《化工单元过程及设备的选择与操作》-项目3：非均相物系分离

化工单元过程及设备的选择与操作课程组"均相物系分离方

案及设备的选择与操

作气态非均相物系的分离任务一 气态非均相物系的分离方法和设备的选择气态分离操作的主要目的是：1、净制气体，以满足后续生产工艺的要求；2、回收生产中有价值的物料，例如贵重的固体催化剂等；3、环境保护和安全生产。很多含碳物质及金属的细粉与空气形成爆炸物，必须除去这些物质，消除爆炸的危险。由于生产中气体的处理量、粒子大小与特性、允许的压强降以及要求达到的分离效率等都并不相同，因此分离方法和设备必然有差异。任务中主要涉及到矿尘的清除，要正确选用合适的分离方法、设备、正确操作方法等。先了解一下常见的气-固相分离方法和设备。

一、气-固分离方法和设备的认识 目前，气-固分离设备的种类繁多根据在除尘过程中是否采用液体除尘和清水，可分为干式和湿式气-固分离设备两大类。按捕集粉尘的机理不同，可将各种气-固分离设备分为机械式气-固分离设备(机械力)、过滤式气-固分离设备、洗涤式除尘器和静电气-固分离设备(静电力)四类。机械式气-固分离设备是一类利用重力、惯性力或者离心力的作用将尘粒从气体中分离的装置。这类气-固分离设备主要包括重力分离设备、惯性分离设备和旋风分离器。这类气-固分离设备的特点是结构简单、造价比较低、维护管理方便、耐高温湿烟气、耐腐蚀性气体。对粒径在5µm以下的尘粒去除率较低。当气体含尘浓度高时，这类气-固分离设备往往用作多级除尘系统中的前级预除尘，以减轻二级除尘的负荷。(一）机械式气-固分离设备1、重力沉降式气-固分离设备结构和原理重力气-固分离设备又称重力沉降室，它是利用尘粒与气体的密度不同，通过重力作用使尘粒从气流中自然沉降分离的除尘设备。最简单的设备形式有降尘气道如图2-1所示。降尘气道具有相当大的横截面积和一定的长度。当含尘气体进入气道后，其流通面积增大，流速降低，使得灰尘在气体离开气道以前，有足够的停留时间沉到室底而被除去。分离条件：含尘气体从降尘室入口到出口所需的停留时间等于或大于尘粒从降尘室的顶部沉降到底部所需的沉降时间，尘粒即可被分离出来

。降尘室的长为L、高为H、宽为b（单位均为m）。气体通过降尘室所用的速度U，颗粒沉降速速为U

t降尘室的生产能力，即：所能处理含尘气体的体积流量Vs

。结论：降尘室的生产能力仅与其沉降速度ut和降尘室的沉降面积A有关，而与降尘室的高度无关。因此也可将降尘室做成多层。Vs

utLb

ut

A图2-3

多层降尘室1—隔板；2—调节闸阀；3—气体分配道；4—气体集聚道；5—气道；6—清灰口重力沉降室具有结构简单，造价低，维护管理方便、阻力小(一般约为50～150Pa)等优点，一般作为第一级或预处理设备。重力沉降室的主要缺点是体积庞大，除尘效率低(一般只有40％一70％)，清灰麻烦。鉴于以上特点，重力沉降室主要用以净化那些密度大，颗粒粗的粉尘，特别是磨损性很强的粉尘，它能有效地捕集50μm以上的尘粒，但不宜掳集20μm以下的尘粒。2、惯性气-固分离设备惯性除尘器是使利用惯性力的作用使尘粒从气流中分离出来的除尘装置。如利用含尘气体与挡板撞击或者急剧改变气流方向分离并捕集粉尘。（1）惯性除尘器的除尘机理粒径：d2＜

d1惯性除尘器的除尘是惯性力、离心力和重力共同作用的结果图2-6惯性除尘器分离机理示意图惯性除尘器有碰撞式和反转式两类。碰撞式除尘器：是在气流流动的通道内增设挡板构成的，当含尘气流流经挡板时，尘粒借助惯性力撞击在挡板上，失去动能后的尘粒在重力作用下沿挡板下落，进入灰斗中。图2-7

碰撞式惯性除尘器（2）惯性除尘器的分类又分为弯管型、百叶窗型和多层隔板塔型三种。采用内部构件使气流急剧折转，利用气体和尘粒在折转时所受惯性力的不同，使尘粒在折转处从气流中分离出来。图2-8反转式惯性除尘器反转式除尘器结构较简单除尘效率由于重力沉降室，但由于气流方向转变次数有限，净化效率也不高，多用于一级除尘或者高效除尘的前级除尘。惯性除尘器适应于捕集粒径在10～20μm以上的金属或者矿物性粉尘，压力损失为100～1000Pa。对于粘结性和纤维性的粉尘，因易堵塞，故不宜采用。（3）惯性除尘器的结构特点和应用3、旋风分离设备旋风分离器是利用惯性离心力作用来分离气体中的尘粒或液滴的设备。操作原理气体沿切向进入，做双层旋转，由上向下——外旋流，

由下向上——内旋流。在旋转中，由于颗粒先得到离心力较气体大，先碰到器壁，由于碰撞和摩擦的作用，丧失动能，掉落于灰斗。1210CC

C

C1──进口气含尘浓度，g/m3C2──出口气含尘浓度，g/m3（2）旋风分离器的分离性能①临界直径临界直径是旋风分离器能够100%除去的最小粒径，用dc表示。②分离效率旋风分离器的分离效率可用到下两种方法表示：Ⅰ总效率（η0）：指旋风分离器的全部颗粒中能被分离下来的颗粒量，以质量分率表示2

1 i1i ip

icc

c

Ci1──进口某i粒径浓度，g/m3Ci2──出口某i粒径浓度浓度，g/m32

u

2

p

i ③旋风分离器的压力损失产生原因：a

、进气管、排气管摩擦阻力b

、筒体阻力c

、旋转动能损失大小：标准旋风分离器：ΔP=500~2000Pa，ξ=80，进口气速ui=10~25m/sⅡ

粒级效率（ηP）：指按颗粒的各种粒度分别表示其被分离下来的量，也以质量分率表示为了提高除尘效率或增大处理气体量，往往将多个旋风气-固分离设备串联或并联使用。串联组合：目的是提高气-固分离设备的除尘效率对后段气-固分离设备的性能要求愈高，所以需要效率不同的旋风器串联使用。图2-16

三级串联式旋风除尘器④组合式多管旋风气-固分离设备目的是增大气体处理量，但在处理量相同的情况下，以多个小直径的气-固分离设备代替大直径的旋风气-固分离设备可以提高效率。常用相同直径的旋风器并联组合。组合方式有双筒并联、单支多筒、双支多筒（如图2-17）和多筒环形组合等几种。图2-17双支多筒并联组合多管式旋风分离器并联使用（二）过滤式气-固分离设备过滤除尘器是使含尘气体通过滤材料或者滤层，将粉尘分离和捕集的设备。过滤式除尘器主要有两类1、袋式除尘器的除尘原理袋式防尘器是利用纤维织物的过滤作用将含尘气体中的尘粒阻留在滤袋上，从而使颗粒物从废气中分离出来。除尘原理如图2-18所示。图-18

袋式除尘器除尘原理示意图原理：利用颗粒状物料(如硅石、砾石、焦炭等)作为填料层的一种内滤式除尘.性能:床层颗粒粒径床层厚度过滤风速2、颗粒层除尘器的除尘原理

（三）静电气-固分离设备 分离原理使含尘或含雾滴的气体通过高压直流电场时，发生电离，产生的离子碰撞并附在尘粒或雾滴上，使之带正、负电荷。带电的尘粒或雾滴在电场的作用下，向着与其电性相反的方向运动，到达电极后即被中和而恢复中性，则被分离下来。分类静电除尘器按集尘极形式不同，通常分为板式静电除尘器和管式静电除尘器。图2-20

立式平板电除尘器立式管式电除尘器优点：①适用于微粒控制，对粒径1～2μm的尘粒，效率可达98％～99％；②在电除尘器内，尘粒从气流中分离的能量，不是供给气流，而是直接供给尘粒的，因此，和其它的高效除尘器相比。电除尘器的阻力较低，仅为100—200Pa；③可以处理高温（在400℃以下）的气体，④适用于大型的工程，处理的气体量愈大，它的经济效果愈明显。静电除尘器的应用缺点：①设备庞大，占地面积大；②耗用钢材多，一次投资大；③结构较复杂，制造、安装的精度要求高；④对粉尘的比电阻有一定要求。目前电除尘器已广泛应用于火力发电、冶金、化学和水泥等工业部门的烟气除尘和物料回收。静电除尘器的应用

（四）洗涤式气-固分离设备 原理含尘气体与液体密切接触，利用液网、液膜和液滴来捕集尘粒或使粒径增大的装置，并兼备吸收有害气体的作用。也可以称为湿式除尘器。分类低能洗涤式气-固分离设备（如重力喷淋气-固分离设备、水膜气-固分离设备等）、高能气-固分离设备（如文丘里气-固分离设备）。常用的洗涤式气-固分离设备有两种：文丘里气-固分离设备和泡沫气-固分离设备结构：文丘里洗涤器是由文丘里管和旋风分离器组合而成的除尘装置。文丘里管由收缩管、喉管及扩散管三段连接而成。图2-21

文丘里除尘器1、文丘里洗涤器特点：构造简单，操作方便，分离效率高。如气体中所含粒径为0.5～1.5μm时，其除尘效率可达99%，但流体阻力大，一般在26.6～66.6kPa范围之内。应用：文丘里洗涤器是湿法除尘中分离效率最高的一种设备。常用于高温烟气降温和除尘上。2、泡沫除尘器结构外壳是圆形或方形，上下分成两式，中间装有筛板，筛孔直径为2～8mm，开孔率为8～30%。图2-22

泡沫除尘器1—外壳；2—筛板；3—锥形底；4—进液室；5—溢流挡板应用泡沫除尘器的分离效率较高，若气体中所含的微粒大于5μm，分离效率可达99%，而阻力也仅约4～23kPa。但是对设备安装要求严格，特别是筛板是否水平旋放置对操作影响很大。其他的洗涤式气-固分离设备喷淋塔洗涤器、旋风洗涤器、冲击式洗涤器、板式洗涤器和填料床洗涤器等。表2-6常用的气一固分离设备及其性能设备类型分离效率

%压强降

Pa应用范围重力沉降室50～6050～100除大粒子＞75～100µm惯性分离器和一般旋风分离器50～70250～800除较大粒子，下限20～50

µm高效旋风分离器80～901000～1500除一般粒子，10～100

µm袋式分离器95～99800～1500细尘＜1µm静电分离器90～93100～200细尘＜1µm学习情境二 非均相物系分离方案及设备的选择与操作沉降分离液-固分离设备的认识与操作液态非均相物系，其连续相为液体，例如悬浮液、乳浊液以及含有气泡的液体，即泡沫液等。概述化工生产中还经常涉及液态非均相物系的分离。经常采用沉降和过滤的方法。液-固分离设备的认识与操作—

、

沉降式液固分离设备结构图2-25

增稠器1-泥浆进料管；2-变速器7-浆；3—转轴；4-溢流槽；5-稠渣出料管；

6-耙；沉降式液固分离设备主要有基于重力作用的沉降器和基于离心力作用的旋液分离器。（一）沉降器液-固分离设备的认识与操作特点优点：结构简单、操作结处理量大且增稠物的浓度均匀。缺点：设备庞大，占地面积大、分离效率较低等。应用沉降槽适于处理固体微粒不太小，浓度不高，但处理量较大的悬浮液。—

、

沉降式液固分离设备液-固分离设备的认识与操作（二）旋液分离器与旋风分离器相似，

只是液体与颗粒的密度相差较小，

为提高分离的离心力和提高停留的时间，

因此器身做得较细

长，

直径与长度之比通

常比较小图2-26 旋液分离器1—悬浮液进口；2—溢流出口；3—中心溢流管；4—筒体；5—锥体；6—底流出口结构—

、

沉降式液固分离设备液-固分离设备的认识与操作特点优点：较重力沉降设备构造简单，无运动部分，占地面积小，处理能力大，设备费用低，有利于实现工艺连续化、自动化。缺点：圆筒直径小（常见的范围是50～300mm），液体进口速度大（可达到10m/s），故流体阻力很大，磨损也较严重。应用近年来在工业生产上应用日广，旋液分离器往往是很多个串联起来使用，它可以从液流中分出直径为几微米的小微粒，通常是作为分级设备来使用。—

、

沉降式液固分离设备液-固分离设备的认识与操作当悬浮液中的固体颗粒浓度较低且颗粒很小时，可在沉降式离心机中进行分离。图2-27 沉降式离心机示意图1—固体 2—液体—

、

沉降式液固分离设备（三）沉降式离心机原理液-固分离设备的认识与操作1、管式高速离心机结构—

、

沉降式液固分离设备★

内径较小，通常为75～150mm；★

转鼓长度较长，约为150mm；★转速高（转速可达8000～50000r/min），

其离心分离因数可达15000～60000。液-固分离设备的认识与操作工作原理运转可靠、结构简单，能分离普通离心机难以处理的物料，如乳浊液的分离，但与其它高速离心机相比，其容量小、效率低，故不宜处理固相含量高的悬浮液。特点、应用—

、

沉降式液固分离设备料液（悬浮液或乳浊液）由底部进料管进入转鼓内，转鼓上装有三块互成120°的纵向平板，以便带动液体迅速旋转。料液自下而上流动的过程中将轻、重液分成同心环状液层，分别由轻、重相出口排出。如处理的是悬浮液，则只用一个液相出口，而固体颗粒沉降在转鼓壁上，操作一周期后停车取出沉渣。液-固分离设备的认识与操作2、碟式离心机★

碟式离心机的转鼓内装有许多倒锥形碟片，碟片直径一般为0.2～8m，碟片数约为50～100片。★

两个碟片间的间隙很小，

一般为0.25～1.25mm。★

各碟片在两个相同位置上都开有小孔，当各碟片迭起时，可形成几个通道。—

、

沉降式液固分离设备结构液-固分离设备的认识与操作工作原理沉降距离很小，沉降面积较大，故分离效果较好。特点、应用—

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沉降式液固分离设备料液从顶部中心管1加入离心机内，流到底部后再上升，经各碟片小孔形成的孔道，使料液在各碟片间分布或若干薄液层。分离乳浊液时，在离心力作用下重液靠近碟片的内侧，并沿径向往外移动，最后从重液出口3流出；轻液沿碟片外侧向中央移动，由轻液出口4流出。分离悬浮液时，固体颗粒向碟片的内侧沉降，并沿碟片下滑，沉积于转鼓的周边，当累积至一定量时，停机卸出。学习情境二 非均相物系分离方案及设备的选择与操作过 滤液-固分离设备的认识与操作液态非均相物系，其连续相为液体，例如悬浮液、乳浊液以及含有气泡的液体，即泡沫液等。概述化工生产中还经常涉及液态非均相物系的分离。经常采用沉降和过滤的方法。液-固分离设备的认识与操作二、过滤（一）过滤操作的基本原理过滤是将含有固体颗粒的悬浮液在推动力（重力或人为压差）的作用下，使之通过多孔介质（如布、网等），固体颗粒被多孔介质截留，液体则通过，而使悬浮液中的液、固两相得以分离。液-固分离设备的认识与操作1、按过滤机理分2、按过滤操作的推动力分3、按过滤过程的阻力的变化分⑴表面过滤⑴重力过滤⑴恒速过滤⑵深层过滤⑵离心过滤⑵变速过滤⑶加压过滤与真空过滤二、过滤（二）过滤操作的分类液-固分离设备的认识与操作(三) 过滤介质过滤介质的作用：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：天然纤维、化学纤维、玻璃丝、金属丝织成的滤网。多孔性固体介质：多孔性陶瓷板，多孔性塑料板，多孔性金属陶瓷板等，此类介质能截留小至1-3

m的固体颗粒。堆积介质：细沙、石、炭屑等堆积的颗粒床层及非编织纤维玻璃棉等的堆积层。一般用于处理含固体微粒少的悬浮液，如水的净化。二、过滤液-固分离设备的认识与操作（四）

助滤剂助滤剂是一种坚硬且形状不规则的小固体颗粒，加入助滤剂后形成的滤饼不仅结构疏散，而且几乎是不可压缩性的滤饼。助滤剂的使用方法有两种：★一种是将助滤剂加入待过滤的悬浮液中一起过滤，这样所得到的滤饼较疏松，压缩性小，孔隙率增大。但应注意的是，若过滤的目的是回收固体颗粒（即滤饼是产品），则这种方法不宜使用。★另一种使用方法是将其配成悬浮液，先预涂在过滤介质表面上形成一层助滤剂滤饼层，然后再进行悬浮液的过滤，这样可以防止细小的颗粒将滤布孔道堵死。二、过滤液-固分离设备的认识与操作二、过滤（五）几个概念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。液-固分离设备的认识与操作二、过滤（五）几个概念滤饼的可压缩性不可压缩滤饼：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。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。滤饼的洗涤目的：回收滤液或得到较纯净的固体颗粒过滤基本参数处理量、生产能力、生产率、过滤面积、悬浮液固相浓度、滤饼含液量、滤饼与滤液的体积比、过滤速率。学习情境二 非均相物系分离方案及设备的选择与操作常见过滤设备液-固分离设备的认识与操作常见的过滤设备1、板框压滤机（1）板框压滤机结构和应用的认识图1

板框压滤机的装置简图（a）板框压滤机的装置情况液-固分离设备的认识与操作常见的过滤设备（b）板框压滤机的滤板与滤框1—滤板 2—滤框 3—洗涤板板上没有洗涤液通道的，称为滤板，以一扭为记；另一种是板上开有洗涤液通道的，称为洗涤板，以三扭为记。滤框以二扭为记。板框过滤机组合时，一般将板、框按123212321……顺序安装。液-固分离设备的认识与操作常见的过滤设备液-固分离设备的认识与操作常见的过滤设备2、叶滤机结构主要由一个垂直放置或水平放置的密闭圆柱滤槽和由许多滤叶组成2-36（a）垂直放置的加压圆形滤叶过滤机液-固分离设备的认识与操作常见的过滤设备2、叶滤机结构主要由一个垂直放置或水平放置的密闭圆柱滤槽和由许多滤叶组成（b）水平放置的卧式圆形滤叶过滤机液-固分离设备的认识与操作常见的过滤设备原理过滤：悬浮液在压力下加入机壳内。滤浆被压入壳体内时，滤液即穿过滤布，通过金属网的孔道流到出口短管，滤渣则集积于滤布上形成滤饼。洗涤：过滤完了时通入洗液，洗液的路径与滤液的相同。卸除滤饼：洗涤过后，开启滤槽的下半部，用压缩空气、蒸气或清水卸除滤饼。液-固分离设备的认识与操作特点优点：过滤推动力大，单位地面所容的过滤面积大，滤饼洗涤充分等。操作中劳动强度较板框压滤机为轻，由于其密闭操作，也改善了操作环境。缺点：构造较为复杂，造价较高，特别是滤浆中大小不一的滤渣微粒，在过滤时，可能分别集积在不同的高度，在洗涤时，大部分洗涤液由粗大颗粒外通过，以致使洗涤不易均匀。应用主要用于悬浮液含固体量少（约为1%）和需