处于负压的空气芯。（4）增稠与分级：调节旋液分离器底部出口，即可调节底流量与溢流量的比例，从而使几乎全部或仅使一部分微粒从底流中排出。增稠：使全部微粒从底流中排出，得到稠厚浆液的操作成为增稠。此时溢流只是不含微粒的少量清水。分级：使大直径微粒从底流中排出，小直径微粒从溢流中排出的操作一、概述过滤：在推动力的作用下，使混合物流体通过多孔过滤介质，固体颗粒被过滤介质截留，从而实现的固体与流体分离的操作。通常将原悬浮液称为滤浆，滤浆中的固体颗粒称为滤渣，过滤时积聚在过滤介质上的滤渣层称为滤饼，通过过滤介质的液体称为滤液。任务2.4过滤分离原理及方法用1、过滤方式滤饼过滤：悬浮液中的颗粒沉积在过滤介质表面形成滤饼层，滤液穿过滤饼层中的空隙流动叫做滤饼过滤。深层过滤：固体颗粒不形成滤饼，而是沉积在过滤介质内部叫做深层过滤。用于去除直径小于5μm的细小颗粒,滤介质要定期更换或清洗再生。2、过滤介质过滤设备的核心，过滤过程的关键。过滤介质的作用是支承滤饼，故除有孔隙外，还应具有足够的机械强度及尽可能小的阻力。工业上常用的过滤介质有：织物介质多孔性固体介质堆积介质多孔性固体介质多孔性陶瓷板多孔性塑料板多孔性金属陶瓷板或管（由金属粉末烧结而成）特点：能截流小到1——3μm的固体微粒。堆积介质由颗粒状的细沙、石、炭屑等堆积而成的颗粒床层非编织纤维玻璃棉等的堆积层特点：用于处理含固体微粒少的悬浮液，如水的净化。选择过滤介质时应考虑的问题悬浮液中固体微粒的含量及粒度介质所能承受的温度及其化学稳定性、机械强度等优质的过滤介质所应具备的特点滤液清洁，固相损失量小滤饼容易卸除过滤时间短过滤介质不致因突然地或逐渐地堵塞而破坏过滤介质再生容易3、滤饼的压缩性和助滤剂

1）可压缩滤饼：由刚性颗粒形成的滤饼，在过滤过程中颗粒形状和颗粒间的空隙率保持不变。2）不可压缩滤饼：由非刚性颗粒形成的滤饼，在压强差作用下会变形。3）助滤剂：是某种质地坚硬而能形成疏松床层的固体微粒使用原因：在过滤某些细微而有粘性的微粒是，很容易形成致密的滤饼层，使流体阻力很大；也有时因微粒过于细密而将过滤介质通道堵塞要求：刚性颗粒；良好的物理、化学稳定性；不可压缩性、物美价廉。常用：不可压缩的粉状或纤维状固体如硅藻土、纤维粉末、活性炭、石棉。使用：可预涂，也可以混入待滤的滤浆中一起过滤。常用助滤剂硅藻土：使用最广，其形成的滤饼空隙率可达85﹪珠光粉碳粉纤维粉末石棉使用场合：只需要获得清净的滤液，滤饼则作为废料与助滤剂一起卸除。用量：助滤剂用量一般是滤饼的1——10﹪。4、过滤推动力过滤推动力是指滤饼和过滤介质两侧的压力差。此压力差可以是重力、离心力或人为压差。增加过滤推动力的方法有：1、增加悬浮液本身的液柱压力，一般不超过50KN/m2，称为重力过滤。2、增加悬浮液液面的压力，一般可达500KN/m2称为加压过滤。3、在过滤介质下面抽真空，通常不超过真空度86.6KN/m2，称为真空过滤。此外，过滤推动力还可以用离心力来增大，称为离心过滤。

5、过滤阻力过滤操作刚开始时，阻力只是过滤介质的阻力随着过滤过程的进行，阻力为过滤介质阻力与滤渣阻力之和当滤饼层沉积到相当厚度时，过滤介质阻力可忽略当滤饼增厚到阻力太大时，应将滤饼除去再过滤滤饼微粒 ，则阻力6、过滤基本参数

处理量：通常用悬浮液体积、滤液体积或滤饼体积表示。（m3）生产能力:以m3滤浆/h表示。生产率：单位过滤面积单位时间内过滤出的干固体质量，kg干固体/(m2s)。过滤面积A：允许滤液通过的过滤介质总面积。m2悬浮液固相浓度c：单位体积悬浮液中固体颗粒的总体积。体积百分数表示滤饼的洗涤:回收滤液或得到较纯净的固体颗粒滤饼含液量w：滤饼中所含液体的质量分数。滤饼与滤液的体积比υ：获得单位体积滤液同时形成的滤饼体积。m3滤饼/m3滤液(VS=V(1+υ))过滤速率dV/dt：单位时间获得的滤液体积，m3滤液/s过滤速度：单位时间单位过滤面积上获得的滤液体积。m3滤液/(m2s)一）过滤基本方程式表述（一）过滤的基本方程流体通过滤渣层的空隙，由于空隙通道直径很小、又弯曲，所以流体流动呈滞流。根据层流时损失压力降：将通过滤饼和过滤介质的阻力折合成通过长度为l和le的直径为d0直管阻力。u×Ao＝滤液的体积流量=dV/dtAo：滤饼空隙的平均流通截面积（自由截面积）滤饼得比阻滤饼结构越紧密、空隙越小，ε越小，通道越曲折，r越大，过滤越困难。υ=AL/VL=υV/ALe=υVe/A过滤的基本方程根据过滤速度定义