其他单元操作技术.docx

1、其他单元操作技术第六章 其他单元操作技术知识目标：了解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的设备结构、特点及应用理解非均相物系分离、膜分离及冷冻操作技术的工作原理及流程掌握其过程计算能力目标：了解主要设备的操作化工生产中的原料、半成品、排放的废物等大多为混合物，为了进行加工、得到纯度较高的产品以及环保的需要等，常常要对混合物进行分离。不同的物质分离方法各不相同，下面介绍几种常见的分离方法。第一节 非均相物系分离技术一、非均相物系分离的分类及应用1非均相物系分离在化工生产中的应用非均相物系是指存在两个（或两个以上）相的混合物，如雾（气相液相）、烟尘（气相固相）、悬浮液（液相固相）、乳浊液（两种液

2、相）等等。非均相物系中，有一相处于分散状态，称为分散相，如雾中的小水滴、烟尘中的尘粒、悬浮液中的固体颗粒；另一相必然处于连续状态，称为连续相（或分散介质），如雾和烟尘中的气相、悬浮液中的液相。本章将介绍非均相物系的分离，即如何将非均相物系中的分散相和连续相分离开。化工生产中非均相物系分离的目的：满足对连续相或分散相进一步加工的需要。如从悬浮液中分离出碳酸氢氨。 回收有价值的物质。如由旋风分离器分离出最终产品。 除去对下一工序有害的物质。如气体在进压缩机前，必须除去其中的液滴或固体颗粒，在离开压缩机后也要除去油沫或水沫。 减少对环境的污染。在化工生产中，非均相物系的分离操作常常是从属的，但却是非

3、常重要的，有时甚至是关键的。2常见非均相物系的分离方法由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质，故工业生产中多采用机械方法对两相进行分离。其方法是设法造成分散相和连续相之间的相对运动，其分离规律遵循流体力学基本规律。常见方法有如下几种，见表6-1。表6-1 非均相物系的分离方法分离方法原理及分类沉降分离法利用连续相与分散相的密度差异，借助某种机械力的作用，使颗粒和流体发生相对运动而得以分离。根据机械力的不同，可分为重力沉降、离心沉降和惯性沉降过滤分离法利用两相对多孔介质穿透性的差异，在某种推动力的作用下，使非均相物系得以分离。根据推动力的不同，可分为重力过滤、加压（或真空）过滤和离心过

4、滤静电分离法利用两相带电性的差异，借助于电场的作用，使两相得以分离。属于此类的操作有电除尘、电除雾等湿洗分离法使气固混合物穿过液体，固体颗粒粘附于液体而被分离出来。工业上常用的此类分离设备有泡沫除尘器、湍球塔、文氏管洗涤器等二、重力沉降在重力作用下使流体与颗粒之间发生相对运动而得以分离的操作，称为重力沉降。重力沉降既可分离含尘气体，也可分离悬浮液。1重力沉降速度 自由沉降与自由沉降速度 根据颗粒在沉降过程中是否受到其它粒子、流体运动及器壁的影响，可将沉降分为自由沉降和干扰沉降。颗粒在沉降过程中不受周围颗粒、流体及器壁影响的沉降称为自由沉降，否则称为干扰沉降。颗粒的沉降可分为两个阶段：加速沉降阶

5、段和恒速沉降阶段。对于细小颗粒，沉降的加速阶段很短，加速沉降阶段沉降的距离也很短。因此，加速沉降阶段可以忽略，近似认为颗粒始终以ut恒速沉降，此速度称为颗粒的沉降速度，对于自由沉降，则称为自由沉降速度。 将直径为d，密度为s的光滑球形颗粒置于密度为的静止流体中，由于所受重力的差异，颗粒将在流体中降落。在垂直方向上，颗粒将受到3个力的作用，即向下的重力Fg，向上的浮力Fb和与颗粒运动方向相反的阻力Fd。对于一定的颗粒与流体，重力、浮力恒定不变，阻力则随颗粒的降落速度而变。当降落速度增至某一值时，三力达到平衡，即合力为零。此时，加速度等于零，颗粒便以恒定速度ut 继续下降，则 （6-1）式中 ut

6、自由沉降速度，m/s。 在上式中，阻力系数是颗粒与流体相对运动时的雷诺数的函数，即：f(Ret)。 （6-2）沉降速度不仅与雷诺数有关，还与颗粒的球形度有关。人们通过大量的实验找到了各种情况时与Ret的经验公式，对于球形颗粒有层流区10-4Ret2 （6-3）过渡区2 Ret103 （6-4）湍流区103Ret2105 （6-5）要计算沉降速度ut，必须先确定沉降区域，但由于ut待求，则Ret未知，沉降区域无法确定。为此，需采用试差法，先假设颗粒处于某一沉降区域，按该区公式求得ut，然后算出Ret，如果在所设范围内，则计算结果有效；否则，需另选一区域重新计算，直至算得Ret与所设范围相符为止。

7、由于沉降操作中所处理的颗粒一般粒径较小，沉降过程大多属于层流区，因此，进行试差时，通常先假设在层流区。（2）实际沉降及其影响因素 颗粒在沉降过程中将受到周围颗粒、流体、器壁等因素的影响，一般来说，实际沉降速度小于自由沉降速度。实际沉降速度的主要影响以下几个方面，见表6-2。表6-2 实际沉降速度的影响因素因素对实际沉降速度的影响颗粒含量颗粒含量较大，周围颗粒的存在和运动将改变原来单个颗粒的沉降，使颗粒的沉降速度较自由沉降时小颗粒形状对于同种颗粒，球形颗粒的沉降速度要大于非球形颗粒的沉降速度颗粒大小粒径越大，沉降速度越大，越容易分离。如果颗粒大小不一，大颗粒将对小颗粒产生撞击，其结果是大颗粒的沉

8、降速度减小而对沉降起控制作用的小颗粒的沉降速度加快，甚至因撞击导致颗粒聚集而进一步加快沉降流体性质流体与颗粒的密度差越大，沉降速度越大；流体粘度越大，沉降速度越小，对于高温含尘气体的沉降，通常需先散热降温，以便获得更好的沉降效果流体流动对颗粒的沉降产生干扰，为了减少干扰，进行沉降时要尽可能控制流体流动处于稳定的低速器壁器壁的干扰主要有两个方面：一是摩擦干扰，使颗粒的沉降速度下降；二是吸附干扰，使颗粒的沉降距离缩短需要指出的是，为简化计算，实际沉降可近似按自由沉降处理，由此引起的误差在工程上是可以接受的。只有当颗粒含量很大时，才需要考虑颗粒之间的相互干扰。 图6-1 降尘室2降尘室含尘气体沿水平

9、方向缓慢通过降尘室，气流中的颗粒除了与气体一样具有水平速度u外，受重力作用，还具有向下的沉降速度ut。设含尘气体的流量为qv（m3/s），降尘室的高为H，长为L，宽为B，三者的单位均为m。若气流在整个流动截面上分布均匀，则流体在降尘室的平均停留时间为： （6-6）若要使气流中直径大于等于d的颗粒全部除去，则需在气流离开设备前，使直径为d的颗粒全部沉降至器底。气流中位于降尘室顶部的颗粒沉降至底部所需时间最长，因此，沉降所需时间t应以顶部颗粒计算。 （6-7）很显然，要达到沉降要求，停留时间必须大于至少等于沉降时间，即t，亦即： 整理得 即 （6-8）由上式可知，降尘室的生产能力（达到一定沉降要求

10、单位时间所能处理的含尘气体量）只取决于降尘室的沉降面积（BL），而与其高度（H）无关。因此，降尘室一般都设计成扁平形状，或设置多层水平隔板称为多层降尘室。但必须注意控制气流的速度不能过大，一般应使气流速度1）的悬浮液深层过滤当过滤介质为很厚的床层且过滤介质直径较大时，固体颗粒通过在床层内部的架桥现象被截留或被吸附在介质的毛细孔中，在过滤介质的表面并不形成滤饼。在这种过滤方式中，起截留颗粒作用的是介质内部曲折而细长的通道。深层过滤是利用介质床层内部通道作为过滤介质的过滤操作。在深层过滤中，介质内部通道会因截留颗粒的增多逐渐减少和变小，因此，过滤介质必须定期更换或清洗再生。深层过滤常用于处理固体含

11、量很少（固体体积百分数0.1）且颗粒直径较小（5m）的悬浮液动态过滤在滤饼过滤中，让料浆沿着过滤介质平面高速流动，使大部分滤饼得以在剪切力的作用下移去，从而维持较高的过滤速率。这种过滤被称为动态过滤或无滤饼过滤。在化工生产中得到广泛应用的是滤饼过滤，本节主要讨论滤饼过滤。 2过滤介质工业生产中，过滤介质必须具有足够的机械强度来支撑越来越厚的滤饼。此外，还应具有适宜的孔径使液体的流动阻力尽可能小并使颗粒容易被截留，以及相应的耐热性和耐腐蚀性，以满足各种悬浮液的处理。工业上常用的过滤介质有如下几种。 （1）织物介质织物介质又称滤布，用于滤饼过滤操作，在工业上应用最广。包括由棉、毛、丝、麻等天然纤维

12、和由各种合成纤维制成的织物，以及由玻璃丝、金属丝等织成的网。织物介质造价低、清洗、更换方便，可截留的最小颗粒粒径为565m。 （2）粒状介质粒状介质又称堆积介质，一般由细砂、石粒、活性炭、硅藻土、玻璃渣等细小坚硬的粒状物堆积成一定厚度的床层构成。粒状介质多用于深层过滤，如城市和工厂给水的滤池中。 （3）多孔固体介质多孔固体介质是具有很多微细孔道的固体材料，如多孔陶瓷、多孔塑料、由纤维制成的深层多孔介质、多孔金属制成的管或板。此类介质具有耐腐蚀、孔隙小、过滤效率比较高等优点，常用于处理含少量微粒的腐蚀性悬浮液及其它特殊场合。 3助滤剂若构成滤饼的颗粒为不易变形的坚硬固体（如硅藻土、碳酸钙等），则

13、当滤饼两侧的压差增大时，颗粒的形状和床层的空隙都基本不变，单位厚度滤饼的流动阻力可以认为恒定，此类滤饼称为不可压缩滤饼。反之，若滤饼由较易变形的物质（如某些氢氧化物之类的胶体）构成，当压差增大时，颗粒的形状和床层的空隙都会有不同程度的改变，使单位厚度的滤饼的流动阻力增大，此类滤饼称为可压缩滤饼。对于可压缩滤饼，在过滤过程中会被压缩，使滤饼的孔道变窄、甚至堵塞，或因滤饼粘嵌在滤布中而不易卸渣，使过滤周期变长，生产效率下降，介质使用寿命缩短。为了改善滤饼结构，通常需要使用助滤剂。助滤剂一般是质地坚硬的细小固体颗粒，如硅藻土、石棉、炭粉等。可将助滤剂加入悬浮液中，在形成滤饼时便能均匀地分散在滤饼中间

14、，改善滤饼结构，使液体得以畅通，或预敷于过滤介质表面以防止介质孔道堵塞。4过滤速率及其影响因素（1）过滤速率与过滤速度过滤速率是指过滤设备单位时间所能获得的滤液体积，表明了过滤设备的生产能力；过滤速度是指单位时间单位过滤面积所能获得的滤液体积，表明了过滤设备的生产强度，即设备性能的优劣。过滤速率与过滤推动力成正比与过滤阻力成反比。在压差过滤中，推动力就是压差，阻力则与滤饼的结构、厚度以及滤液的性质等诸多因素有关，比较复杂。 （2）恒压过滤与恒速过滤在恒定压差下进行的过滤称为恒压过滤。此时，由于随着过滤的进行，滤饼厚度逐渐增加，阻力随之上升，过滤速率则不断下降。维持过滤速率不变的过滤称为恒速过滤

15、。为了维持过滤速率恒定，必须相应地不断增大压差，以克服由于滤饼增厚而上升的阻力。由于压差要不断变化，因而恒速过滤较难控制，所以生产中一般采用恒压过滤，有时为避免过滤初期因压差过高引起滤布堵塞和破损，也可以采用先恒速后恒压的操作方式，过滤开始后，压差由较小值缓慢增大，过滤速率基本维持不变，当压差增大至系统允许的最大值后，维持压差不变，进行恒压过滤。 （3）影响过滤速率的因素悬浮液的性质悬浮液的粘度对过滤速率有较大影响。粘度越小，过滤速率越快。因此对热料浆不应在冷却后再过滤，有时还可将滤浆先适当预热；某些情况下也可以将滤浆加以稀释再进行过滤。 过滤推动力要使过滤操作得以进行，必须保持一定的推动力，

16、即在滤饼和介质的两侧之间保持有一定的压差。如果压差是靠悬浮液自身重力作用形成的，则称为重力过滤；如果压差是通过在介质上游加压形成的，则称为加压过滤；如果压差是在过滤介质的下游抽真空形成的，则称为减压过滤（或真空抽滤）；如果压差是利用离心力的作用形成的，则称为离心过滤。一般说来，对不可压缩滤饼，增大推动力可提高过滤速率，但对可压缩滤饼，加压却不能有效地提高过程的速率。 过滤介质与滤饼的性质过滤介质的影响主要表现在对过程的阻力和过滤效率上，金属网与棉毛织品的空隙大小相差很大，生产能力和滤液的澄清度的差别也就很大。因此，要根据悬浮液中颗粒的大小来选择合适的过滤介质。滤饼的影响因素主要有颗粒的形状、大

17、小、滤饼紧密度和厚度等，显然，颗粒越细，滤饼越紧密、越厚，其阻力越大。当滤饼厚度增大到一定程度，过滤速率会变得很慢，操作再进行下去是不经济的，这时只有将滤饼卸去，进行下一个周期的操作。 3过滤的操作周期过滤操作可以连续进行，但以间歇操作更为常见，不管是连续过滤还是间歇过滤，都存在一个操作周期。 过滤过程的操作周期主要包括以下几个步骤：过滤、洗涤、卸渣、清理等，对于板框过滤机等需装拆的过滤设备，还包括组装。有效操作步骤只是“过滤”这一步，其余均属辅助步骤，但却是必不可少的。例如，在过滤后，滤饼空隙中还存有滤液，为了回收这部分滤液，或者因为滤饼是有价值的产品、不允许被滤液所玷污时，都必须将这部分滤

18、液从滤饼中分离出来，因此，就需要用水或其它溶剂对滤饼进行洗涤。对间歇操作，必须合理安排一个周期中各步骤的时间，尽量缩短辅助时间，以提高生产效率。 4板框压滤机板框压滤机是一种古老却仍在广泛使用的过滤设备，间歇操作，其过滤推动力为外加压力。它是由多块滤板和滤框交替排列组装于机架而构成，如图6-3所示。滤板和滤框的数量可在机座长度内根据需要自行调整，过滤面积一般为280m2。 滤板和滤框的结构如图6-4，板和框的4个角端均开有圆孔，组装压紧后构成四个通道，可供滤浆、滤液和洗涤液流通。组装时将四角开孔的滤布置于板和框的交界面，再利用手动、电动或液压传动压紧板和框。为了区别，一般在板和框的外侧铸上小钮

19、之类的记号，例如一个钮表示洗涤板，二个钮表示滤框，三个钮表示非洗涤板。组装时板和框的排列顺序为非洗涤板板框洗涤板框非洗涤板，一般两端均为非洗涤板，通常也就是两端机头。 图6-3 板框压滤机 图6-4 滤板和滤框第二节 膜分离技术一、膜分离技术基础知识（一）膜分离原理膜可以看作是一个具有选择透过性的屏障，它允许一些物质透过而阻止另一些物质透过，从而起到分离作用。膜分离与通常的过滤分离一样，被分离的混合物中至少有一种组分几乎可以无阻碍地通过膜，而其他组分则不同程度地被膜截流在原料侧。膜可以是均相的或非均相的，对称型的(各向均质同性酌膜)或非对称型的，固体的或液体的，中性的或荷电性的(带有正电荷或负

20、电荷的膜)，其厚度可以从0.1微米至数毫米。膜分离原理可用图6-5加以说明。将含有A、B两种组分的原料液置于膜的一侧，然后对该侧施加某种作用力，若A、B两种组分的分子大小、形状或化学结构不同，其中A组分可以透过膜进入到膜的另一侧，而B组分被膜截留于原料液中，则A、B两种组分即可分离开来。图6-5 膜分离原理示意图（二）膜的分类膜的种类和功能繁多。膜分为合成膜和生物膜（原生质、细胞膜），合成膜包括液膜和固膜。液膜分为乳状液膜和带支撑层的液膜；固膜分为有机膜和无机膜。（三）膜材料用来制备膜的材料主要分为有机高分子材料和无机材料两大类。1有机膜材料 目前在工业中应用的有机膜材料主要有醋酸纤维素类、聚

21、砜类、聚酰胺类和聚丙烯腈等。醋酸纤维素是由纤维素与醋酸反应而制成的，是应用最早和最多的膜材料，常用于反渗透膜、超滤膜和微滤膜的制备。醋酸纤维素膜的优点是价格便宜，分离和透过性能良好。缺点是使用的pH范围比较窄，一般仅为48，容易被微生物分解，且在高压下长时间操作时容易被压密而引起膜通量下降。聚砜类是一类具有高机械强度的工程塑料，具有耐酸、耐碱的优点，可用作制备超滤和微滤膜的材料。由于此类材料的性能稳定、机械强度好，因而也可作为反渗透膜、气体分离膜等复合膜的支撑材料。缺点是耐有机溶剂的性能较差。用聚酰胺类制备的膜，具有良好的分离与透过性能，且耐高压、耐高温、耐溶剂，是制备耐溶剂超滤膜和非水溶液分

22、离膜的首选材料。缺点是耐氯性能较差。聚丙烯腈也是制备超滤、微滤膜的常用材料，其亲水性能使膜的水通量比聚砜膜的要大。2无机膜材料 无机膜的制备多以金属、金属氧化物、陶瓷和多孔玻璃为材料。以金属钯、银、镍等为材料可制得相应的金属膜和合金膜，如金属钯膜、金属银或钯银合金膜。此类金属及合金膜具有透氢或透氧的功能，故常用于超纯氢的制备和氧化反应。缺点是清洗比较困难。多孔陶瓷膜是最具有应用前景的一类无机膜，常用的有A1203、Si02、Zr02和Ti02膜等。此类膜具有耐高温和耐酸腐蚀的优点。玻璃膜可以很容易地加工成中空纤维，并且在H2-CO或He-CH4的分离过程中具有较高的选择性。二、膜组件将膜按一定

23、的技术要求组装在一起即成为膜组件，它是所有膜分离装置的核心部件，其基本要素包括膜、膜的支撑体或连接物、流体通道、密封件、壳体及外接口等。将膜组件与泵、过滤器、阀、仪表及管路等按一定的技术要求装配在一起，即成为膜分离装置。常见的膜组件有板框式、卷绕式、管式和中空纤维膜组件等，见表6-4。表6-4 常见的膜组件类型结构特点板框式膜组件将平板膜、支撑板和挡板以适当的方式组合在一起即成。典型平板膜片的长和宽均为1m，厚度为200m。支撑板的作用是支撑膜，挡板的作用是改变流体的流向，并分配流量，以避免沟流，即防止流体集中于某一特定的流道。板框式膜组件中的流道如图6-6所示。优点：每两片膜之间的渗透物都被单独引出来，因而可通过关闭个别膜组件来消除操作中的故障，而不必使整个膜组件停止运行。缺点：需个别密封的数量太多，内部阻力损失较大。卷绕式膜组件将一定数量的膜袋同时卷绕于一根中心管上而成，如图6-7所示。膜袋由两层膜构成，其中三个边沿被密封而粘接在一起，另一个开放的边沿与一根多孔的产品收集管即中心管相连。膜袋内填充多孔支撑材料以形成透过