非均一系的分离.docx

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非均一系的分离

第三章非均相物系的分离

主要内容：

过滤；沉降；固体流态化。

重点内容：

过滤原理及数学描述；重力沉降速度确定；离心沉降速度确定：

过滤过程计算。

基本要求:

熟练掌握过滤过程计算。

课时安排：

6

第一节概述

一、化工生产中常遇到的混合物可分为两大类：

第一类：

均相物系—如混合气体、溶液。

特征：

物系内各处性质相同，无分界面。

须用吸收、蒸馏等方法分离。

第二类：

非均相体系液态非均相物系。

固体颗粒与液体构成的悬浮液；

不互溶液体构成的乳浊液；

气态非均相物系

固体颗粒（或液体雾滴）与气体构成的含尘气体（或含雾气体）；

气泡与液体所组成的泡沫液等。

特征：

物系内有相间的界面，界面两侧的物性截然不同。

（1）分散相：

往往是液滴、雾滴、气泡，固体颗粒，µm。

（2）连续相：

连续相若为气体，则为气相非均相物系。

连续相若为液体，则为液相非均相物系。

二、非均相物系分离的目的：

1）净制参与工艺过程的原料气或原料液。

2）回收母液中的固体成品或半成品。

3）分离生产中的废气和废液中所含的有害物质。

4）回收烟道气中的固体燃料及回收反应气中的固体触媒等。

总之：

以满足工艺要求，提高产品质量，改善劳动条件，保护环境，节约能源及提高经济效益。

常用分离方法：

1）重力沉降：

微粒借本身的重力在介质中沉降而获得分离。

2）离心分离：

利用微粒所受离心力的作用将其从介质中分离。

亦称离心沉降。

此法适用于较细的微粒悬浮体系。

3）过滤：

使悬浮体系通过过滤介质，将微粒截留在过滤介质上而获得分离。

4）湿法净制：

使气相中含有的微粒与水充分接触而将微粒除去。

5）电除尘：

使悬浮在气相中的微粒在高压电场内沉降。

第二节重力沉降

一、球形颗粒的自由沉降

自由沉降──对于单一颗粒在流体中的沉降或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互碰撞的沉降过程。

1．加速阶段：

沉降开始时，颗粒初速度为零，

颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零，产生加速度。

2．匀速阶段：

随着速度加快，阻力增加，当合力为零时，

颗粒将发生匀速运动─是沉降速度ut.

重力：

浮力：

阻力：

流体以一定的速度绕过静止颗粒时或者固体颗粒在静止流体中移动时，流体对颗粒的作用力——曳力Fd

由牛顿第二定理F=ma

Fg-Fb-Fd=mdu/dt

整理后得：

在du/dt=0，u=ut

=（Re）=（dpu/）

层流区：

Re2，=24/Re──Stokes区

过渡区：

Re=2—500，

──Allen区

湍流区：

Re=500--2105，≌0.44──Newton区

将不同的带入ut，可得各种流动状态下的ut的计算式：

层流区：

Re2，

──Stokes公式

过渡区：

Re=2—500，∙

湍流区：

Re=500--2105，

ut=f（dp，p，），dp，p↑，ut↑

↑，ut↓（层流区，过渡区）

适合范围：

光滑的球形颗粒。

举例：

影响沉降速度ut的因素：

1〉颗粒形状，当量球径，（如当量直径），偏离球形约大，阻力越大；

2〉颗粒浓度不太高<0.2%，假设自由沉降<1%.

3〉壁面效应

4〉分子运动，d<2~3µm

5〉液滴和气泡的变形

6〉其它，如颗粒p不均匀。

二、沉降器设计计算——气体降尘设备

用于分离大颗粒尘

在降尘室中，颗粒停留时间=L/u

沉降时间=H/ut

分离条件——L/u≥H/ut

由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子。

其停留时间=沉降时间，即可以100%除去的最小粒径——临界粒径dpc

∵

∴

与临界粒径dpc相对应的临界沉降速度

（又称表面负荷qo）

当尘粒沉降速度处于层流区时，

表明：

1.大于dpc的尘粒能100%除去。

2.降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度H无关。

第三节离心沉降

依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动——称离心沉降。

重力使小颗粒的沉降速度小，但离心力比重力大千、万倍。

一、离心分离因数：

一圆筒旋转，角速度[rad/s]=2N/60

N——转数/min

被分离液体，密度、；颗粒密度p、dp

颗粒的旋转半径为r

忽略重力时，离心力Fc=ma=mr2≌mrN2/100

可见，N↑，Fc↑

设离心分离因数Kc=r2/g≌rN2/900

离心分离因数Kc是表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数。

二、离心沉降速度

当颗粒在离心场中沉降时，径向上所受的力：

离心力

浮力（指向中心）

阻力（指向中心）

在三力达到平衡时，离心力－浮力－阻力=0

离心沉降速度

与重力沉降速度公式相比，只是将g换成r2。

不同的是：

在一定的条件下重力沉降速度ut是定值，

而离心沉降速度ur随径向位置的不同而变化。

一般而言，离心沉降用于小颗粒。

小颗粒所受的阻力处于层流区，即=24/Re，

可见，在层流区离心沉降速度ur与r成正比，在离心沉降过程中，ur随r增大

而增大。

三、旋风分离器

——利用离心力作用净制气体的设备

1．构造与操作

2．临界粒径——指能100%分离除去的最小颗粒粒径。

在三个假设条件下

（1）进气严格作螺旋形等速运动，有效旋转圈数n=5，切向速度等于进口速度ui；

（2）颗粒向壁沉降，必须穿约厚为b的气流层，方能到达壁面；（b为

入口之宽度）

（3）颗粒的沉降运动服从stokes定律。

可推得：

3．压力损失

（1）旋风分离器的尺寸都是D的倍数，所以为常数，与D无关。

只要进口气速ui相同，不管多大的旋风分离器，其p都相同。

（2）小型分离器的b小，dpc小，所以工业上，用若干个小型分离器组来代

替一个大的分离器，可提高分离效率。

（3）旋风分离器的压力损失一般为1~2kPa。

第四节过滤

过滤──是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液的操作。

在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。

一、悬浮液的过滤：

1．过滤方式

（1）深层过滤——又称澄清过滤

条件：

悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积0.1%）时，

可用床层较厚的过滤介质进行过滤。

由于dp介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层年细长而弯曲的孔道时，

靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上，过滤介质床层上面没有滤饼形成。

例如：

自来水净化及污水处理。

（2）滤饼过滤

条件：

dp介质孔隙直径，床层上形成滤饼；

dp介质孔隙直径，但床层内有“架桥现象”；

在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。

在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。

适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积0.1%）时

2．分类：

常压过滤──靠位差

加压过滤──利用泵或压缩空气

真空过滤──介质一方抽真空

离心过滤──利用离心力作推动力

步骤：

过滤→洗涤→去湿→卸料

3．过滤介质

作用——使液体通过而截留固体颗粒。

选择——根据液体的性质（酸、碱性），颗粒含量及粒度，操作p，T，介质机械强度等

（1）织布介质——棉、麻、丝、毛制的滤布，金属丝网滤布；可截留5~65m的颗粒。

（2）堆积的粒状介质——砂、木炭等，用于深层过滤，

（3）多孔性介质——陶瓷、塑料、金属等粉末烧结成型的多孔性板状、管状介质，可截留1~3m的微细颗粒。

4．助滤剂

使用前提——颗粒细，容易堵死过滤介质的孔隙；

所形成的滤饼在压差的作用下，孔隙变小，阻力增大，使过滤困难。

作用——将某种质地坚硬的另一种固体混入悬浮液或予涂于过滤介质上，

以形成疏松饼层，使滤液畅流。

这种固体称助滤剂。

常用助滤剂——硅藻土，珍珠岩，石棉，炭粉等；

添加量为颗粒量的0.5%以下。

5．固体量、滤液量与滤渣量的关系

设：

固体量为1（质量），密度p

湿滤渣为C（质量），密度c

湿滤渣中含液量为C-1（质量），密度

湿滤渣体积=固体体积+液体体积

设：

X——单位质量悬浮液中所含固体质量；

CX——单位质量悬浮液可得滤渣量；

1-CX——单位质量悬浮液可得滤液量；

单位体积滤液相对应的固体质量：

[kg干渣/m3滤液]

二、过滤基本方程：

描述滤液量随时间的变化关系

过滤速率（dV/d）：

单位时间内滤过的滤液体积，[m3/s]

过滤速度（dV/Ad）：

单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积，[m/s]。

过滤操作的特点——随过滤操作的进行，滤饼厚度↑，阻力↑。

恒压过滤：

若维持过滤在一定的压差下操作，则过滤速率必定不断下降；

恒速过滤：

若要保持一定的滤速，则必须增加压差，以克服过滤阻力；

一般情况下，间歇操作的过滤机，先恒压、恒速或先恒速后恒压下操作；连续操作的过滤机，都在恒压下操作。

1．滤饼层阻力

滤液流过滤饼孔道流速较小，属层流，所以应用哈根-泊谡叶方程，

由于滤饼层中孔道的平均长度l∝滤饼厚度L，∝单位面积上滤饼质量V/A；

设毛细孔平均直径d，对一定性质的滤饼应是定值，归入常数项。

对不可压缩滤饼：

滤饼阻力：

Rc=rV/A

指获得V体积滤液所形成单位面积上干滤饼质量为V/A时的滤饼阻力。

r——滤饼的比阻，[m/kg]

表示单位过滤面积的干滤饼质量为1kg/m2时的阻力。

2．介质阻力：

Rm=rVe/A

过滤介质阻力看成获得当量体积Ve的滤液所形成的滤饼层阻力。

3．过程总阻力：

R=Rc+Rm=r（V+Ve）/A

过滤速率

或

必须积分才能找出V~关系。

三、恒压过滤

1．滤液体积与过滤时间的关系（V~）

令：

K=2p/r

qe=Ve/A

q=V/A

则：

q2+2qqe=K

过滤常数K、qe由实验测定

2．过滤常数K、qe的测定

由于各种悬浮液的性质、浓度不同，其过滤常数亦不同。

须由实验测定。

改写上述方程，

表明，在恒压条件下，/q与q之间有线性关系，斜率为1/K，截距为2qe/K。

注意：

因为K=2p/r，与悬浮液性质、温度及压差有关，因此只有在相同的实验条件与生产条件下，才能使用实验测定的K、qe值。