第3章 非均相物系的分離 2

第3章非均相物系的分離學(xué)習(xí)目的1.了解非均相物質(zhì)分離的對(duì)象，依據(jù)2.掌握非均相物系的分離方法及工作原理3.熟悉非均相物系分離的典型設(shè)備及設(shè)備結(jié)構(gòu)4.熟知非均相物系分離的過程，強(qiáng)化方法以及如何選用設(shè)備基本內(nèi)容3.1概述3.2重力沉降3.3過濾3.4離心分離3.1概述

一、基本概念

1、化工生產(chǎn)上經(jīng)常處理不同類型的混合物。按照相數(shù)這些混合物可分為均相物系和非均相物系兩類。2、均相物系－－物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻，不存在相界面。如氣體、液體。3、非均相物系－－物系內(nèi)部有相界面，界面兩側(cè)物料性質(zhì)截然不同。常見的非均相物系有：氣固系統(tǒng)－－－(空氣中的塵埃)液固系統(tǒng)－－－(液體中的固體顆粒)氣液系統(tǒng)－－－(氣體中的液滴)液液系統(tǒng)－－－(乳濁液中的微滴)等。基本概念

4、非均相物系中處于分散狀態(tài)的物質(zhì)如上述的塵埃、固體顆粒、氣泡和微滴等統(tǒng)稱為分散物質(zhì)(或稱分散相)，而非均相物系中包圍著分散相而處于連續(xù)狀態(tài)的流體如氣體、液體稱為分散介質(zhì)(或稱連續(xù)相)。二、非均相物系的分離

1、分離的依據(jù)

是連續(xù)相與分散相具有不同的物理性質(zhì)(兩相的密度、顆粒形狀、尺寸有差異等)，故可用機(jī)械方法使兩相產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而將兩相分離。利用兩相密度差進(jìn)行分離時(shí)，必須使分散相與連續(xù)相間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故分離非均相物系的單元操作遵循流體流動(dòng)的基本規(guī)律。2、操作方式根據(jù)兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式不同，機(jī)械分離分為過濾和沉降。二、非均相物系的分離3、非均相物系的分離在工業(yè)中的應(yīng)用主要有：（1）回收有用物質(zhì)（分散相）；（2）凈化分散介質(zhì)（連續(xù)相；（3）除去廢液、廢氣中的有害物質(zhì)，滿足環(huán)境保護(hù)的要求，確保安全生產(chǎn)。一、重力沉降速度依據(jù)重力作用而發(fā)生的沉降過程。在重力場(chǎng)中，借連續(xù)相與分散相的密度差異使兩相分離的過程，稱為重力沉降。一般用于分離氣、固混合物和混懸液的分離。1、球形顆粒的自由沉降1）沉降速度若固體顆粒在沉降過程中，不受流體中其它顆粒的干擾及器壁的影響的沉降過程，稱為自由沉降。如較稀的混懸液和含塵氣體中的固體顆粒的沉降。3.2重力沉降根據(jù)牛頓第二定律，顆粒的重力沉降運(yùn)動(dòng)基本方程式應(yīng)為:p為顆粒密度u重力

Fg阻力

Fd浮力

Fb自由沉降假設(shè)的條件：①微粒是球形的；②沉降的微粒相距較遠(yuǎn)，互補(bǔ)干擾；③器壁對(duì)微粒的阻滯作用忽略，粒徑不能小于2～3μm。當(dāng)顆粒開始沉降的瞬間，u為零，阻力也為零，a為最大值；隨著顆粒向下沉降，u逐漸增大，阻力隨之增大，a逐漸減少；當(dāng)u增到一定數(shù)值ut時(shí)，重力、阻力、浮力三者達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)a=0，顆粒開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。此時(shí)顆粒的速度稱為沉降速度。此式為球形顆粒在重力作用下的自由沉降速度公式。2）阻力系數(shù)ζ阻力系數(shù)ζ是流體與顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)準(zhǔn)Re的函數(shù)，即ζ=f(Re)阻力系數(shù)ζ與Re的關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果如圖3-2所示。圖中曲線按Re值可分成三個(gè)區(qū)，即層流區(qū)，又稱斯托克斯區(qū)2）阻力系數(shù)ζ(2)過渡區(qū)

2＜Re＜500

(3)湍流區(qū)

ζ=0.44500＜Re＜2×105對(duì)應(yīng)各區(qū)沉降速度ut的計(jì)算公式如下：(1)層流區(qū)(2)過渡區(qū)

（3）湍流區(qū)

2.重力沉降設(shè)備（1）降塵室是利用重力沉降的作用從含塵氣體重除去固體顆粒的設(shè)備。結(jié)構(gòu)如圖所示。多層隔板降塵室示意圖

含塵氣體粉塵隔板凈化氣體▲多層隔板降塵室能分離較細(xì)小的顆粒，并節(jié)省占地面積，一般可分離20μm以上的顆粒，但是排灰不方便。連續(xù)沉降槽3.3過濾

一、懸浮液的過濾（一）基本概念1、過濾就是在推動(dòng)力作用下，使懸浮液中的液體通過多孔介質(zhì)，將固體截留，從而使懸浮液得以分離的單元操作。2、濾漿——需要分離的液體非均相物系即所處理的懸浮液；（一）基本概念3、過濾介質(zhì)——在過濾操作中起隔層作用的物質(zhì)如多孔物質(zhì)；4、濾渣——被截留在過濾介質(zhì)上的固體顆粒5、濾液——過濾后的液體6、過濾推動(dòng)力——可以是重力、離心力還可以是多孔物質(zhì)上下游兩側(cè)的壓差（多用）(1)過濾介質(zhì)過濾介質(zhì)的分類：織物介質(zhì)(又稱濾布)：由棉、毛、麻、絲等天然纖維及合成纖維制成的織物，以及玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)。堆積介質(zhì)：由各種固體顆粒（細(xì)砂、硅藻土等）堆積而成，多用于深床過濾。多孔固體介質(zhì)：這類介質(zhì)具有很多細(xì)微孔道，如多孔陶瓷、多孔塑料等。多用于含少量細(xì)微顆粒的懸浮液。（2）過濾的基本方式2、按過濾機(jī)理分①濾餅過濾懸浮液中的固體顆粒沉積在過濾介質(zhì)表面上形成濾餅層，液體穿過濾餅層中空隙，此過濾過程稱為濾餅過濾，又稱為表面過濾。其特點(diǎn)是隨著過濾時(shí)間的增長(zhǎng)，濾餅層增厚，過濾阻力也隨之增大。主要用于含固量較大（>1%）的場(chǎng)合。b.架橋現(xiàn)象“架橋”現(xiàn)象：如圖，由于“架橋”現(xiàn)象的出現(xiàn)，才使過濾操作真正開始，故實(shí)際起過濾作用的是濾餅（濾渣）而非過濾介質(zhì)。a.濾餅過濾（2）過濾的基本方式②深層過濾固體顆粒不形成濾餅，而是沉積在過濾介質(zhì)內(nèi)部的過濾操作稱為深層過濾。深床過濾主要用于凈化含固量很少的（<0.1%）流體，如水凈化等。深層過濾二、過濾速率基本方程式1、過濾速率過濾速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間獲得的濾液體積；m3/s定義式為：過濾速度：?jiǎn)挝贿^濾面積上的過濾速率；m/s定義式為：二、過濾速率基本方程式2、濾液通過濾渣層的流動(dòng)

過濾過程實(shí)際上是流體通過濾渣和過濾介質(zhì)的流動(dòng)過程，而這個(gè)過程中阻力主要集中在濾渣層中，因此我們主要考慮濾液通過濾渣層的流動(dòng)問題。液體通過濾餅層為層流，其流速為：式中：u為濾液在濾餅層毛細(xì)孔道內(nèi)的流速。l為濾餅層中毛細(xì)孔道的平均長(zhǎng)度。d為濾餅層中毛細(xì)孔道的平均直徑。（三）過濾設(shè)備

按操作方式分類：間歇過濾機(jī)、連續(xù)過濾機(jī)按操作壓強(qiáng)差分類：壓濾、吸濾和離心過濾工業(yè)上使用的典型過濾設(shè)備：板框壓濾機(jī)（間歇操作）轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)（連續(xù)操作）過濾式離心機(jī)（一）、板框壓濾機(jī)圖

板框壓濾機(jī)1―固定頭；2―濾板；3―濾框；4―濾布；5―壓緊裝置

如果將非洗滌板編號(hào)為1、框?yàn)?、洗滌板為3，則板框的組合方式服從1—2—3—2——1—2—3之規(guī)律。組裝之后的過濾和洗滌原理如圖所示。110987654321817161514131112轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)18格分成6個(gè)工作區(qū)1區(qū)(1~7格)：過濾區(qū)；2區(qū)(8~11格)：濾液吸干區(qū)；3區(qū)(12~14格)：洗滌區(qū)；4區(qū)(15格)：洗后吸干區(qū)；5區(qū)(16~17格)：吹松卸渣區(qū)；6區(qū)(18格)：濾布再生區(qū)。過濾區(qū)(1~2區(qū))，f槽;洗滌區(qū)(3~4區(qū))，g槽

;干燥卸渣區(qū)(5~6區(qū))，h

槽;f槽動(dòng)盤定盤h槽g槽幾種過濾設(shè)備的比較3.4離心分離依靠離心力的作用，使流體中的顆粒產(chǎn)生沉降的運(yùn)動(dòng)，稱為離心沉降。1、離心沉降速率和離心分離因數(shù)（1）離心沉降速率當(dāng)流體圍繞某一中心軸線作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，便產(chǎn)生了慣性離心力。慣性離心場(chǎng)和重力場(chǎng)有所不同，重力場(chǎng)強(qiáng)度g基本上是常數(shù)，其方向指向地心。而離心場(chǎng)強(qiáng)度（離心加速度）隨位置而改變，在與轉(zhuǎn)軸距離為R，切向速度為uT的位置上。離心力隨離心加速度的變化而變化，旋轉(zhuǎn)速度↑，顆粒所受離心力↑，有利于分離。（1）離心沉降速率若離心沉降處于層流區(qū)，則阻力系數(shù)符合斯托克斯定律，將ξ代入則得：說明：ur稱為離心沉降速率，方向徑向向外。它并不是顆粒運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度，而是徑向分量，即顆粒離開旋轉(zhuǎn)中心的速度。顆粒在旋轉(zhuǎn)介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是沿著半徑逐漸增大的螺旋形軌道前進(jìn)的。（2）離心分離因數(shù)離心分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要性能參數(shù)。工程上將離心加速度與重力加速度之比稱為離心分離因數(shù)。即：表明了離心沉降速率比重力沉降速率增大的倍數(shù)。Kc越高，其離心分離效果越高。例如：R＝0.4m，切向速率uT＝20m/s，求Kc=?結(jié)論：離心沉降比重力沉降分離效果好，高出102倍。能分離出更小的固體顆粒，且設(shè)備體積大為縮小。2、離心分離設(shè)備

利用慣性離心力的作用從氣體中分離出固體顆粒或液滴的設(shè)備。(1)、旋風(fēng)分離器的構(gòu)造和操作外圓筒、內(nèi)圓筒、錐形筒。h=D/2B=D/4D1=D/2H1=2DH2=2DS1=D/8D2≈D/4(1)、旋風(fēng)分離器的構(gòu)造和操作圓筒形上部和圓錐形下部組成，含塵氣體從圓筒上側(cè)的矩形進(jìn)氣管以15～20m/s的速度沿切線方向進(jìn)入，顆粒受器壁的約束而形成一個(gè)向下作螺旋運(yùn)動(dòng)的外旋流,在離心力作用下，其中固體顆粒密度較大，所受離心力也大，被甩向外圍且與器壁碰撞后失去動(dòng)能滑落至錐底，與氣流分離，由排灰口排出。旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便；分離效率高；操作不受溫度、壓力的限制，可用于高溫含塵氣體的分離。缺點(diǎn)是氣體在器內(nèi)流動(dòng)阻力大，微粒對(duì)器壁有較嚴(yán)重的磨損。（2）旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù)臨界粒徑、分離效率、壓力降和氣體處理量是旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù)，是選型和操作控制的依據(jù)，也是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能好壞的主要指標(biāo)。三足式離心機(jī)

離心過濾是藉旋轉(zhuǎn)液體產(chǎn)生的徑向壓差作為過濾的推動(dòng)力。離心過濾在各種間歇或連續(xù)操作的離心過濾機(jī)中進(jìn)行。間歇