教学培训课件第三章非均相物系的分离

第三章非均相混合物的分离3.1概述1混合物的分类均相混合物(物系)：物系内部各处物料性质均匀，无相界面。例：混合气体、溶液。

非均相混合物(物系)：物系内部有隔开的相界面存在，而在相界面两侧的物料性质截然不同的物系。例：含尘气体、悬浮液、乳浊液、泡沫液。非均相物系◆分散相(分散物质)：处于分散状态的物质。气体中尘粒、悬浮液中的颗粒、乳浊液中的液滴。◆连续相(分散介质)：包围着分散相，处于连续状态的物质。含尘气体中的气体、悬浮液中的液体。2021/7/91第三章非均相混合物的分离2021/7/91均相混合物的分离：吸收、蒸馏。2非均相混合物的分离方法非均相混合物的分离：利用分散相、连续相物理性质不同(ρ不同)→机械方法沉降、过滤。①颗粒相对流体（静止或运动）运动而实现悬浮液物系的分离的过程称为沉降分离。②流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称为过滤。（分离液、固混合物）2021/7/92均相混合物的分离：吸收、蒸馏。2021/7/922021/7/932021/7/932021/7/942021/7/943非均相混合物分离的目的：①回收分散物质（气流干燥器，催化反应器）②净制分散介质（催化反应保证催化剂的活性）③劳动保护和环保的需要。

3.2颗粒及颗粒床层的特性3.2.1颗粒的特性1单一颗粒特性1）球形颗粒（通常用直径（粒径）表示大小。）体积表面积比表面积2021/7/953非均相混合物分离的目的：体积表面积比表面积2021/7/2）非球形颗粒（1）体积当量直径（令实际颗粒的体积等于当量球形颗粒的体积）（2）形状系数（球形度）表征颗粒的形状与球形的差异程度。Φs——颗粒的球形度，无因次；S——与实际颗粒体积相等的球形颗粒的表面积，m2；Sp——实际颗粒的表面积，m2。

对于球形颗粒，Φs=1。颗粒形状与球形的差异越大，球形度Φs越小。

2021/7/962）非球形颗粒（2）形状系数（球形度）Φs——颗粒的球形度，3.2.2颗粒床层的特性1床层空隙率影响空隙率的因素有颗粒的大小，形状和粒径分布等。球形度越小，空隙率越大。振动也可改变空隙率。空隙率大，则流体通过床层的压降小。2床层的比表面积（单位床层体积具有的颗粒表面积）3.3沉降分离沉降：在某种力(重力、离心力)作用下，利用连续相与分散相的密度差异，使之发生相对运动而分离的操作。（分离气、固混合物）a-颗粒的比表面积2021/7/973.2.2颗粒床层的特性影响空隙率的因素有颗粒的大小，形状3.3.1重力沉降重力沉降：由地球引力(重力)作用而发生的沉降过程。1

沉降速度1)

球形颗粒的自由沉降

(重力，向下)(浮力，向上)

(阻力，向上)2021/7/983.3.1重力沉降1沉降速度(重力，向下)(浮力，向当u增加到某一定数值时，Fg、Fb、Fd达平衡，即∑F=0，a=0，颗粒开始作匀速沉降运动，此时颗粒相对于流体的运动速度称为颗粒的自由沉降速度，用ut表示。

①

层流区或斯托克斯区

②

过渡区或艾伦区

③

湍流区或牛顿区

2）阻力系数2021/7/99当u增加到某一定数值时，Fg、Fb、Fd达平衡，即∑F=0，（1）层流区：

（非常重要）称斯托克斯公式

（2）过渡区：

又称艾伦公式

（3）湍流区：

又称牛顿公式

由于沉降操作涉及的颗粒直径都较小，沉降通常处于层流区，因此斯托克斯公式应用较多。

2021/7/910（1）层流区：（非常重要）（2）过渡区：又称艾伦公式（3）影响沉降速度的因素

（1）干扰沉降当流体中颗粒浓度较大时，颗粒沉降时彼此影响，这种沉降称为干扰沉降。干扰沉降的速度比自由沉降要小。（2）壁面效应当颗粒在靠近器壁的位置沉降时，由于器壁的影响，其沉降速度较自由沉降速度小，这种影响称为壁面效应。（3）颗粒形状的影响颗粒的球形度越小，同一雷诺数下的阻力系数越大。P145图3-22021/7/9113）影响沉降速度的因素2021/7/9114）沉降速度ut的计算（步骤）：（1）假设沉降属于某一流型（例如层流区）；（2）选用相应公式计算ut；（3）用ut计算Ret，检验是否在原假设的流型区域内。

例3-1

已知固体颗粒的密度为2600kg/m3，大气压强为1.013×105Pa，试求直径为30μm的球形颗粒在30℃大气中的自由沉降速度。解由附录查取，30℃，1atm下空气的物性参数密度ρ=1.165kg/m3；粘度μ=1.86×10-5Pa·s假设沉降处于层流区

校核

与假设相符，计算结果有效

2021/7/9124）沉降速度ut的计算（步骤）：例3-1已知固体颗粒的2重力沉降设备1）降尘室：

降尘室利用重力沉降从含尘气体中分离出尘粒的设备。降尘室的作用：用作预分离器，分离粒径大于75μm的颗粒。2021/7/9132重力沉降设备2021/7/913降尘室的长为L，宽度为b，高度为H，含尘气体通过降尘室的体积流量（降尘室的生产能力）为Vs

颗粒在降尘室中沉降到底所需时间颗粒在降尘室中的停留时间为颗粒被分离的条件为

或降尘室的生产能力Vs仅与其底面积Lb及颗粒的沉降速度ut有关，而与降尘室的高度H无关。

2021/7/914降尘室的长为L，宽度为b，高度为H，含尘气体通过降尘室的体积若降尘室内设置n层水平隔板，则层数为N=n+1，生产能力为保证气体流动处于层流区，以免干扰颗粒沉降2021/7/915若降尘室内设置n层水平隔板，则层数为N=n+1，生产能力为保若在各种颗粒中，有一种颗粒刚好满足

=

t的条件，此粒径称为降尘室能100％除去的最小粒径，称为临界粒径，用dpc表示。当沉降处于层流区时

例3-2

：在底面积为40m2的降尘室中回收气流中的固体颗粒，气体流量为3600m3/h、固体密度为2650kg/m3、气流为40℃的空气，试求理论上能被完全除去的最小颗粒直径。40℃时空气的密度为1.128kg/m3,粘度为1.91×10-5Pa·S。2021/7/916若在各种颗粒中，有一种颗粒刚好满足=t的条件，此粒径称为例3-3

降尘室总高4m、宽1.7m、长4.55m，中间等高水平安装39块隔板，每小时通过降尘室的含尘气体为2000m3，气体的密度为1.6kg/m3（均标况），气体温度为400℃，压力为101.3kPa，此时粘度为3×10-5Pa·s，粉尘的密度为3700kg/m3。试求：（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。P151例3-32）沉降槽沉降槽是利用重力沉降来分离悬浮液，并得到澄清液体的设备。沉降槽又称增稠器或澄清槽，可间歇操作也可连续操作。间歇沉降槽通常是带有锥底的圆槽，需要处理的悬浮液在槽内静置足够时间后，增浓的沉渣由槽底排出，清液则由槽上部排出管排出。2021/7/917例3-3降尘室总高4m、宽1.7m、长4.55m，中间等连续沉降槽的直径从几米到数十米，高度一般2.5米至4米，为了节省占地面积，可将几个沉降槽叠在一起构成多层沉降槽。2021/7/918连续沉降槽的直径从几米到数十米，高度一般2.5米至4米，为了3.3.2离心沉降离心沉降：依靠离心力的作用而实现的沉降过程。1惯性离心力作用下的沉降速度液体：ρ、μ的液体；球形颗粒：ρs、d、m设颗粒与圆心的距离为r，角速度为ω，切向度为uT

径向向外径向向内径向向内ur——距中心r处的颗粒在径向上相对于流体的运动速度

2021/7/9193.3.2离心沉降ur——距中心r处的颗粒在径向上相对于当Fc、Fb、Fd三力达到平衡，有说明：1、ur与旋转半径R有关2、ur方向向下3、衡量离心分离性能的指标离心分离因数：2021/7/920当Fc、Fb、Fd三力达到平衡，有说明：1、ur与旋转半Kc是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比。例如旋转半径R=0.4m，切向速度为uT=20m/s，分离因数为表明颗粒在上述条件下的离心沉降速度是重力沉降速度的102倍离心沉降一般处理直径小于50μm的颗粒。

Kc<3000（一般为600~1200）常速离心机Kc=3000~50000高速离心机Kc>50000超高速离心机最新式的离心机其Kc值可高达500000以上，用来分离胶体物料及破坏乳状液。2021/7/921Kc是粒子所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比。例2旋风分离器的操作原理旋风分离器：利用惯性离心力作用，净制气体的设备.结构与操作原理结构：各部分尺寸均与圆筒直径成比例。操作原理外旋流：下行的螺旋形气流。外旋流的上部是主要除尘区内旋流：上行的螺旋形气流。内、外旋流气体的旋转方向相同。旋风分离器应用：用于除去5μm以上的颗粒。2021/7/9222旋风分离器的操作原理结构与操作原理2021/7/9222021/7/9232021/7/923操作特点：①入口速度15～20m/s②除去直径5μm以上的颗粒，200μm以上的用重力沉降法除去，（减少器壁的磨损），③不适用于处理粘性大、含湿量高、腐蚀性较强的粉尘。3旋风分离器的性能1）临界粒径临界粒径即是指理论上能够完全被旋风分离器分离下来的最小颗粒直径。临界粒径越小，旋风分离器的分离性能越好。2）压力降气体通过旋风分离器而引起的磨擦损失称为气体通过旋风分离器的压力降。

2021/7/924操作特点：2021/7/9243）分离效率旋风分离器的分离效率有两种表示方法，一是总效率，以ηo表示；二是粒级效率，以ηi表示。P157总效率是指进入旋风分离器的全部颗粒中被分离下来的颗粒的质量分率

粒级效率是指进入旋风分离器的直径为di的颗粒被分离下来的颗粒的质量分率

4旋液分离器

旋液分离器又称水力旋流器，是利用离心沉降原理从悬浮液中分离固体颗粒的设备，它的结构与操作原理与旋风分离器类似。2021/7/9253）分离效率2021/7/9253.4过滤3.4.1过滤操作的基本概念过滤：以某种多孔性物质为介质，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，从而实现悬浮液中固液分离的操作。过滤介质：过滤操作采用的多孔物质滤浆或料浆：所处理的悬浮液滤液：通过介质孔道的液体滤饼或滤渣：被介质截留的固体颗粒层2021/7/9263.4过滤2021/7/9261.过滤方式过滤可分为饼层过滤（也称表面过滤）和深床过滤。饼层过滤：悬浮液置于过滤介质的一侧，过滤介质常采用的是多孔性织物，

会发生“架桥”现象

滤饼是有效的过滤介质深床过滤：采用砂子等堆积介质作为过滤介质颗粒靠静电与表面力附着其上。深床过滤常用于颗粒浓度小（体积分率<0.1%）的场合。

2.过滤介质过滤介质：滤饼的支承物，有足够的机械强度，稳定的物理化学性质，相应的耐腐蚀性和耐热性。（1）织物介质（2）堆积介质（3）多孔固体介质2021/7/9271.过滤方式2021/7/9273.滤饼的压缩性和助滤剂不可压缩性滤饼：悬浮液中的颗粒具有一定的刚性，所形成的滤饼不受操作压差的增大而变形。可压缩性滤饼：悬浮液中颗粒比较软，所形成的滤饼在压差的作用下变形，使滤饼中流动通道变小，阻力增大。助滤剂：是一些不可压缩的粒状或纤维状固体。助滤剂的作用：改变滤饼结构，提高刚性，增加空隙，减少流动阻力。加入助滤剂方法，（1)用助滤剂配成悬浮液，在正式过滤前用它进行过滤。（2）将助滤剂混在滤浆中一起过滤。2021/7/9283.滤饼的压缩性和助滤剂2021/7/9284.过滤过程的推动力过滤过程的推动力可以是重力、离心力或压力差。重力过滤：依靠重力为推动力的过滤称为重力过滤。过滤速度慢，仅适用于小规模、大颗粒、含量少的悬浮液。离心过滤：以离心力作为推动力。过滤速度快，但设备投资、动力消耗相对较大，多用于颗粒浓度高的悬浮液。压差过滤：人为地在滤饼上游和滤液出口间造成压力差，并以此压力差为推动力减压过滤（真空过滤）加压过滤过滤操作周期：过滤、洗涤、卸渣、复原等基本环节组成。2021/7/9294.过滤过程的推动力2021/7/9293.4.2过滤基本方程式过滤速率：单位时间内获得的滤液体积，m3/s。dV/d

过滤速度：单位时间内单位过滤面积上获得的滤液体积，m/s。dV/Ad

过滤基本方程式：描述滤液量V随着过滤时间

的变化关系，用来计算一定过滤时间所获得滤液或滤饼量。

过滤操作特点：滤饼厚度↑，阻力↑若ΔP=constdV/d

↓。如果使dV/d

=const，ΔP必须↑以克服逐渐增大的过滤阻力。

过滤推动力就是压力差ΔP=ΔPc+ΔPm2021/7/9303.4.2过滤基本方程式过滤操作特点：滤饼厚度↑，阻力↑2r——比例系数，称为滤饼的比阻，1/m2；其大小随着滤浆的性质、操作条件等而改变，反映了滤饼的结构特征，一般由实验测定。v——滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3/m3。Ve——过滤介质当量滤液体积，或称虚拟滤液体积，m3

3.4.3恒压过滤1．恒压过滤方程式ΔP＝const，随着滤饼的增厚，过滤阻力↑，过滤速率↓

——过滤基本方程式s：压缩指数不可压缩滤饼s=0可压缩滤饼s≠0(0-1)2021/7/931——过滤基本方程式s：压缩指数不可压缩滤饼s=0对于一定的悬浮液，若滤饼不可压缩，＝const

过滤时间滤液体积

2021/7/932对于一定的悬浮液，若滤饼不可压缩，①②③④⑤⑥称为恒压过滤方程式，它表明恒压过滤时滤液体积与过滤时间的关系为抛物线方程。过滤常数：

e（s）：当量过滤时间Ve（m3）：当量滤液量qe（m3/m2）：当量滤液量

K（m2/s）：过滤常数①②③④⑤⑥2021/7/933①②③④⑤⑥称为恒压过滤方程式，它表明恒压过滤时滤液体积与例3-3

实验室用叶滤机对某种悬浮液进行恒压过滤，已测得过滤面积为0.2m2，操作压差为0.15MPa。现测得，当过滤进行到10min时，共得到滤液0.002m3，又过滤10min，再得到滤液0.001m3。试求：（1）恒压过滤的基本方程式；（2）再过滤10min，又能得到多少m3的滤液？2021/7/9342021/7/934

3.4.5过滤常数测定1、过滤常数

e、Ve、qe、K实验测定在小型实验设备上，在相同条件下，用一种物料进行测定，这样，就可以应用到工业过滤过程的计算。

2021/7/9352021/7/935问题：Δp与过滤常数K的关系不可压缩滤饼可压缩滤饼：2、实验测s2021/7/936问题：Δp与过滤常数K的关系不可压缩滤饼可压缩滤饼：3.4.6过滤设备按操作方式：连续式和间歇式两大类按照产生压差的方式不同：压滤机、吸滤机、离心过滤机。1.板框压滤机由多块带有凸凹纹路的滤板和滤框交替排列而成，用支架架在横梁上，用压紧装置压紧。过滤板为一钮，框为二钮，洗涤板为三钮。明流：若滤液经由每块滤板底部侧管直接排出暗流：将各板流出的滤液汇集于总管排出2021/7/9373.4.6过滤设备2021/7/937过滤时，滤浆在操作压力下由滤浆通道由滤框角端的暗孔进入框内滤液分别横穿过2021/7/938过滤时，滤浆在操作压力下由滤浆通道由滤框角端的暗孔进入框内滤如果滤饼需要洗涤，将洗涤水压入到洗水通道，经由洗涤板角端的暗孔进入板面与滤布之间。P1792021/7/939如果滤饼需要洗涤，将洗涤水压入到洗水通道，经由洗涤板角端的暗主要部件：滤框、滤板--洗涤板37

排列方式：滤板和滤框交替排列，个数可调。

操作方式：间歇操作

操作周期：装合→过滤→洗涤→卸渣→整理

洗涤方式：横穿洗涤法优点：操作灵活，过滤面积大，可承受较大压力；

缺点：劳动强度大，操作不连续。2021/7/940主要部件：滤框、滤板--洗涤板372.加压叶滤机

叶滤机属于间歇式过滤机。由长方形或圆形的滤叶组成。滤叶由金属丝网制成，覆以滤布，插入盛滤浆的密闭机壳内，以便进行加压过滤。洗涤：洗涤时洗涤水所通过的路径与过滤时滤液的路径相同。洗涤后打开机壳上盖，拔出滤叶卸除滤饼。滤浆2021/7/9412.加压叶滤机滤浆2021/7/941主要部件：机壳，滤叶

操作方式：间歇操作

操作周期：过滤→洗涤→卸渣

洗涤方式：置换法

3转筒真空过滤机P1801、结构和工作原理主要部件