第三章非均相物系的分离

1、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。 (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。,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(不同)机械方法 沉降、过滤。

2、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。 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）,3 非均相混合物分离的目的： 回收分散物质（气流干燥器，催化反应器） 净制分散介质（催化反应保证催化剂的活性） 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,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。,s颗粒的球形度，无因次； S与

3、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，s=1。颗粒形状与球形的差异越大，球形度s越小。,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,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

4、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),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。, 层流区或斯托克斯区, 过渡区或艾伦区, 湍流区或牛顿区,2） 阻力系数,（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。,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

5、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3-2,4）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1.013105Pa，试求直径为30m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 =

6、1.165kg/m3；粘度 =1.8610-5Pas 假设沉降处于层流区,校核,与假设相符，计算结果有效,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75m的颗粒。,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。,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

7、干扰颗粒沉降,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2650 kg/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1.9110-5PaS。,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2000 m3，气体的密度为1.6kg/m3（均标况），气体温度为400，压力为101.3k

8、Pa，此时粘度为310-5Pas，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6m颗粒的百分率。P151例3-3 2） 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。,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。,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

9、沉降速度 液体：、的液体；球形颗粒：s 、d 、m 设颗粒与圆心的距离为r，角速度为，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,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：,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50m的颗粒。 Kc 50000 超高速离心机 最新式的离心机其Kc值可高

10、达500000以上，用来分离胶体物料及破坏乳状液。,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5m以上的颗粒。,操作特点： 入口速度1520m/s 除去直径5m以上的颗粒，200m以上的用重力沉降法除去，（减少器壁的磨损）， 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

11、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。,3）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o表示；二是粒级效率，以i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。,3.4 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

12、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,1. 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

13、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,3. 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。,4. 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

14、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。,3.4.2 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。,

15、过滤操作特点：滤饼厚度，阻力 若P=const dV/d 。 如果使dV/d =const ， P必须 以克服逐渐增大的过滤阻力。 过滤推动力就是压力差 P=Pc+Pm,r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 Pconst，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 s0 (0-1),对于一定的悬浮液，若滤饼不可压缩， co

16、nst 过滤时间 滤液体积, 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, , ,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？,3.4.5 过滤常数测定 1、过滤常数e、Ve、qe、K实

17、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。,问题：p 与过滤常数 K 的关系,不可压缩滤饼,可压缩滤饼：,2、实验测 s,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,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,如果滤饼需要洗涤，将

18、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。,P179,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。,2. 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,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 P180 1、结构和工作原理 主要部件：水平转筒、分配头 操作方式