11 第三章 非均相物系的分離 2

1、2021-6-121 學(xué)習(xí)回顧 傳熱: 傳熱機(jī)理 三種傳熱方式 傳熱過程的計(jì)算 換熱器 2021-6-122 第三章 非均相物系的分離 3.1 概述概述 ( (1 1) ). .收集分散物質(zhì)收集分散物質(zhì)( (回收有用物質(zhì)回收有用物質(zhì)) ) 如從氣流干燥器排出尾氣中回收帶出的固體顆粒作為如從氣流干燥器排出尾氣中回收帶出的固體顆粒作為 產(chǎn)品，或者從某些排污中回收帶走的液體等。產(chǎn)品，或者從某些排污中回收帶走的液體等。 ( (2 2) ). .凈化分散介質(zhì)凈化分散介質(zhì)( (凈化物料凈化物料) ) 如除去渾濁液中的固相雜質(zhì)而使其成為清液，或者使如除去渾濁液中的固相雜質(zhì)而使其成為清液，或者使 壓縮后氣體中

2、的油滴分離而凈化氣體等。壓縮后氣體中的油滴分離而凈化氣體等。 ( (3 3) ). .環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)( (環(huán)境保護(hù)的需要環(huán)境保護(hù)的需要) ) 象煙道氣的排放、廢液的排放都要求其含固量達(dá)到一象煙道氣的排放、廢液的排放都要求其含固量達(dá)到一 定標(biāo)準(zhǔn)，以防止對(duì)大氣、河海等環(huán)境污染。定標(biāo)準(zhǔn)，以防止對(duì)大氣、河海等環(huán)境污染。 混合物的分類混合物的分類 均相物系：物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而不存在相界面的混合物系。均相物系：物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻而不存在相界面的混合物系。 非均相物系：物系內(nèi)部有明顯的相界面存在而界面兩側(cè)物料的性質(zhì)不同非均相物系：物系內(nèi)部有明顯的相界面存在而界面兩側(cè)物料的

3、性質(zhì)不同 的混合物系。的混合物系。 非均相機(jī)械分離過程涉及固體顆粒非均相機(jī)械分離過程涉及固體顆粒, ,可以把固體看成球形可以把固體看成球形. . 流體對(duì)固體顆粒的繞行流體對(duì)固體顆粒的繞行: : 固體靜止固體靜止, ,流體動(dòng)流體動(dòng); ;流體靜止流體靜止, ,固體沉降固體沉降; ;或相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng). . 2021-6-125 懸浮液的形成: 第一,在前置生產(chǎn)工序前因工藝要求加入固 體顆粒; 第二,在前置生產(chǎn)工序中從液相中析出固體 產(chǎn)品或因反應(yīng)生成固體及固體雜質(zhì). 生產(chǎn)中液固分離有不同的目的:得到含液量 比較少的固體產(chǎn)品即低液體損失率,或得到 含固體顆粒比較少的清液,即低的固體損失 率. 202

4、1-6-126 顆粒和顆粒床層特性簡述 亦稱球形度，用于表征顆粒的形狀與球形的差異程度。亦稱球形度，用于表征顆粒的形狀與球形的差異程度。 定義：體積與實(shí)際顆粒相等時(shí)球形顆粒表面積與實(shí)際顆粒定義：體積與實(shí)際顆粒相等時(shí)球形顆粒表面積與實(shí)際顆粒 的表面積之比，即：的表面積之比，即： 空隙率空隙率：單位體積床層中的空隙體積，：單位體積床層中的空隙體積，m m3 3/m/m3 3， p S S 床層體積 顆粒所占體積床層體積 床層體積 空隙體積 2021-6-127 以液相加氫為例 含有催化劑的物料:催化劑要回收,循環(huán)使用;料液 進(jìn)入下一步反映. 顆粒大小對(duì)分離的難易程度的影響: 根據(jù)需要控制粒度大小.

5、 3.2 沉降分離 3.2.1 沉降概述 沉降是指在某種力的作用下，固粒相對(duì)于流體產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的沉降是指在某種力的作用下，固粒相對(duì)于流體產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)分離的 操作過程。其依據(jù)是利用兩相間密度的差異，受力時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度不同從而操作過程。其依據(jù)是利用兩相間密度的差異，受力時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度不同從而 發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行沉降操作的作用力可以是重力，也可以是慣性離心力，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行沉降操作的作用力可以是重力，也可以是慣性離心力， 故沉降分為重力沉降和離心沉降。衡量沉降進(jìn)行的快慢程度通常用沉降速故沉降分為重力沉降和離心沉降。衡量沉降進(jìn)行的快慢程度通常用沉降速 度來表示。度來表示。 3.3.2

6、2. .2 2 沉降速度沉降速度 自由沉降：發(fā)生在稀疏顆粒的流體中自由沉降：發(fā)生在稀疏顆粒的流體中 干擾沉降：多發(fā)生在液態(tài)非均相物系中，沉降速度低。干擾沉降：多發(fā)生在液態(tài)非均相物系中，沉降速度低。 以下討論自由沉降過程。以下討論自由沉降過程。 壓縮沉降壓縮沉降: : 2021-6-129 3.2.3 3.2.3 自由沉降自由沉降 沉降的加速階段沉降的加速階段 沉降的恒速階段沉降的恒速階段 速度加大速度加大, ,阻力也變大阻力也變大, ,阻力變大加速度變阻力變大加速度變 小小, ,小到為小到為0 0即是恒速階段即是恒速階段. . 沉降速度沉降速度u ut t-終端速度終端速度 ) 2 (Re R

7、e ) 2 ( p p p D f du u AF 用前式計(jì)算沉降速度時(shí)，需先確定阻力系數(shù)用前式計(jì)算沉降速度時(shí)，需先確定阻力系數(shù)值。通過因次分析，值。通過因次分析， 是顆粒形狀、顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)雷諾數(shù)是顆粒形狀、顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)雷諾數(shù)ReRet t=du=dut t/的函數(shù)，由實(shí)的函數(shù)，由實(shí) 驗(yàn)測得的綜合結(jié)果在下圖中示出。驗(yàn)測得的綜合結(jié)果在下圖中示出。 對(duì)于球形顆粒的曲線，從圖可看出，按對(duì)于球形顆粒的曲線，從圖可看出，按ReRet t值大致分為三個(gè)區(qū)，各區(qū)值大致分為三個(gè)區(qū)，各區(qū) 內(nèi)曲線所對(duì)應(yīng)的內(nèi)曲線所對(duì)應(yīng)的可分別用相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式表示?？煞謩e用相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式表示。 1.1.滯流區(qū)滯流區(qū)(

8、 (斯托克斯定律區(qū)斯托克斯定律區(qū)) 10) 10-4 -4 Re Ret t 2 2 t Re 24 2.2.過渡區(qū)過渡區(qū)( (艾倫定律區(qū)艾倫定律區(qū)) 1) 1ReRet t10103 3 6 . 0 t Re 5 .18 3.3.湍流區(qū)湍流區(qū)( (牛頓定律區(qū)牛頓定律區(qū)) 10) 103 3 ReRet t22m)d2m) 適用條件適用條件(1)(1)顆粒靜止，流體運(yùn)動(dòng)顆粒靜止，流體運(yùn)動(dòng) (2) (2)顆粒運(yùn)動(dòng)，流體靜止顆粒運(yùn)動(dòng)，流體靜止 (3) (3)顆粒流體作相反方向運(yùn)動(dòng)顆粒流體作相反方向運(yùn)動(dòng) (4) (4)顆粒、流體作相同方向運(yùn)動(dòng)，但速度不同顆粒、流體作相同方向運(yùn)動(dòng)，但速度不同 2021

9、-6-1215 例3-1,3-2見教材111頁 斯托克斯定律的含義:FD=3dpu 臨界直徑：臨界直徑：指理論上能夠完全分離出來的指理論上能夠完全分離出來的 最小顆粒直徑最小顆粒直徑. . 2021-6-1216 3.2.4 干擾沉降 顆粒群的運(yùn)動(dòng); 干擾沉降的成因; 干擾沉降的速度. 3.2.5 重力沉降設(shè)備 重力沉降是最簡單的沉降分離方法，它既可用于分離氣重力沉降是最簡單的沉降分離方法，它既可用于分離氣 固非均相物系，也可用于分離液固非均相物系；既可用于將混固非均相物系，也可用于分離液固非均相物系；既可用于將混 合物系中的顆粒與流體分開，也可用來使不同大小或密度不同合物系中的顆粒與流體分開

10、，也可用來使不同大小或密度不同 的顆粒分開。依據(jù)重力沉降原理進(jìn)行操作的裝置稱為重力沉降的顆粒分開。依據(jù)重力沉降原理進(jìn)行操作的裝置稱為重力沉降 設(shè)備設(shè)備. 1).1). 降塵室降塵室 利用重力沉降從氣流中分離利用重力沉降從氣流中分離 出塵粒的設(shè)備稱為降塵室，常見出塵粒的設(shè)備稱為降塵室，常見 的如圖所示。的如圖所示。 操作原理：操作原理：含塵氣體進(jìn)入降塵室后，因流動(dòng)截面積的擴(kuò)大而含塵氣體進(jìn)入降塵室后，因流動(dòng)截面積的擴(kuò)大而 使顆粒與氣體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，顆粒向室底作沉降運(yùn)動(dòng)。只要在使顆粒與氣體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，顆粒向室底作沉降運(yùn)動(dòng)。只要在 氣流通過降塵室的時(shí)間內(nèi)顆粒能夠降至室底，塵粒便可從氣流中氣流通過

11、降塵室的時(shí)間內(nèi)顆粒能夠降至室底，塵粒便可從氣流中 分離出來。分離出來。 ut u S q HA 流動(dòng)通過設(shè)備的流量 設(shè)備內(nèi)的流動(dòng)容積 顆粒降至室底所需時(shí)間為顆粒降至室底所需時(shí)間為t t： 當(dāng)當(dāng)t t時(shí)，塵粒便從氣流中分離出來，即有：時(shí)，塵粒便從氣流中分離出來，即有： H/u H/ut tlbH/lbH/q qv v q qv vuut tlb lb t t u H 降塵室一般為矩形方體設(shè)降塵室一般為矩形方體設(shè) 備，其長、寬和高分別用備，其長、寬和高分別用l l、b b、 H H表示，兩端分別為含塵氣體進(jìn)表示，兩端分別為含塵氣體進(jìn) 口和凈化氣出口，氣體流量為口和凈化氣出口，氣體流量為 Vs,mV

12、s,m3 3/s/s。 設(shè)氣體通過降塵室的時(shí)間為設(shè)氣體通過降塵室的時(shí)間為： 球形顆粒沉降速度的計(jì)算 假設(shè)沉降處在滯流區(qū)，則選用假設(shè)沉降處在滯流區(qū)，則選用StokesStokes公式：公式： 例例3-33-3見見113113頁頁 18 )( u 2 min t gd s 增稠器 利用重力沉降從懸浮液中利用重力沉降從懸浮液中 分離固相的設(shè)備稱為分離固相的設(shè)備稱為增稠器增稠器，它，它 可從懸浮液中分出清液而得到稠可從懸浮液中分出清液而得到稠 厚的沉渣，又稱為增稠器。按操厚的沉渣，又稱為增稠器。按操 作方式分為間歇式和連續(xù)式，一作方式分為間歇式和連續(xù)式，一 般化工生產(chǎn)中均采用連續(xù)般化工生產(chǎn)中均采用連續(xù)

13、增稠器增稠器。 連續(xù)沉降槽是底部略成錐狀的大直徑淺槽，連續(xù)沉降槽是底部略成錐狀的大直徑淺槽，如圖如圖。懸浮液經(jīng)中央進(jìn)料管送到液面。懸浮液經(jīng)中央進(jìn)料管送到液面 以下以下0.30.31.01.0m m處，分散到槽的整個(gè)橫截面上。因截面積的擴(kuò)大顆粒下沉，清液向上處，分散到槽的整個(gè)橫截面上。因截面積的擴(kuò)大顆粒下沉，清液向上 流動(dòng)，經(jīng)由槽頂四周設(shè)置的溢流堰排出，沉到槽底的沉渣由緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)的耙撥向底部中流動(dòng)，經(jīng)由槽頂四周設(shè)置的溢流堰排出，沉到槽底的沉渣由緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)的耙撥向底部中 心的排渣口排出。連續(xù)沉降槽的操作屬于穩(wěn)定操作狀態(tài)，上部為清液區(qū)，下部為增稠心的排渣口排出。連續(xù)沉降槽的操作屬于穩(wěn)定操作狀態(tài)，上部為清

14、液區(qū)，下部為增稠 區(qū)，增稠區(qū)內(nèi)顆粒的濃度自上而下逐步增高，而且各部位區(qū)內(nèi)的粒子濃度、沉降速度區(qū)，增稠區(qū)內(nèi)顆粒的濃度自上而下逐步增高，而且各部位區(qū)內(nèi)的粒子濃度、沉降速度 等不隨時(shí)間而變化。等不隨時(shí)間而變化。 連續(xù)沉降槽直徑大，大者可達(dá)百米以上，高度為連續(xù)沉降槽直徑大，大者可達(dá)百米以上，高度為2 24 4米。米。 為節(jié)省占地面積，有時(shí)將數(shù)個(gè)沉降槽疊在一起構(gòu)成多層沉降槽，為節(jié)省占地面積，有時(shí)將數(shù)個(gè)沉降槽疊在一起構(gòu)成多層沉降槽， 共用一根共同的軸帶動(dòng)各槽的耙。耙的轉(zhuǎn)速很低，一般在共用一根共同的軸帶動(dòng)各槽的耙。耙的轉(zhuǎn)速很低，一般在 0.10.11rpm1rpm之內(nèi)，以防將已沉積的固粒重新攪起。之內(nèi)，以防

15、將已沉積的固粒重新攪起。 連續(xù)沉降槽適于處理量大而顆粒濃度不高的懸浮液，對(duì)于連續(xù)沉降槽適于處理量大而顆粒濃度不高的懸浮液，對(duì)于 顆粒細(xì)微的料漿，常需加入高分子量的絮凝劑，使細(xì)粒之間發(fā)顆粒細(xì)微的料漿，常需加入高分子量的絮凝劑，使細(xì)粒之間發(fā) 生凝聚而促進(jìn)沉降作用，以提高其生產(chǎn)能力和得到符合要求的生凝聚而促進(jìn)沉降作用，以提高其生產(chǎn)能力和得到符合要求的 清液，其底部排出的沉渣還含有約清液，其底部排出的沉渣還含有約50%50%的液體。的液體。 2021-6-1222 分級(jí)器 利用重力沉降可將懸浮液中不同粒度的顆 粒進(jìn)行粗略的分離,或?qū)煞N密度不同密度 的顆粒進(jìn)行分類,這樣的過程稱為分級(jí).實(shí)現(xiàn) 分級(jí)操作的

16、設(shè)備稱為分級(jí)器. 2021-6-1223 2 2 分級(jí)器分級(jí)器 利用重力沉降可將懸浮液中不同粒度的顆粒進(jìn)行粗略的分級(jí)，或?qū)?種不同密度的物質(zhì)進(jìn)行分類。圖3-7為分級(jí)器示意圖。 2021-6-1224 3.2.6 沉降過程的強(qiáng)化 凝聚或絮凝 離心沉降 2021-6-1225 3.2.7 離心沉降設(shè)備 轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī) 離心沉降所處理的非均相物系中固粒直徑通常很小，沉降離心沉降所處理的非均相物系中固粒直徑通常很小，沉降 一般在滯流區(qū)進(jìn)行，故其沉降速度可表示為：一般在滯流區(qū)進(jìn)行，故其沉降速度可表示為： 碟式分離機(jī)碟式分離機(jī) 管式高速離心機(jī)管式高速離心機(jī) r d p2 2 r 18 )( u

17、 2021-6-1226 1 1 轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī) 與重力沉降器的原理相同，在沉降式離心機(jī) 中，凡沉降所需時(shí)間t小于流體在設(shè)備內(nèi)的 停留時(shí)間r的顆粒均可被沉降而除去。顆粒 在離心力場中的運(yùn)動(dòng)方程可寫為 2021-6-1227 2 2 碟式分離機(jī)碟式分離機(jī) )/ln(18 )( AB 2 A 2 B 2 pp 2 s RR RR dH V 生產(chǎn)能力 碟式分離機(jī)的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有許多倒錐形碟片，碟片直徑一般為0.20.6m，碟 片數(shù)目約為50100片。轉(zhuǎn)鼓以47008500rmin的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分離因數(shù) 可達(dá)400010000。 用于乳濁 液的分離 碟片上開孔 用于澄清時(shí) 碟片上不開孔 2021-

18、6-1228 3 3 管式高速離心機(jī)管式高速離心機(jī) 3.3 過濾 過濾是分離懸浮液最普遍和最有效的單元操作之一。與沉降相比，過過濾是分離懸浮液最普遍和最有效的單元操作之一。與沉降相比，過 濾可使懸浮液的分離更迅速更徹底，特別是對(duì)于粒徑很小，很難分離的濾可使懸浮液的分離更迅速更徹底，特別是對(duì)于粒徑很小，很難分離的 懸浮液，沉降方法均難實(shí)現(xiàn)，這時(shí)需采用過濾操作。懸浮液，沉降方法均難實(shí)現(xiàn)，這時(shí)需采用過濾操作。 過濾：過濾：以某種以某種多孔物質(zhì)多孔物質(zhì)為介質(zhì)，在為介質(zhì)，在外力作用外力作用下，使懸浮液中的下，使懸浮液中的液體液體 通過介質(zhì)的孔道通過介質(zhì)的孔道，而使，而使固體顆粒被截留固體顆粒被截留在介質(zhì)

19、上，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離 的單元操作。的單元操作。 過濾操作所處理的懸浮液稱為過濾操作所處理的懸浮液稱為濾漿或料漿濾漿或料漿 所用的多孔性介質(zhì)稱為所用的多孔性介質(zhì)稱為過濾介質(zhì)過濾介質(zhì) 通過過濾介質(zhì)的液體稱為通過過濾介質(zhì)的液體稱為濾液濾液 被截留下來的顆粒層稱為被截留下來的顆粒層稱為濾餅或?yàn)V渣濾餅或?yàn)V渣 實(shí)現(xiàn)過濾操作的外力實(shí)現(xiàn)過濾操作的外力有重力，壓強(qiáng)差或慣性有重力，壓強(qiáng)差或慣性 離心力，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是過濾介質(zhì)離心力，在化工生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是過濾介質(zhì) 上、下游兩側(cè)的壓強(qiáng)差。上、下游兩側(cè)的壓強(qiáng)差。 懸浮液 (濾漿) 濾餅 過濾介質(zhì) 濾液 1. 過濾方式 過濾操作

20、分兩類：過濾操作分兩類： 1.1.餅層過濾：固體顆粒呈餅層狀沉積于過濾介質(zhì)的上游一側(cè)。餅層過濾：固體顆粒呈餅層狀沉積于過濾介質(zhì)的上游一側(cè)。 適于處理固體含量較高適于處理固體含量較高( (固體體積分率在固體體積分率在1 1以上以上) )的懸浮液。的懸浮液。 真正發(fā)揮分離作用的是濾餅層，而不是過濾介質(zhì)。真正發(fā)揮分離作用的是濾餅層，而不是過濾介質(zhì)。 因?yàn)轭w粒在介質(zhì)表面發(fā)生因?yàn)轭w粒在介質(zhì)表面發(fā)生“架橋架橋”現(xiàn)象，可以截留小顆粒，現(xiàn)象，可以截留小顆粒， 開始濾液混濁需重新處理。開始濾液混濁需重新處理。 2.2.深床過濾：固體顆粒的沉積發(fā)生在深床過濾：固體顆粒的沉積發(fā)生在 較厚的粒狀過濾介質(zhì)床層內(nèi)部。適于

21、較厚的粒狀過濾介質(zhì)床層內(nèi)部。適于 處理顆粒小、含量少處理顆粒小、含量少( (固體體積分率在固體體積分率在 0.10.1以下以下) )的懸浮液。的懸浮液。 真正發(fā)揮作用的是過濾介質(zhì)。真正發(fā)揮作用的是過濾介質(zhì)。 化工中所處理的懸浮液濃度往往較化工中所處理的懸浮液濃度往往較 高。故本章只討論餅層過濾。高。故本章只討論餅層過濾。 過濾介質(zhì) 過濾介質(zhì)的作用是使清液通過，截留和支承濾餅。對(duì)其過濾介質(zhì)的作用是使清液通過，截留和支承濾餅。對(duì)其 要求是：要求是： 1. 1.具有多孔性，孔道大小合適；具有多孔性，孔道大小合適； 2. 2.具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和盡可能小的流動(dòng)阻力；具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和盡可能小的流動(dòng)阻

22、力； 3. 3.具有相應(yīng)的耐腐蝕性、耐熱性、抗老化性等。具有相應(yīng)的耐腐蝕性、耐熱性、抗老化性等。 工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)種類主要有：工業(yè)上常用的過濾介質(zhì)種類主要有： (1)(1)織物介質(zhì)織物介質(zhì)( (濾布濾布) )：由棉、毛、絲、麻等天然纖維或尼綸、：由棉、毛、絲、麻等天然纖維或尼綸、 聚氯乙烯纖維等合成纖維及玻璃絲、金屬絲聚氯乙烯纖維等合成纖維及玻璃絲、金屬絲(Cu(Cu、NiNi、不銹鋼、不銹鋼) ) 等材料制成的網(wǎng)。被截留的最小顆粒直徑等材料制成的網(wǎng)。被截留的最小顆粒直徑5 565m65m，應(yīng)用最廣；，應(yīng)用最廣； (2)(2)粒狀介質(zhì)粒狀介質(zhì)( (粒狀介質(zhì)粒狀介質(zhì)) )：由細(xì)而硬的粒狀物質(zhì)：由細(xì)而硬的粒狀物質(zhì)( (砂、木碳、硅砂、木碳、硅 藻土、石綿、纖維球、碎石等藻土、石綿、纖維球、碎石等) )堆積而成。用于深床過濾堆積而成。用于深床過濾; ; (3)(3)多孔固體介質(zhì)：多孔陶瓷、多孔塑料等具有細(xì)微孔道固體多孔