第3章非均相物系的分離 2

1、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(guò)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(guò)濾 3.4 離心分離3.1 3.1 概述概述 一、基本概念一、基本概念 1、 化工生產(chǎn)上經(jīng)常處理不同類(lèi)型的混合物。按化工生產(chǎn)上經(jīng)常處理不同類(lèi)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照相數(shù)這些混合物可分為均相物系和非均相物系兩類(lèi)。系兩類(lèi)。2、均相物系物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻，、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

2、體。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、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(jiàn)的非均相物系有：側(cè)物料性質(zhì)截然不同。常見(jiàn)的非均相物系有： 氣固系統(tǒng)氣固系統(tǒng)(空氣中的塵?？諝庵械膲m埃) 液固系統(tǒng)液固系統(tǒng)(液體中的固體顆粒液體中的固體顆粒) 氣液系統(tǒng)氣液系統(tǒng)(氣體中的液滴氣體中的液滴) 液液系統(tǒng)液液系統(tǒng)(乳濁液中的微滴乳濁液中的微滴)等。等。基本概念基本概念 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(chēng)為分散的塵埃、固體顆粒、氣泡和微滴等統(tǒng)稱(chēng)為分散物質(zhì)物質(zhì)(或稱(chēng)或稱(chēng)分散相分散相)，而

3、非均相物系中包圍著分，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(chēng)為散相而處于連續(xù)狀態(tài)的流體如氣體、液體稱(chēng)為分散介質(zhì)分散介質(zhì)(或稱(chēng)或稱(chēng)連續(xù)相連續(xù)相)。二、非均相物系的分離二、非均相物系的分離 1、分離的依據(jù)、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(guò)濾和沉降。二、非均相物系的分離二、非均相物系的分離 3、非均相物系的分離、

4、非均相物系的分離在工業(yè)中的應(yīng)用主要有：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(mǎn)足環(huán)境保護(hù)的要求，確保安全生產(chǎn)。一、重力沉降速度一、重力沉降速度 依據(jù)重力作用而發(fā)生的沉降過(guò)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(guò)程，稱(chēng)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、球形顆粒的自由沉降 1）沉降速度）沉降速度 若固體顆粒在沉降過(guò)程中，不受流體中其它顆粒的干擾及器壁的影響的沉降過(guò)程，稱(chēng)為自由沉降自由沉降。 如較稀的混懸液和含塵氣體中的固體顆粒的沉降。3.2 重力沉降重力沉降maFFFdbg根

5、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:242222uduAFpdgdFppg36gdFpb36p為顆粒密度u重力重力 F g阻力阻力 F d浮力浮力 F b自由沉降假設(shè)的條件：微粒是球形的；沉降的微粒相距較遠(yuǎn)，互補(bǔ)干擾；自由沉降假設(shè)的條件：微粒是球形的；沉降的微粒相距較遠(yuǎn)，互補(bǔ)干擾；器壁對(duì)微粒的阻滯作用忽略，粒徑不能小于器壁對(duì)微粒的阻滯作用忽略，粒徑不能小于2 23 3m m。 當(dāng)顆粒開(kāi)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

6、力三者達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)a =0，顆粒開(kāi)始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)。此時(shí)顆粒的速度稱(chēng)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。3)(4pptgdu0dbgFFF2）阻力系數(shù)）阻力系數(shù) 阻力系數(shù)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 =f( Re)tpeudR 阻力系數(shù)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(xiàn)按Re值可分成三個(gè)區(qū)，即層流區(qū)，又稱(chēng)斯托克斯區(qū)210 244-eeRR2）阻力系數(shù)）阻力系數(shù) (2) 過(guò)渡區(qū) 2 Re 500 (3) 湍流區(qū) =0.44 500 Re 2105 對(duì)應(yīng)各區(qū)沉降速度對(duì)應(yīng)各區(qū)沉降速度ut的計(jì)算公式如下：的計(jì)算公式如下： (1) 層流區(qū)

7、 (2) 過(guò)渡區(qū) （3）湍流區(qū) Re1018)(2pptgdupptdgu3122225)(4)(03. 3pptgdu2.重力沉降設(shè)備重力沉降設(shè)備 （1）降塵室）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多層隔板降塵室示意圖 含塵氣體含塵氣體粉塵粉塵隔板隔板凈化氣體凈化氣體 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20m以上的顆粒，但是排灰不方便。以上的顆粒，但是排灰不方便。連續(xù)沉降槽連續(xù)沉降槽3.3 3.3 過(guò)濾過(guò)濾 一、懸浮液的過(guò)濾一、懸浮液的過(guò)濾 （一）基

8、本概念（一）基本概念1、過(guò)濾就是在推動(dòng)力作用下，使懸浮液中的液體通過(guò)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；懸浮液(濾漿)濾餅過(guò)濾介質(zhì)濾液（一）基本概念（一）基本概念3、過(guò)濾介質(zhì)在過(guò)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(guò)濾介質(zhì)上的固體顆粒5、濾液過(guò)濾后的液體6、過(guò)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）懸浮液(濾漿)濾餅過(guò)濾介質(zhì)濾液(1)(1)過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾介質(zhì)的分類(lèi)： 織物介質(zhì)(又稱(chēng)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)：

9、 由各種固體顆粒（細(xì)砂、硅藻土等）堆積而成， 多用于深床過(guò)濾。 多孔固體介質(zhì)：這類(lèi)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(guò)濾的基本方式）過(guò)濾的基本方式 2、按過(guò)濾機(jī)理分、按過(guò)濾機(jī)理分 濾餅過(guò)濾濾餅過(guò)濾 懸浮液中的固體顆粒沉積在過(guò)濾介質(zhì)表面上形成濾餅層，液體穿過(guò)濾餅層中空隙，此過(guò)濾過(guò)程稱(chēng)為濾餅過(guò)濾，又稱(chēng)為表面過(guò)濾。其特點(diǎn)是隨著過(guò)濾時(shí)間的增長(zhǎng)，濾餅層增厚，過(guò)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“架橋架橋”現(xiàn)象：現(xiàn)象：如圖，由于“架橋”現(xiàn)象的出現(xiàn)，才使過(guò)濾操作真正開(kāi)始，故實(shí)際起實(shí)際起過(guò)濾作用的是濾餅（濾渣）而非過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾作用

10、的是濾餅（濾渣）而非過(guò)濾介質(zhì)。a.濾餅過(guò)濾（2）過(guò)濾的基本方式）過(guò)濾的基本方式深層過(guò)濾深層過(guò)濾固體顆粒不形成濾餅，而是沉積在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部的過(guò)濾操作稱(chēng)為深層過(guò)濾。深床過(guò)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(guò)濾二、過(guò)濾速率基本方程式二、過(guò)濾速率基本方程式 1、過(guò)濾速率、過(guò)濾速率 過(guò)濾速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間獲得的濾液體積；m3/s 定義式為： 過(guò)濾速度：?jiǎn)挝贿^(guò)濾面積上的過(guò)濾速率；m/s 定義式為：ddVAddV二、過(guò)濾速率基本方程式二、過(guò)濾速率基本方程式 2、濾液通過(guò)濾渣層的流動(dòng)、濾液通過(guò)濾渣層的流動(dòng) 過(guò)濾過(guò)程實(shí)際上是流體通過(guò)濾渣和過(guò)濾介質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程，而這個(gè)過(guò)程中阻力主要集中在濾渣層

11、中，因此我們主要考慮濾液通過(guò)濾渣層的流動(dòng)問(wèn)題。 液體通過(guò)濾餅層為層流，其流速為：lPduc322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(guò)濾設(shè)備（三）過(guò)濾設(shè)備 按操作方式分類(lèi)：間歇過(guò)濾機(jī)、連續(xù)過(guò)濾機(jī)按操作壓強(qiáng)差分類(lèi)：壓濾、吸濾和離心過(guò)濾工業(yè)上使用的典型過(guò)濾設(shè)備： 板框壓濾機(jī)（間歇操作） 轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)（連續(xù)操作） 過(guò)濾式離心機(jī)（一）、板框壓濾機(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1232123之規(guī)律。組裝之后的過(guò)濾

12、和洗滌原理如圖所示。 110987654321817161514131112轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)筒及分配頭的結(jié)構(gòu)18格分成格分成6個(gè)工作區(qū)個(gè)工作區(qū) 1區(qū)區(qū)(17格格)：過(guò)濾區(qū)；：過(guò)濾區(qū)； 2區(qū)區(qū)(811格格)：濾液吸干區(qū)；：濾液吸干區(qū)； 3區(qū)區(qū)(1214格格)：洗滌區(qū)；：洗滌區(qū)； 4區(qū)區(qū)(15格格)：洗后吸干區(qū)；：洗后吸干區(qū)； 5區(qū)區(qū)(1617格格)：吹松卸渣區(qū)；：吹松卸渣區(qū)； 6區(qū)區(qū)(18格格)：濾布再生區(qū)。：濾布再生區(qū)。l過(guò)濾區(qū)過(guò)濾區(qū)(12區(qū)區(qū))，f 槽槽; l洗滌區(qū)洗滌區(qū)(34區(qū)區(qū))，g槽槽 ; l干燥卸渣區(qū)干燥卸渣區(qū)(56區(qū)區(qū))，h 槽槽;f 槽槽動(dòng)盤(pán)動(dòng)盤(pán)定盤(pán)定盤(pán)h 槽槽g 槽槽DWV

13、TVQ36003600nVnnKAnVQee)60(606022)(3332rRpRfDWVTVQ360036004終了過(guò)濾速率洗滌速率 幾種過(guò)濾設(shè)備的比較幾種過(guò)濾設(shè)備的比較3.4 3.4 離心分離離心分離 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(chēng)為離心沉降。 1、離心沉降速率和離心分離因數(shù) （1 1）離心沉降速率）離心沉降速率 當(dāng)流體圍繞某一中心軸線(xiàn)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

14、離心力，有利于分離。（1 1）離心沉降速率）離心沉降速率RudRuTppT2r3)(4u 則而RuduTppr2218)(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，將代入代入則得：則得：說(shuō)明說(shuō)明：ur稱(chēng)為離心沉降速率，方向徑向向外。稱(chēng)為離心沉降速率，方向徑向向外。它并不是顆它并不是顆粒運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度，而是徑向分量，即顆粒離開(kāi)旋轉(zhuǎn)中心的粒運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度，而是徑向分量，即顆粒離開(kāi)旋轉(zhuǎn)中心的速度速度。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。的螺旋形軌道前進(jìn)的。（2 2）

15、離心分離因數(shù)）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)。離心分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要性能參數(shù)。 工程上工程上將離心加速度與重力加速度之比稱(chēng)為離心分離因數(shù)將離心加速度與重力加速度之比稱(chēng)為離心分離因數(shù)。即：即：RgukTc2 表明了離心沉降速率比重力沉降速率增大的倍數(shù)。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，越高，其離心分離效果越高。其離心分離效果越高。 例如：例如：R0.4m，切向速率，切向速率uT20m/s，求，求Kc =? 結(jié)論：離心沉降比重力沉降分離效果好，高出結(jié)論：離心沉降比重力沉降分離效果好，高出102倍。能倍。能分離出更小的固體顆粒，且設(shè)備體積大為縮小

16、。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、離心分離設(shè)備 利用慣性離心力利用慣性離心力的作用從氣體中的作用從氣體中分離出固體顆粒分離出固體顆?；蛞旱蔚脑O(shè)備?；蛞旱蔚脑O(shè)備。 (1)、旋風(fēng)分離、旋風(fēng)分離器的構(gòu)造和操作器的構(gòu)造和操作 外圓筒、內(nèi)圓筒、外圓筒、內(nèi)圓筒、錐形筒。錐形筒。 h=D/2 B=D/4 D1=D/2 H1=2D H2=2D S1=D/8 D2D/4含塵氣體清潔氣體排氣管排塵BB(1)、旋風(fēng)分離器的構(gòu)造和操作、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1520m/s的速度沿切線(xiàn)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)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)）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)，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)。是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離