非均相物系的分離

非均相物系的分離第二章非均相物系的分離2023/2/3學(xué)習(xí)目標(biāo)1了解：非均相物系分離的主要方法、分離過程、主要特點(diǎn)與工業(yè)應(yīng)用；常見重力沉降設(shè)備、離心沉降設(shè)備及過濾設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與用途；3掌握：非均相物系分離方法的選擇。2理解：影響沉降、過濾的主要因素；離心沉降相對(duì)于重力沉降的優(yōu)勢(shì)；重力沉降設(shè)備做成多層的依據(jù)。2023/2/3能力目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，掌握非均相物系分離的原理和主要方法，能夠進(jìn)行非均相物系分離的主要方法的選擇和設(shè)備的操作、控制及事故分析處理。2023/2/3§0概述在化工生產(chǎn)中、日常生活中什么時(shí)候能遇到均相混合物和非均相混合物？思考：它們?cè)诨どa(chǎn)中有哪些應(yīng)用？又是如何把它們分離的呢？2023/2/3圖4-1

抽濾裝置2023/2/3圖4-2板框壓濾機(jī)2023/2/3圖4-3鍋爐排塵排氣過程2023/2/3圖2-4降塵室2023/2/3思考：一、什么是均相（混合）物和非均相（混合）物？

指不同組分的物質(zhì)混合形成一個(gè)相的物系。如不同組分的氣體組成的混合氣體、能相互溶解的液體組成的各種溶液、氣體溶解于液體得到的溶液等等。

指存在兩個(gè)（或兩個(gè)以上）相的混合物.如霧（氣相－液相）、煙塵（氣相－固相）、懸浮液（液相－固相）、乳濁液（兩種不同的液相）等等。2023/2/31.分散相

非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。例如氣體中的塵粒、懸浮液中的顆粒、乳濁液中的液滴，統(tǒng)稱為分散物質(zhì)或者分散相。2023/2/32.連續(xù)相

非均相物系中處于連續(xù)狀態(tài)的物質(zhì)。例如氣態(tài)非均相物系中的氣體、液態(tài)非均相物系中的連續(xù)液體，統(tǒng)稱為分散介質(zhì)或連續(xù)相。思考：霧和泡沫的區(qū)別？2023/2/3圖4-4霧天2023/2/3圖4-4泡沫2023/2/3二、案例分析：圖4-1為實(shí)驗(yàn)室分離液固體系，最為常用的減壓抽濾裝置。

從懸浮液（液-固混合物）中分離出固體顆粒，在外力的作用下，懸浮液中的液體通過多孔介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截留下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)固、液分離。得到我們所需的產(chǎn)品或溶液。2023/2/3圖4-2是板框式壓濾機(jī)，廣泛適用于石油、化工、石材、陶瓷、冶金、染料、洗煤、制藥、造紙、食品、和環(huán)保等污水處理行業(yè)。它是分離液固混合物的常用設(shè)備。

例如染料生產(chǎn)。2023/2/3圖4-3，煤和脫硫劑被送入爐膛后，著火燃燒。物料在爐膛內(nèi)呈流態(tài)化沸騰燃燒。大顆粒物料在重力及其他外力作用下，在氣固分離裝置中被收集并通過返料裝置送回爐膛循環(huán)燃燒直至燃盡。未被分離的極細(xì)粒子隨煙氣進(jìn)入尾部煙道，進(jìn)一步對(duì)受熱面、空氣預(yù)熱器等放熱冷卻，經(jīng)除塵器后，由引風(fēng)機(jī)送入煙囪排入大氣。2023/2/3圖4-4為降塵室，是利用重力沉降從氣流中分離塵粒最簡(jiǎn)易的方法。只適用于分離粗顆粒，或作為預(yù)分離的設(shè)備。如果需要處理的氣量很大，其中顆粒較粗，而且容易磨損設(shè)備，則采用降沉室是合理的。例如圖4-3中從爐氣中分離塵粒，可以先經(jīng)過降塵室除去大部分粗顆粒，然后再進(jìn)入較為高效的除塵設(shè)備（如旋風(fēng)分離器）進(jìn)一步降低含塵量。2023/2/3三、非均相物系的分離在生產(chǎn)中的主要作用

①滿足對(duì)連續(xù)相或分散相進(jìn)一步加工的需要。②回收有價(jià)值的物質(zhì)③除去對(duì)下一道工序有害的物質(zhì)。

④保障安全健康和環(huán)保。2023/2/3四、非均相系分離的方法四種方法機(jī)械方法沉降分離法過濾分離法靜電分離法濕洗分離法2023/2/3（1）沉降分離法

沉降分離法是利用連續(xù)相與分散相的密度差異，借助某種機(jī)械力的作用，使顆粒和流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而得以分離。根據(jù)機(jī)械力的不同，可分為重力沉降、離心沉降和慣性沉降。2023/2/3（2）過濾分離法過濾分離法是利用兩相對(duì)多孔介質(zhì)穿透性的差異，在某種推動(dòng)力的作用下，使非均相物系得以分離。根據(jù)推動(dòng)力的不同，可分為重力過濾、加壓（或真空）過濾和離心過濾。2023/2/3（3）靜電分離法靜電分離法是利用兩相帶電性的差異，借助于電場(chǎng)的作用，使兩相得以分離。屬于此類的操作有電除塵、電除霧等。2023/2/3（4）濕洗分離法濕洗分離法是使氣固混合物穿過液體，固體顆粒粘附于液體而被分離出來(lái)。工業(yè)上常用的此類分離設(shè)備有泡沫除塵器、湍球塔、文氏管洗滌器等。2023/2/3§1重力沉降及設(shè)備沉降:借助于某種外力作用,使密度不同的兩相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)分離的操作.重力沉降:在重力作用下使流體與顆粒之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而得以分離的操作.2023/2/3實(shí)現(xiàn)沉降的先決條件是分散相和連續(xù)相之間存在著密度差。重力沉降適用于分離較大的固體顆粒。分為:自由沉降和干擾沉降2023/2/3在沉降系統(tǒng)中，顆粒之間的距離足夠大，任一顆粒的沉降不因它顆粒存在而受到干擾，同時(shí)又可忽略器壁面的影響，則稱為自由沉降。反之則稱為干擾沉降或受阻沉降。液態(tài)非均相物系中，當(dāng)分散相濃度較高時(shí)，往往發(fā)生干擾沉降。

2023/2/3流體與粒子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的三種情況流體靜止，顆粒作沉降或浮升運(yùn)動(dòng)；顆粒靜止，流體對(duì)顆粒作繞流；流體和顆粒都運(yùn)動(dòng)，但在重力場(chǎng)中二者保持一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。2023/2/3一、重力作用下的沉降速度顆粒在流體中降落，受到重力、流體浮力以及摩擦阻力的共同作用。顆粒下降時(shí)先加速，短時(shí)間內(nèi)受力達(dá)到平衡，速度不變。這個(gè)不變的降落速度就是顆粒的沉降速度ut。對(duì)于自由沉降，則稱為自由沉降速度。2023/2/3分析顆粒的沉降過程假設(shè)：顆粒是球形；沉降的顆粒相距較遠(yuǎn)，互不干擾；容器壁對(duì)顆粒的阻滯作用可以忽略若容器的直徑小于100倍的顆粒直徑，這種作用的影響便出現(xiàn)顆粒直徑不能小于2～3μm否則顆粒受到流體分子運(yùn)動(dòng)的影響，嚴(yán)重時(shí)，甚至不能沉降球形顆粒2023/2/3如圖所示，在垂直方向上，顆粒將受到3個(gè)力的作用，即向下的重力Fg，向上的浮力Fb和與顆粒運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力Fd。對(duì)于一定的顆粒與流體，重力、浮力恒定不變，阻力則隨顆粒的降落速度而變。三個(gè)力的大小為:

2023/2/3當(dāng)前面的假設(shè)成立時(shí)，則它所遇到的流體阻力Fd可用阻力公式求得，即N2023/2/3ζ：阻力系數(shù)；A：球形粒子在與沉降方向垂直的平面上的投影，等于πd2/4，m；d:粒子的直徑，m；ρ:為流體介質(zhì)的密度，kg/m3；u:為沉降過程中粒子與介質(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s。2023/2/3又設(shè)ρs為球形粒子的密度（kg/m3），則粒子受到的重力Fg為:

N2023/2/3此球形粒子在介質(zhì)中受到的浮力Fb為:

N2023/2/3根據(jù)牛頓第二定律Fg－Fb－Fd＝maN式中，m為粒子的質(zhì)量，a為粒子降落時(shí)的加速度。2023/2/3當(dāng)微粒作等速沉降時(shí)，a＝0，即Fg－Fb

－

Fd＝0，亦即整理得：m/s

2023/2/3式中的ζ稱為粒子與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)。在計(jì)算ut時(shí)，關(guān)鍵在于確定阻力系數(shù)ζ。ζ是雷諾準(zhǔn)數(shù)Re的函數(shù),ζ

＝f(Ret)。其值由實(shí)驗(yàn)確定。

2023/2/3沉降速度不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與顆粒的球形度有關(guān)。為了計(jì)算方便，引入球形度系數(shù)φs.球形顆粒：

2023/2/3對(duì)于非球形顆粒，計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)，應(yīng)以當(dāng)量直徑de（與實(shí)際顆粒具有相同體積的球形顆粒的直徑）代替d，de的計(jì)算式為:式中

Vp——實(shí)際顆粒的體積，m3。2023/2/3下圖表達(dá)了由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同Φs下ζ與Ret的關(guān)系。2023/2/3為了方便計(jì)算，ζ和Re的關(guān)系，也可用公式表示：ζ＝0.44層流區(qū)

10-4<Ret≤2

過渡區(qū)

2<Ret≤103

湍流區(qū)

103≤Ret<2×1052023/2/31.層流區(qū)域的沉降

m/s由上式可見：固體粒子的沉降速度，與粒子和流體的密度差成正比，而與流體的粘度成反比。此式稱為斯托克斯定律。2023/2/32.過渡流區(qū)域的沉降m/s此式稱為阿倫定律。2023/2/33.湍流區(qū)域的沉降此式稱為牛頓定律。m/s2023/2/34.ut的計(jì)算步驟首先要判斷流動(dòng)類型，然后確定使用哪一個(gè)計(jì)算式。因?yàn)棣婆cRe值有關(guān)，而Re值又由ut值確定，所以要用試差法。

2023/2/3考慮到所處理的微粒一般都很小，可先假設(shè)沉降屬于層流區(qū)域，直接采用算出ut，然后把算出的ut值代入如果檢驗(yàn)不符，再假設(shè)其他區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，然后再用Re值驗(yàn)算。檢驗(yàn)Re是否小于1。2023/2/3注意上述計(jì)算ζ和ut的公式都是根據(jù)光滑球形粒子的沉降實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的。實(shí)際上，懸浮的粒子多不是球形，也不一定光滑。因此，阻力系數(shù)一般比按上述公式算出的值要大，沉降速度要比計(jì)算值小。思考：沉降區(qū)域的劃分與管流過程有何不同？為什么？

2023/2/3

顆粒含量顆粒形狀顆粒大小流體性質(zhì)流體流動(dòng)器壁影響二、實(shí)際沉降的影響因素顆粒含量較大，使顆粒的沉降速度較自由沉降時(shí)小。對(duì)于同種顆粒，球形顆粒的沉降速度要大于非球形顆粒沉降速度

其它條件相同時(shí)，粒徑越大，沉降速度越大，越容易分離。流體與顆粒的密度差越大，沉降速度越大；流體粘度越大，沉降速度越小對(duì)顆粒沉降產(chǎn)生干擾，為減少干擾，要控制流體流動(dòng)處于穩(wěn)定的低速摩擦干擾使顆粒的沉降速度下降；吸附干擾，使顆粒沉降距離縮短。2023/2/3三、重力沉降設(shè)備1.降塵室憑借重力沉降以除去氣體中的塵粒的設(shè)備稱為降塵室（或除塵室）。2023/2/3除塵原理氣體從除塵室入口流向出口的過程中，氣體中的顆粒隨氣體向出口流動(dòng)，同時(shí)向下沉降。如果顆粒在抵達(dá)除塵室出口前已經(jīng)沉到室底而落入集塵斗中，則顆粒從氣體中分出，否則顆粒將被氣體帶出。2023/2/32023/2/3除塵條件qV≤utLB

2023/2/3停留時(shí)間：沉降時(shí)間：至少所以：（降塵室的設(shè)計(jì)原理）整理，得

即

2023/2/3由上式可知，降塵室的生產(chǎn)能力（達(dá)到一定沉降要求單位時(shí)間所能處理的含塵氣體量）只取決于降塵室的沉降面積（BL），而與其高度（H）無(wú)關(guān)。2023/2/3因此，降塵室一般都設(shè)計(jì)成扁平形狀，或設(shè)置多層水平隔板稱為多層降塵室。但必須注意控制氣流的速度不能過大，一般應(yīng)使氣流速度<1.5m/s，以免干擾顆粒的沉降或?qū)⒁殉两档膲m粒重新卷起。2023/2/3降塵室的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但設(shè)備龐大、效率低。只適用于分離粗顆?！睆?0μm以上的顆粒?；蜃鳛轭A(yù)分離設(shè)備。2023/2/32023/2/3例題分析采用除塵室除去礦石焙燒爐出口的爐氣中含有的粉塵。在操作條件下爐氣流量為25000m3/h，密度為0.6kg/m3，粘度為2×10-5Pa．s，其中氧化鐵粉塵的密度為4500kg/m3，要求全部除掉直徑大于100μm的粉塵，試計(jì)算：（1）所需除塵室的尺寸（2）用上述計(jì)算確定的除塵室，要求講爐氣中直徑為75μm的塵粒完全除掉，爐氣的最大允許處理量為多少？（本題可以認(rèn)為Re≤2為層流）2023/2/32.沉降器處理懸浮液的重力沉降設(shè)備，稱為沉降器或增濃器。沉降器可分為間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。2023/2/3連續(xù)沉降槽沉降槽又稱增稠器或澄清器，是用來(lái)處理懸浮液以提高其濃度或得到澄清液的重力沉降設(shè)備。2023/2/3連續(xù)沉降槽

優(yōu)點(diǎn)：操作連續(xù)化和機(jī)械化，構(gòu)造簡(jiǎn)單，處理量大，沉淀物的濃度均勻。沉降槽的直徑可達(dá)100m，它的生產(chǎn)能力可達(dá)每晝夜沉降出3000t的沉淀物。

缺點(diǎn)：設(shè)備龐大，占地面積大，分離效率低。2023/2/3連續(xù)沉降槽用途分離固體濃度低而液體量大的懸浮液。凡濃度在1％以下的都可以在增濃器中初步處理，然后將沉淀送去過濾或者離心分離等。濕沉淀固體含量可達(dá)50％。這種設(shè)備常用作無(wú)機(jī)鹽的洗滌精制設(shè)備。工業(yè)上大多數(shù)污水處