第四章 化工原理 張宏麗

1、化工原理第四章 非均相物系的分離 第一節(jié) 概 述 一、非均相混合物的分離在工業(yè)中的應(yīng)用 非均相混合物的分離在工業(yè)生產(chǎn)中主要應(yīng)用于以下幾點(diǎn)： 1回收有用的分散相 收集粉碎機(jī)、沸騰干燥器、噴霧干燥器等設(shè)備出口氣流中夾帶的物料；收集蒸發(fā)設(shè)備出口氣流中帶出的藥液霧滴；回收結(jié)晶器中晶漿中夾帶的顆粒；回收催化反應(yīng)器中氣體夾帶的催化劑，以循環(huán)應(yīng)用等。第一節(jié) 概 述 2凈化連續(xù)相 除去藥液中無用的混懸顆粒以便得到澄清藥液；將結(jié)晶產(chǎn)品與母液分開；除去空氣中的塵粒以便得到潔凈空氣；除去催化反應(yīng)原料氣中的雜質(zhì)，以保證催化劑的活性等。 3環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn) 近年來，工業(yè)污染對環(huán)境的危害愈來愈明顯，利用機(jī)械分離的方法處

2、理工廠排出的廢氣、廢液，使其濃度符合規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，以保護(hù)環(huán)境；去除容易構(gòu)成危險隱患的漂浮粉塵以保證安全生產(chǎn)。 第一節(jié) 概 述 二、非均相混合物的分離方法 非均相混合物通常采用機(jī)械的方法分離，即利用非均相混合物中分散相和連續(xù)相的物理性質(zhì)(如密度、顆粒形狀、尺寸等)的差異，使兩相之間發(fā)生相對運(yùn)動而使其分離。根據(jù)兩相運(yùn)動方式的不同，機(jī)械分離可有兩種操作方式，過濾和沉降。 1.過濾 過濾是流體相對于固體顆粒床層運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)固液分離的過程。過濾操作的外力可以是重力、壓差或慣性離心力。因此，過濾操作又分為重力過濾、加壓過濾、真空過濾和離心過濾。第一節(jié) 概 述 2.沉降 沉降是在外力作用下使顆粒相對于流體(

3、靜止或運(yùn)動)運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)分離的過程。沉降操作的外力可以是重力(稱為重力沉降),也可以是慣性離心力(稱為離心沉降)。 此外對于含塵氣體的分離還有過濾凈制、濕法凈制、電凈制等方法。第二節(jié) 過濾 第二節(jié) 過濾 過濾推動力是過濾介質(zhì)兩側(cè)的壓力差。壓力差產(chǎn)生的方式有濾液自身重力、離心力和外加壓力,過濾設(shè)備中常采用后兩種方式產(chǎn)生的壓力差作為過濾操作的推動力。 用沉降法（重力、離心力）處理懸浮液，往往需要較長時間，而且沉渣中液體含量較多，而過濾操作可使懸浮液得到迅速的分離，濾渣中的液體含量也較低。當(dāng)被處理的懸浮液含固體顆粒較少時，應(yīng)先在增稠器中進(jìn)行沉降，然后將沉渣送至過濾機(jī)。在某些場合過濾是沉降的后續(xù)操作。

4、第二節(jié) 過濾 2.過濾方式 工業(yè)上的過濾操作主要分為餅層過濾和深層過濾。 (1)餅層過濾 圖4-1（a）所示，過濾時非均相混合物即濾漿置于過濾介質(zhì)的一側(cè),固體沉積物在介質(zhì)表面堆積、架橋而形成濾餅層如圖4-1（b）所示。濾餅層是有效過濾層,隨著操作的進(jìn)行其厚度逐漸增加。由于濾餅層截留的固體顆粒粒徑小于介質(zhì)孔徑,因此餅層形成前得到的渾濁初濾液，待濾餅形成后應(yīng)返回濾漿槽重新過濾,餅層形成后收集的濾液為符合要求的濾液。餅層過濾適用于處理固體含量較高的混懸液。 第二節(jié) 過濾 （a）濾餅過濾 （b）架橋現(xiàn)象 圖4-1餅層過濾示意圖 圖4-2 深層過濾第二節(jié) 過濾 (2)深層過濾 如圖4-2所示，過濾介質(zhì)是

5、較厚的粒狀介質(zhì)的床層,過濾時懸浮液中的顆粒沉積在床層內(nèi)部的孔道壁面上,而不形成濾餅。深層過濾適用于生產(chǎn)量大而懸浮顆粒粒徑小、固含量低或是粘軟的絮狀物。如自來水廠的飲水凈化、合成纖維紡絲液中除去固體物質(zhì)、中藥生產(chǎn)中藥液的澄清過濾等。 另外，膜過濾作為一種精密分離技術(shù)，近年來發(fā)展很快，已應(yīng)用于許多行業(yè)。膜過濾是利用膜孔隙的選擇透過性進(jìn)行兩相分離的技術(shù)。以膜兩側(cè)的流體壓差為推動力，使溶劑、無機(jī)離子、小分子等透過膜，而截留微粒及大分子。 工業(yè)生產(chǎn)中懸浮液固相含量一般較高(體積分?jǐn)?shù)大于1%),因此本節(jié)重點(diǎn)討論濾餅過濾。 第二節(jié) 過濾 3.過濾介質(zhì) 過濾過程所用的多孔性介質(zhì)稱為過濾介質(zhì)。性能優(yōu)良的過濾介質(zhì)

6、除能夠達(dá)到所需分離要求外，還應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，盡可能小的流過阻力，較高的耐腐蝕性和一定的耐熱性，最好表面光滑，濾餅剝離容易。 工業(yè)常用過濾介質(zhì)主要有織物介質(zhì)、多孔性固體介質(zhì)和微孔濾膜等。 （1）織物介質(zhì) 是由天然或合成纖維、金屬絲等編織而成的篩網(wǎng)、濾布，適于濾餅過濾，一般可截留的粒徑5m以上的固體微粒。 第二節(jié) 過濾 （2）多孔性固體介質(zhì) 是素瓷、金屬或玻璃的燒結(jié)物、塑料細(xì)粉粘結(jié)而成的多孔性塑料管等， 適用于含粘軟性絮狀懸浮顆?；蚋g性混懸液的過濾,一般可截留粒徑13m的微細(xì)粒子。 （3）粒狀介質(zhì) 是由各種固體顆粒(砂石、木炭、石棉)或非編織纖維(玻璃棉等)堆積而成。適用于深層過濾，如制劑

7、用水的預(yù)處理。 （4）微孔濾膜，是由高分子材料制成的薄膜狀多孔介質(zhì)。適用于精濾,可截留粒徑0.01m以上的微粒,尤其適用于濾除0.0210m的混懸微粒。 第二節(jié) 過濾 4.濾餅的壓縮性和助濾劑 (1)濾餅的壓縮性 若構(gòu)成濾餅的顆粒是不易變形的堅(jiān)硬固體顆粒,則當(dāng)濾餅兩側(cè)壓力差增大時,顆粒形狀和顆粒間空隙不發(fā)生明顯變化,這類濾餅稱為不可壓縮濾餅；有的懸浮顆粒比較軟，所形成的濾餅受壓容易變形,當(dāng)濾餅兩側(cè)壓力差增大時,顆粒的形狀和顆粒間的空隙有明顯改變,這類濾餅稱為可壓縮濾餅。濾餅的壓縮性對過濾效率及濾材的可使用時間影響很大,是設(shè)計(jì)過濾工藝和選擇過濾介質(zhì)的依據(jù)。 第二節(jié) 過濾 (2)助濾劑 為了減小可

8、壓縮濾餅的過濾阻力,可采用助濾劑改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu),以提高濾餅的剛性和孔隙率。助濾劑是有一定剛性的粒狀或纖維狀固體,常用的有硅藻土、活性炭、纖維粉、珍珠巖粉等。助濾劑應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性,不與混懸液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),不溶于液相中,在過濾操作的壓力差范圍內(nèi)具有不可壓縮性。 助濾劑的使用方法有預(yù)涂法和摻濾法兩種。預(yù)涂是把助濾劑單獨(dú)配成混懸液先行過濾,在過濾介質(zhì)表面形成助濾劑預(yù)涂層,然后再過濾濾漿。摻濾是把助濾劑按一定比例直接分散在待過濾的混懸液中,一起過濾，其加入量約為料漿的0.1%0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。由于助濾劑混在濾餅中不易分離,所以當(dāng)濾餅是產(chǎn)品時一般不使用助濾劑。第二節(jié) 過濾 5濾餅的洗滌 在濾餅的顆粒間

9、隙中總會殘留一定量的濾液。過濾終了，通常要用洗滌液（一般為清水）進(jìn)行濾餅的洗滌，以回收濾液或得到較純凈的固體顆粒。洗滌速率取決于洗滌壓強(qiáng)差、洗滌液通過的面積及濾餅厚度。 6過濾速率及影響因素 過濾速率是單位時間內(nèi)得到的濾液體積，增大過濾面積可增大過濾速率；加壓或減壓均可加快過濾速率，但可壓縮濾餅會使過濾速率變慢；而懸浮液的性質(zhì)和操作溫度對過濾速率也有影響。提高溫度，可降低液體的粘度，從而提高過濾機(jī)的過濾速率。但在真空過濾時，提高溫度會使真空度下降，從而降低了過濾速率。 第二節(jié) 過濾 二、過濾設(shè)備 過濾混懸液的設(shè)備稱為過濾機(jī)。為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝要求，過濾機(jī)有多種類型。按操作方式可分為間歇過濾機(jī)和

10、連續(xù)過濾機(jī),按過濾推動力產(chǎn)生的方式可分為壓濾機(jī)、真空過濾機(jī)和離心過濾機(jī)。 1板框壓濾機(jī) 板框壓濾機(jī)是一種歷史較舊，但仍沿用不衰的間歇式壓濾機(jī)。由若干塊濾板和濾框間隔排列,靠濾板和濾框兩側(cè)的支耳架在機(jī)架的橫梁上,用一端的壓緊裝置壓緊組裝而成，如圖4-3所示。濾板和濾框是板框壓濾機(jī)的主要工作部件，濾板和濾框的個數(shù)在機(jī)座長度范圍內(nèi)可自行調(diào)節(jié)，一般為1060塊不等，過濾面積為280m2。 第二節(jié) 過濾 圖4-3板框壓濾機(jī)1-固定頭；2-濾板；3-濾框；4-濾布；5-壓緊裝置第二節(jié) 過濾 濾板和濾框一般制成正方形，其構(gòu)造如圖4-4所示。板和框的角端均開有圓孔，裝合、壓緊后即構(gòu)成供濾漿、濾液和洗滌液流動的

11、通道。濾框兩側(cè)覆以濾布,空框和濾布圍成了容納濾漿及濾餅的空間。板又分為洗滌板和過濾板兩種,為便于區(qū)別，常在板、框外側(cè)鑄有小鈕或其它標(biāo)志，通常，過濾板為一鈕，框?yàn)槎o，洗滌板為三鈕（如圖4-4所示）。裝合時即按鈕數(shù)1-2-3-2-1-2-3-2-1的順序排列板和框。壓緊裝置的驅(qū)動可用手動、電動或液壓傳動等方式。 板框壓濾機(jī)為間歇操作,每個操作周期由裝配、壓緊、過濾、洗滌、坼開、卸料、處理等操作組成，板框裝合完畢,開始過濾。過濾時，懸浮液在指定的壓力下經(jīng)濾漿通道，由濾框角端的暗孔進(jìn)入框內(nèi)，濾液分別穿過兩側(cè)濾布，再經(jīng)鄰板板面流到濾液出口排走，固體則被截留于框內(nèi)，待濾餅充滿濾框后，即停止過濾。 第二節(jié)

12、 過濾 若濾餅需要洗滌，可將洗水壓人洗水通道，經(jīng)洗滌板角端的暗孔進(jìn)入板面與濾布之間。此時，應(yīng)關(guān)閉洗滌板下部的濾液出口，洗水便在壓力差推動下穿過一層濾布及整個厚度的濾餅，然后再橫穿另一層濾布，最后由過濾板下部的濾液出口排出，這種操作方式稱為橫穿洗滌法，其作用在于提高洗滌效果。洗滌結(jié)束后，旋開壓緊裝置并將板框拉開，卸出濾餅，清洗濾布，重新組合，進(jìn)入下一個操作循環(huán)。 板框壓濾機(jī)優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，制造方便、價格低；過濾面積大，可根據(jù)需要增減濾板以調(diào)節(jié)過濾能力；推動力大，對物料的適應(yīng)能力強(qiáng)，對顆粒細(xì)小而液體較大的濾漿也能適用。缺點(diǎn)是間歇操作，生產(chǎn)效率低；卸渣、清洗和組裝需要時間、人力，勞動強(qiáng)度大，但隨著各

13、種自動操作的板框壓濾機(jī)的出現(xiàn)，這一缺點(diǎn)會得到一定程度的改進(jìn)。第二節(jié) 過濾 圖4-4 濾板和濾框第二節(jié) 過濾 2轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī) 轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)為連續(xù)式真空過濾設(shè)備,如圖4-5所示。主機(jī)由濾漿槽、籃式轉(zhuǎn)鼓、分配頭、刮刀等部件構(gòu)成?；@式轉(zhuǎn)鼓是一個轉(zhuǎn)軸呈水平放置的圓筒,圓筒一周為金屬網(wǎng)上履以濾布構(gòu)成的過濾面,轉(zhuǎn)鼓在旋轉(zhuǎn)過程中,過濾面可依次浸入濾漿中。轉(zhuǎn)筒的過濾面積一般為540m2,浸沒部分占總面積的30%40%,轉(zhuǎn)速約為0.13r/min。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沿徑向分隔成若干獨(dú)立的扇形格,每格都有單獨(dú)的孔道通至分配頭上。轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動時,籍分配頭的作用使這些孔道依次與真空管及壓縮空氣管相通,因而,轉(zhuǎn)鼓每旋轉(zhuǎn)一周,每個扇形

14、格可依次完成過濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等操作。 第二節(jié) 過濾 轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)操作及分配頭的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，分配頭由緊密貼合的轉(zhuǎn)動盤和固定盤構(gòu)成,轉(zhuǎn)動盤裝配在轉(zhuǎn)鼓上一起旋轉(zhuǎn),固定盤內(nèi)側(cè)開有若干長度不等的凹槽與各種不同作用的管道相通。操作時轉(zhuǎn)動盤與固定盤相對滑動旋轉(zhuǎn),由固定盤上相連的不同作用的管道實(shí)現(xiàn)濾液吸出、洗滌水吸出及空氣壓人的操作。即當(dāng)轉(zhuǎn)鼓上某些扇形格浸入料漿中時,恰與濾液吸出系統(tǒng)相通,進(jìn)行真空吸濾,該部分扇形格離開液面時,繼續(xù)吸濾,吸走濾餅中殘余液體；當(dāng)轉(zhuǎn)到洗滌水噴淋處,恰與洗滌水吸出系統(tǒng)相通,在洗滌過程中將洗滌水吸走并脫水；在轉(zhuǎn)到與空氣壓人系統(tǒng)連接處,濾餅被壓人的空氣吹松并由刮刀刮

15、下。在再生區(qū)空氣將殘余濾渣從過濾介質(zhì)上吹除。轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)一周,完成一個操作周期,連續(xù)旋轉(zhuǎn)便構(gòu)成連續(xù)的過濾操作。 第二節(jié) 過濾 圖4-5轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)示意圖第二節(jié) 過濾 圖4-6 轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)操作及分配頭的結(jié)構(gòu)1-濾餅；2-刮刀；3-轉(zhuǎn)鼓；4-轉(zhuǎn)動盤；5-濾漿槽；6-固定盤；7-濾液出口凹槽；8-洗滌水出口凹槽；9-壓縮空氣進(jìn)口凹槽第二節(jié) 過濾 轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)操作,生產(chǎn)能力大,適于處理量大而容易過濾的料漿,對于難過濾的細(xì)、粘物料,采用助濾劑預(yù)涂的方式也比較方便,此時可將卸料刮刀稍微離開轉(zhuǎn)鼓表面一固定距離,可使助濾劑涂層不被刮下,而在較長時間內(nèi)發(fā)揮助濾作用。它的缺點(diǎn)是附屬設(shè)備較多,投資費(fèi)

16、用高,濾餅含液量高(常達(dá)30%)。由于是真空操作,料漿溫度不能過高。第三節(jié) 沉 降 一、重力沉降 重力沉降是依據(jù)重力作用而發(fā)生的沉降過程。一般用于氣、固混合物和混懸液的分離。它是利用混懸液中固體顆粒的密度大于浸提液的密度而使顆粒沉降分離。 1自由沉降和沉降速度 以固體顆粒在流體中的沉降為例進(jìn)行分析，顆粒的沉降速度與顆粒的形狀有很大關(guān)系，為了便于理論推導(dǎo)，先分析光滑球形顆粒的自由沉降速度。 (1)球形顆粒的自由沉降速度 顆粒在靜止流體中沉降時，不受其它顆粒的干擾及器壁的影響，稱為自由沉降。較稀的混懸液或含塵氣體中固體顆粒的沉降可視為自由沉降。第三節(jié) 沉 降 一個表面光滑的剛性球形顆粒置于靜止流體

17、中，當(dāng)顆粒密度大于流體密度時，顆粒將下沉，若顆粒作自由沉降運(yùn)動，在沉降過程中，顆粒受到三個力的作用：重力，方向垂直向下；浮力，方向向上；阻力，方向向上。如圖4-7所示。 圖4-7靜止流體中顆粒受力示意圖第三節(jié) 沉 降 設(shè)球形顆粒的直徑為 ,顆粒密度為 ,流體的密度為 ,則重力 、浮力 和阻力 分別為 （4-1） （4-2） （4-3） 式中 沉降顆粒沿沉降方向的最大投形面積，對 于球形顆粒=/4，m2； 顆粒相對于流體的降落速度，m/s； 沉降阻力系數(shù)。sdsgFbFdFgdFssg36gdFsb3622uAFdAu第三節(jié) 沉 降 對于一定的顆粒與流體，重力與浮力的大小一定，而阻力隨沉降速度而

18、變。根據(jù)牛頓第二定律有 （4-4） 式中 顆粒的質(zhì)量，kg; 加速度，m/s2; 當(dāng)顆粒開始沉降的瞬間， 為零,阻力也為零,加速度 為其最大值；顆粒開始沉降后，隨著 逐漸增大，阻力也隨著增大，直到速度增大到一定值 后，重力、浮力、阻力三者達(dá)到平衡，加速度為零；此時顆粒做勻速運(yùn)動的速度即為沉降速度，用 表示，單位為m/s。即 （4-5） maFFFdbgma0dbgFFFtutuauu第三節(jié) 沉 降 將（4-1）、（4-2）和（4-3）代入（4-5）整理得3)(4sstgdu 對于微小顆粒，沉降的加速階段時間很短，可以忽略不計(jì)，因此，整個沉降過程可以視為勻速沉降過程，加速度為零。在這種情況下可直

19、接將用于重力沉降過程，加速度為零。圖4-8 球形顆粒自由沉降的-第三節(jié) 沉 降 用式（4-6）式計(jì)算沉降速度 時,必須確定沉降阻力因數(shù) 。 是顆粒與流體相對運(yùn)動時,以顆粒形狀及尺寸為特征量的雷諾數(shù) 的函數(shù),一般由實(shí)驗(yàn)測定。圖4-8為通過實(shí)驗(yàn)測定并綜合繪制的 - 關(guān)系曲線。對于球形顆粒,圖中曲線大致可分為三個區(qū)域,各區(qū)域中與 的函數(shù)關(guān)系可分別表示為 層流區(qū) 10-4 1 （4-7） 過渡區(qū) 1 103 （4-8） 湍流區(qū) 103 2105 （4-9） tu/tsetudR etRetR,24etR,5 .186 . 0etR44. 0etRetRetR第三節(jié) 沉 降 將式（4-7）、（4-8）和

20、（4-9）分別代入（4-6）式，可得各區(qū)域的沉降速度公式為 層流區(qū) 10-4 1 （4-10） 過渡區(qū) 1 103 （4-11） 湍流區(qū) 103 2105 （4-12） 式（4-10）、（4-11）、（4-12）分別稱為斯托克斯公式、艾侖公式及牛頓公式。由此三式可看出，在整個區(qū)域內(nèi)，及(-)越大則沉降速度越大；在層流區(qū)由于流體粘性引起的表面摩擦阻力占主要地位，因此層流區(qū)的沉降速度與流體粘度成反比。18)(2sstgdu6 .0)(27.0etsstRgdugdusst)(74. 1etRetRetR第三節(jié) 沉 降 (2)非球形顆粒的自由沉降速度 非球形顆粒的幾何形狀及投影面積A對沉降速度都有影

21、響。顆粒向沉降方向的投影面積A愈大，沉降阻力愈大，沉降速度愈慢。一般地,相同密度的顆粒，球形或近球形顆粒的沉降速度大于同體積非球形顆粒的沉降速度。 非球形顆粒幾何形狀與球形的差異程度，用球形度表示，即一個任意幾何形體的球形度，等于體積與之相同的一個球形顆粒的表面積與這個任意形狀顆粒的表面積之比。當(dāng)體積相同時，球形顆粒的表面積最小，因此，球形度值越小，顆粒形狀與球形的差異越大，當(dāng)顆粒為球形時，球形度為1。 非球形顆粒的大小可用當(dāng)量直徑表示，即與顆粒等體積球形顆粒的直徑，稱為體積當(dāng)量直徑。第三節(jié) 沉 降 2重力沉降設(shè)備及其生產(chǎn)能力 (1)降塵室 是利用重力沉降的作用從含塵氣體中除去固體顆粒的設(shè)備稱

22、為降塵室，其結(jié)構(gòu)如4-9所示。含塵氣體進(jìn)入降塵室后，流通截面積擴(kuò)大，速度降低，使氣體在降塵室內(nèi)有一定的停留時間。若在這個時間內(nèi)顆粒沉到了室底，則顆粒就能從氣體中除去。要保證塵粒從氣體中分離出來，則顆粒沉降至底部所用時間必須小于等于氣體通過沉降室的時間。圖4-9降塵室第三節(jié) 沉 降 圖4-10多層隔板降塵室圖4-11 連續(xù)沉降器第三節(jié) 沉 降 設(shè) 為降塵室所處理的含塵氣體的體積流量，即降塵室的生產(chǎn)能力為 （4-13） 上式表明，降塵室生產(chǎn)能力只與降塵室的底面積及顆粒的沉降速度 有關(guān)，而與降塵室高度 無關(guān)，所以降塵室一般采用扁平的幾何形狀，或在室內(nèi)加多層隔板,形成多層降塵室如圖4-10所示,以提高

23、其生產(chǎn)能力和除塵效率。 降塵室結(jié)構(gòu)簡單，但設(shè)備龐大、效率低，只適用于分離粗顆粒（一般指直徑75m以上的顆粒），或作為預(yù)分離設(shè)備。 tvBLuq vqtuH第三節(jié) 沉 降 (2)沉降槽 處理懸浮液的重力沉降設(shè)備，稱為沉降器或增濃器。沉降槽可分間歇式、半連續(xù)式和連續(xù)式三種。 在化工生產(chǎn)中常用連續(xù)操作的沉降槽如圖4-11所示，它是一個帶錐形底的圓池，懸浮液由位于中央的進(jìn)料口加至液面以下，經(jīng)一水平擋板折流后沿徑向擴(kuò)展，隨著顆粒的沉降，液體緩慢向上流動，經(jīng)溢流堰流出得到清液，顆粒則下沉至底部形成沉淀層，由緩慢轉(zhuǎn)動的耙將沉渣移至中心，從底部出口排出。間歇沉降槽的操作過程是將裝入的料漿靜止足夠時間后，上部清

24、液使用虹吸管或泵抽出，下部沉渣從低口排出。 第三節(jié) 沉 降 沉降槽有澄清液體和增稠懸浮液的雙重作用功能，與降塵室類似，沉降槽的生產(chǎn)能力與高度無關(guān)，只與底面積及顆粒的沉降速度有關(guān)，故沉降槽一般均制造成大截面、低高度。大的沉降槽直徑可達(dá)10100m、深2.54m。它一般用于大流量、低濃度懸浮液的處理。沉降槽處理后的沉渣中還含有大約50%的液體，必要時再用過濾機(jī)等作進(jìn)一步處理。 對于含有顆粒直徑小于1m的液體，一般稱為溶膠，由于顆粒直徑小較難分離。為使小顆粒 增大，常加絮凝劑使小粒子變成大粒子。例如，河水凈化加明礬KAl(SO4)2l2H2O,使水中細(xì)小污物沉降。常用的電解質(zhì)，除了明礬還有三氧化鋁、

25、綠礬、三氯化鐵等。一般用量為40200mg/kg。近年來，已研究出某些高分子絮凝劑。tu第三節(jié) 沉 降 二、離心沉降 在重力沉降中，當(dāng)顆粒小時，小，需沉降設(shè)備大，為提高其生產(chǎn)能力可使用離心沉降，因?yàn)殡x心力比重力大得多，改用離心沉降則可大大提高沉降速度，設(shè)備尺寸也可縮小很多。 1.離心沉降速度和離心分離因數(shù)第三節(jié) 沉 降 (1)離心沉降速度 其推導(dǎo)方法和重力沉降速度相似，在離心沉降設(shè)備中，當(dāng)流體帶著顆粒旋轉(zhuǎn)時,如果顆粒的密度大于流體的密度,則慣性離心力將會使顆粒在徑向上與流體發(fā)生相對運(yùn)動而飛離中心。和顆粒在重力場中受到三個作用力相似，慣性離心力場中顆粒在徑向上也受到三個力的作用,即慣性離心力、向

26、心力(相當(dāng)于重力場中的浮力,其方向?yàn)檠匕霃街赶蛐D(zhuǎn)中心)和阻力(與顆粒的運(yùn)動方向相反,其方向?yàn)檠匕霃街赶蛑行?。如果球形顆粒的直徑為、 密度為 ,流體密度為 ,顆粒與中心軸的距離為 ,切向速度 為,則其離心沉降速度 為 （4-14） sdsRTuru)(3)(42RuduTssr第三節(jié) 沉 降 離心沉降若顆粒處于層流區(qū)，則阻力因數(shù)也符合斯托克斯定律。將 代入（4-14）得 （4-15） 式中 含塵氣體的進(jìn)口氣速，m/s； 顆粒的旋轉(zhuǎn)半徑，m。 (2)離心分離因數(shù) 離心分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)。工程上，常將離心加速度 與重力加速度 之比稱為離心分離因數(shù)。 , 越高，其離心分離效率越高

27、。離心分離因數(shù)的數(shù)值一般為幾百到幾萬，因此，同一顆粒在離心場中的沉降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在重力場中的沉降速度，用離心沉降可將更小的顆粒從流體中分離出來。RuduTssr18)(22etR/24TuRRuT/2gckRguT/2ck第三節(jié) 沉 降 2旋風(fēng)分離器 氣-固非均相物系的離心分離一般在旋風(fēng)分離器中進(jìn)行，液-固非均相物系的分離一般在旋液分離器和沉降離心機(jī)中進(jìn)行。本節(jié)重點(diǎn)介紹旋風(fēng)分離器。 由于在離心場中顆粒可以獲得比重力大得多的離心力，因此，對兩相密度相差較小或顆粒粒度較細(xì)的非均相物系，利用離心沉降分離要比重力沉降有效得多。 (1)旋風(fēng)分離器的構(gòu)造和操作原理 主體的上部為圓筒形，下部為圓錐形，中央

28、有一升氣管。含塵氣體從側(cè)面的矩形進(jìn)氣管切向進(jìn)入器內(nèi)，然后在圓筒內(nèi)作自上而下的圓周運(yùn)動。顆粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)過程中被拋向器壁，沿器壁落下，自錐底排出。由于操作時旋風(fēng)分離器底部處于密封狀態(tài)，所以，被凈化的氣體到達(dá)底部后折向上，沿中心軸旋轉(zhuǎn)著從頂部的中央排氣管排出。 第三節(jié) 沉 降 圖4-12 標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)分離器第三節(jié) 沉 降 旋風(fēng)分離器構(gòu)造簡單，分離效率較高，操作不受溫度、壓強(qiáng)的限制，分離因數(shù)約為52500，一般可分離氣體中575m直徑的粒子。 (2)旋風(fēng)分離器的主要性能參數(shù) 臨界直徑、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)，也是評價旋 風(fēng)分離器性能好壞的主要指標(biāo)

29、。 臨界粒徑 即旋風(fēng)分離器能夠分離出最小顆粒的直徑。臨界粒徑的大小是判斷旋風(fēng)分離器分離效率高低的重要依據(jù)。臨界粒徑的計(jì)算式為 第三節(jié) 沉 降 （4-16） 式中 ui含塵氣體的進(jìn)口氣速，m/s; B旋風(fēng)分離器的進(jìn)口寬度，m; N氣流的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，對標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器， 可取N=5； 顆粒的密度，kg/m3; 流體的黏度，Pas。siscud9第三節(jié) 沉 降分離效率 旋風(fēng)分離器的分離效率通常有兩種表示方法，即總效率 （4-17）粒級效率 （4-18） （4-19） 式中 C1、C2旋風(fēng)分離器進(jìn)出口氣體含塵的濃度， g/m3； C1i、C2i進(jìn)出口氣體含塵的粒徑在段范圍內(nèi)顆粒的濃度， g/m3； xi第

30、段粒徑范圍內(nèi)顆粒占全部顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。1210CCC iiiiCCC121iix0第三節(jié) 沉 降 總效率是工程計(jì)算中常用的，也是最容易測定的，但它卻不能準(zhǔn)確代表該旋風(fēng)分離器的分離性能。因?yàn)楹瑝m氣體中顆粒粒徑通常是大小不均的,不同粒徑的顆粒通過旋風(fēng)分離器分離的百分率是不同的，因此，只有對相同粒徑范圍的顆粒分離效果進(jìn)行比較，才能得知該分離器分離性能的好壞。特別是對細(xì)小顆粒的分離，這時用粒級效率則更有意義。如果已知粒級效率，并且已知含塵氣體中粒徑分布數(shù)據(jù)，則可根據(jù)式(4-19)計(jì)算其總效率。 壓力降 旋風(fēng)分離器的壓力降是評價其性能的重要指標(biāo)。壓力降產(chǎn)生的主要原因，是由于氣體經(jīng)過器內(nèi)時的膨脹、壓縮、旋

31、轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向及對器壁的摩擦而消耗大量的能量。氣體通過旋風(fēng)分離器的壓力降應(yīng)盡可能小，分離設(shè)備壓力降的大小是決定分離過程能耗和合理選擇風(fēng)機(jī)的依據(jù)。仿照第一章壓力降計(jì)算方法得第三節(jié) 沉 降 （4-20） 式中 阻力系數(shù)，對一定的旋風(fēng)分離器形式, 為一 定圖4-12所示的標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器, =8.0。 旋風(fēng)分離器壓降一般在5002000Pa之間。 ui愈小，壓降愈低，雖然輸送能耗降低，但分離效率也降低，從經(jīng)濟(jì)角度考慮可取ui=1525m/s。不僅如此，旋風(fēng)分離器的壓降還與其形狀有關(guān)，一般來說，短粗形的旋風(fēng)分離器壓降較小，處理量大，但分離效率低；細(xì)長形的則壓降較大，處理量不大，分離效率高。 22iu第三節(jié) 沉

32、 降 旋風(fēng)分離器一般可分離575m的非纖維、非粘性干燥粉塵，對5m以下的細(xì)微顆粒分離效率較低。旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡單緊湊、無運(yùn)動部件，操作不受溫度和壓強(qiáng)的限制，價格低廉、性能穩(wěn)定，可滿足中等粉塵集捕要求，故廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)部門。 3旋液分離器 旋液分離器又稱水力旋流器，是利用離心沉降原理分離液固混合物的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和操作原理與旋風(fēng)分離器類似。設(shè)備主體也是由圓筒體和圓錐體兩部分組成，如圖4-13所示。懸浮液由人口管切向進(jìn)入，并向下作螺旋運(yùn)動，固體顆粒在慣性離心力作用下，被甩向器壁后隨旋流降至錐底。由底部排出的稠漿稱為底流；清液和含有微細(xì)顆粒的液體則形成內(nèi)旋流螺旋上升，從頂部中心管排出，稱為溢流。內(nèi)

33、旋流中心為處于負(fù)壓的氣柱，這些氣體可能是由料漿中釋放出來，或由于溢流管口暴露于大氣時將空氣吸入器內(nèi)的,但氣柱有利于提高分離效果。 第三節(jié) 沉 降 圖4-13 旋液分離器示意圖第三節(jié) 沉 降 旋液分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是直徑小而圓錐部分長，其進(jìn)料速度約為210m/s,可分離的粒徑約為5200m 。若料漿中含有不同密度或不同粒度的顆粒,可令大直徑或大密度的顆粒從底流送出,通過調(diào)節(jié)底流量與溢流量比例，控制兩流股中顆粒大小的差別，這種操作成為分級。用于分級的旋液分離器成為水力分粒器。 三、 其它氣體凈制設(shè)備 重力沉降和離心沉降主要用于固體濃度較高的含塵氣體的分離凈制，而對分離效率要求較高的凈制工藝或?qū)瑝m濃

34、度較低且含微細(xì)塵粒氣體的凈制，需用其它的凈制方法及設(shè)備。 第三節(jié) 沉 降 1過濾凈制 用過濾法將含塵氣體中塵粒濾除的凈制方法稱為氣體的過濾凈制。常用的過濾凈制設(shè)備是袋濾器，其結(jié)構(gòu)如圖4-14所示，主要由濾袋、濾袋支承骨架、脈沖清灰裝置、機(jī)殼、灰斗和排灰閥等部件構(gòu)成。工作時，含塵氣體自下部進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入袋濾器，氣體穿過支撐于骨架上的濾袋由袋外進(jìn)入袋內(nèi)，氣體中的固體顆粒被截留在濾袋外表面上，潔凈氣體匯集于上部出風(fēng)管排出，截留在濾袋外表面的塵粒積至一定厚度時，清灰裝置自動定時開啟，壓縮空氣由袋內(nèi)向袋外脈沖式反吹，使袋外表面的塵粒落入灰斗，通過排灰閥排出。 第三節(jié) 沉 降 圖4-14脈沖式袋濾器1-進(jìn)風(fēng)管

35、；2-濾袋骨架；3-文丘里管；4-噴嘴；5-電磁閥；6-連接壓縮空氣管；7-凈化氣體出口；8-灰斗；9-排回口灰閥；10-出回口第三節(jié) 沉 降 袋濾器的濾塵效率和生產(chǎn)能力與制作布袋的材料和總過濾面積有關(guān)，為了提高總過濾面積，布袋制成細(xì)長的管狀，每個濾袋長度為23.5m，直徑為120300mn，按一定排列形式安裝在機(jī)殼內(nèi)。選擇孔隙率高，氣流阻力小，纖股間隙小的濾布制作濾袋。 袋濾器一般可濾除1m以上粒徑的塵粒,除塵效率可高達(dá)99.9%以上。對含塵濃度高的氣體常將袋濾器串聯(lián)在旋風(fēng)分離器后面,以提高除塵效率。袋濾器和旋風(fēng)分離器配合對藥物粉末的收集具有很好的效果。袋濾器不適于處理含濕量過高的氣體。 第

36、三節(jié) 沉 降 2濕法凈制 氣體的濕法凈制是使含塵氣體與水接觸使其中塵粒被水粘附除去的凈制方法。氣體濕法凈制的設(shè)備類型有多種，其基本原理都是在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生氣固水三相高度湍動,以提高氣固水的接觸，使塵粒被水粘附。故濕法凈制不適用于固體塵粒為有用物料的回收工藝。 (1)文丘里洗滌器 其結(jié)構(gòu)如圖4-15所示，由收縮管、喉管、擴(kuò)散管三部分組成。擴(kuò)散管后面接旋風(fēng)分離器。工作時用可調(diào)錐調(diào)整氣體流速，使含塵氣體以50100m/s的氣速通過喉管，洗滌水由喉管六周邊均布的小孔送入洗滌器時被高速氣流噴成很細(xì)的液滴，使塵粒附聚于水滴中而提高了沉降粒子的粒徑，隨后在旋風(fēng)分離器中與氣體分離。第三節(jié) 沉 降 圖4-15文丘里

37、除塵器1-洗滌管；2-有孔的喉管；3-旋風(fēng)分離器；4-沉降槽 圖4-16泡沫塔1-外殼；2-篩板；3-錐形底；4-進(jìn)液室；5-液流擋板第三節(jié) 沉 降 文丘里洗滌器結(jié)構(gòu)簡單，沒有活動件，結(jié)實(shí)耐用，操作方便，洗滌水用量約為氣體體積流量的千分之一，可除去0.1m以上的塵粒，除塵效率可達(dá)95%99%，但壓力降較大，一般為20005000Pa。 (2)湍球塔 湍球塔是一種高效除塵設(shè)備，主要由塔體、噴水管、支承篩板、輕質(zhì)小球、擋網(wǎng)、除沫器等部分組成,工作時洗滌水自塔上部噴水管灑下,含塵氣體自下部進(jìn)風(fēng)管送入塔內(nèi),當(dāng)達(dá)到一定風(fēng)速時,使篩板上面的小球劇烈翻騰形成水-氣-小球三相湍動以增大氣-液兩相接觸和碰撞的機(jī)

38、會,使塵粒被水吸附與氣體分離。除塵效率高。為防止快速上升氣流中夾帶霧沫，塔上部裝有除沫裝置。湍球塔氣流速度快,氣液分布比較均勻,生產(chǎn)能力大。 第三節(jié) 沉 降 (3)泡沫塔 泡沫塔結(jié)構(gòu)見圖4-16所示，篩板上有一定高度的液體,當(dāng)含塵氣流以高速由下而上通過篩孔進(jìn)入液層時,形成大量強(qiáng)烈擾動的泡沫以擴(kuò)大氣液接觸面,使氣體中的塵粒被泡沫層吸附，由于氣液兩相的接觸面積很大，因而除塵效率較高，若氣體中所含的塵粒直徑大于5m，分離效率可達(dá)99%。泡沫塔是空塔板的一種，除可用于除塵外，也可用于蒸餾等。 3氣體的電凈制 氣體的電凈制是利用高壓直流靜電場的電離作用使通過電場的含塵氣體中的塵粒帶電，帶電塵粒被帶相反電

39、荷的電極板吸附，將塵粒從氣體中分離出來，使氣體得以凈制的方法稱為氣體電凈制。用于氣體電凈制的設(shè)備稱為靜電除塵器。靜電除塵器能有效地捕集0.1m甚至更小的塵粒或霧滴，分離效率可高達(dá)99.99%。氣流在通過靜電除塵器時阻力較小,氣體處理量可以很大。缺點(diǎn)是設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)較高，安裝、維護(hù)、管理要求嚴(yán)格。 第四節(jié) 離心分離 一、離心分離的概念 利用離心力分離液態(tài)非均相物系中兩種比重不同物質(zhì)的操作稱為離心分離。適于離心分離的液態(tài)非均相物系包括液-固混合物系(混懸液)和液-液混合物系(乳濁液)。 用于離心分離的設(shè)備稱為離心機(jī)。它與旋液分離器的主要區(qū)別在于離心力是由設(shè)備（轉(zhuǎn)鼓）本身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，由于離心機(jī)可產(chǎn)生

40、很大的離心力，故可用來分離用一般方法難與分離的混懸液或乳濁液。 第四節(jié) 離心分離 離心機(jī)按設(shè)備結(jié)構(gòu)和分離工藝過程可分為離心過濾式和離心沉降式兩種類型: (1)離心過濾式離心機(jī) 轉(zhuǎn)鼓上有小孔,并襯以金屬網(wǎng)和濾布,混懸液在轉(zhuǎn)鼓帶動下高速旋轉(zhuǎn),液體和其中懸浮顆粒在離心力作用下快速甩向轉(zhuǎn)鼓而使轉(zhuǎn)鼓兩側(cè)產(chǎn)生壓力差,在此壓力差作用下,液體穿過濾布排出轉(zhuǎn)鼓,而混懸顆粒被濾布截留形成濾餅。 (2)離心沉降式離心機(jī) 轉(zhuǎn)鼓上無孔,混懸液或乳濁液被轉(zhuǎn)鼓帶動高速旋轉(zhuǎn)時,密度較大的物相向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁沉降,密度較小的物相趨向旋轉(zhuǎn)中心而使兩相分離。在沉降式離心機(jī)中的離心分離原理與第二節(jié)所述的離心沉降原理相同,不同的是在旋風(fēng)分離

41、器或旋液分離器中的離心力場是靠高速流體自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的,而離心機(jī)中的離心力場是由離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)帶動液體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。第四節(jié) 離心分離 如前所述,離心分離因數(shù)kc是離心分離設(shè)備的重要性能參數(shù),設(shè)備的離心分離因數(shù)越大,則分離性能越好。離心機(jī)的kc計(jì)算式與第二節(jié)所述相同,即 （4-21） 式中 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的切向速度，m/s； 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁半徑，m。 根據(jù)離心分離因數(shù)的大小，又可將離心機(jī)分為以下三類：常速離心機(jī)kc50000。分離因數(shù)的上限值取決于主軸和轉(zhuǎn)鼓等部件的材料長度及機(jī)器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等。目前可生產(chǎn)分離因數(shù)500000以上的離心機(jī)，可以用來分離膠體顆粒及破壞乳濁液等。 離心機(jī)還可按操作方式分為間歇式和連續(xù)式，或根據(jù)轉(zhuǎn)鼓軸線的方向分為立式和臥式。 RgukTc2TuR第四節(jié) 離心分離 二、二、離心機(jī) 1三足式離心機(jī) 三足式離心機(jī)是一臺間歇操作、人工卸料的立式離心機(jī)。在工業(yè)上采用較早，目前仍是國內(nèi)應(yīng)用最廣、制造數(shù)目最多的一種離心機(jī)，圖4-17 為其結(jié)構(gòu)示意圖。離心機(jī)的主要部件是一籃式轉(zhuǎn)鼓,壁面鉆有許多小孔,內(nèi)壁襯有金屬絲網(wǎng)及濾布。整個機(jī)座和外罩藉三根拉桿彈簧懸掛于三足支柱上,以減輕運(yùn)