非均相分離講稿

1、第三章 非均相分離有相界面的混和物稱為非均相物質(zhì)。懸浮液，乳濁液，泡沫液，含塵氣體，含霧氣體屬非均相物系。分散相（分散物質(zhì)）連續(xù)相（分散介質(zhì)）由于非均相介質(zhì)的物性不同，可通過機械方法分離。要分離就有相對運動，故其分離規(guī)律是借助于流體力學(xué)的規(guī)律，下面重點介紹沉降與過濾。第一節(jié)重力沉降1-1 沉降速度 一 自由沉降（假設(shè)：1.等速階段2.顆粒間不碰撞；3.器壁無干擾；4.球形顆粒） 二 阻力系數(shù)三個區(qū)域Stokes區(qū)（滯流區(qū)）（10-4Ret<1） Allen 區(qū)（過渡區(qū)）（1Ret<103） Nuwton（湍流區(qū)）（103Ret<2105） 沉降速度 Stokes區(qū) Allen

2、 區(qū) Nuwton區(qū) 三 、影響沉降速度的因素1） d的相互干擾2） 器壁影響3） 顆粒形狀 四、沉降速度的計算（一）試差法 ut （二）摩擦數(shù)群法 1.求ut Retut 2.求固定ut下能分離的顆粒直徑 Ret1-2 降塵室籍重力沉降從氣流中分離出塵粒的設(shè)備稱為降塵室 沉降時間 停留時間 要求 而所以生產(chǎn)能力V與高度無關(guān)，故為多層。隔板間距一般為40100mm，高度太大浪費，單位容積V小。高度太小，已沉降物質(zhì)會重新卷起，易干擾。u不能太大，保證層流。第二節(jié) 離心沉降2-1 ur 行能指標 1）離心分離因素 2）n 3)D 分離效果遠較重力沉降高度多2-2旋風(fēng)分離的操作原理a結(jié)構(gòu)標準旋風(fēng)分離

3、器尺寸特點各部分尺寸與分離器直徑成比例中心負壓，落灰斗要嚴密。自身無動力裝置，但要求ui達到1025m/s。分離大于5mm的微粒，大于200mm一般先沉降，小于3mm用袋濾器。b性能參數(shù)假設(shè)（1）處處為ui =uT（2）穿過整個B；（3）滯流自由沉降 （4）R取平均半徑Rm。1)dC 推導(dǎo)：停留時間 沉降時間 停留時間沉降時間 推得2）分離效率：粒級效率 直徑為d的顆粒能被分離的理論效率 總效率 解釋：為何部分小于dc得顆粒能分離，又有部分大于的顆粒不能被分離。小于臨界直徑的顆粒被分離的原因是小顆粒在器內(nèi)結(jié)成了大顆粒，或碰撞加速沉降所致。大于臨界直徑的顆粒：碰撞減慢了速度或沉降后又重新被卷起，

4、導(dǎo)致不能被分離。3）壓力降 8.0 5002000 kPa思考：旋風(fēng)分離器串并聯(lián)在何時采用，如何組合更合理。考慮問題的基本思路是使分離效率高（dc盡量小，），同時要考慮實際操作的壓降盡量小。選擇題：一旋風(fēng)分離器的分離效果不夠滿意，有人提出以下建議，你認為哪個建議較合理 。（江南大學(xué)07年）A與另一相同旋風(fēng)分離器并聯(lián)使用；B與另一相同旋風(fēng)分離器串聯(lián)使用；C與另一小尺寸的旋風(fēng)分離器串聯(lián)使用；D在現(xiàn)有旋風(fēng)分離器的后面串聯(lián)一對小尺寸的旋風(fēng)分離器并聯(lián)而成的分離器。分析：A不行，并聯(lián)相同的旋風(fēng)分離，則總壓差不變，并聯(lián)后，風(fēng)速減少一半，分離效果變差；B有一定的效果，但理論上說臨界顆粒直徑無變化，而且動力消耗

5、增加了；C因直徑變小，為保證處理量，要求提高速度，分離效果提高，但同時消耗更多動力，一般壓差消耗是額定的，這種情況壓差和處理量不能同時兼顧；D比較而言最可行，能滿足氣量要求，動力消耗增加不大，因為尺寸小，沉降距離B小，分離效果提高，材料消耗也少。第三節(jié) 過濾3-1過濾操作的基本概念1過濾原理l濾餅濾液過濾介質(zhì)1）定義：過濾操作是利用重力或人為造成的壓差使懸浮液通過某種多孔性過濾介質(zhì)，懸浮液中的固體顆粒被截留，濾液則穿過介質(zhì)流出。2）過濾方式 a.餅層過濾（表面過濾）：(1) 定義: 若懸浮液中固體顆粒的體積百分數(shù)大于1%，則過濾過程中在過濾介質(zhì)表面會形成固體顆粒的濾餅層，這種過濾操作稱為餅層過

6、濾。(2) 特點:顆粒會在孔道內(nèi)很快發(fā)生“架橋”現(xiàn)象，并開始形成濾餅層，起到過濾介質(zhì)作用，濾液由渾濁變?yōu)榍宄骸?3)小結(jié): 在餅層過濾中，真正起截留顆粒作用的是濾餅層而不是過濾介質(zhì)，在餅層過濾過程中，濾餅會不斷增厚。過濾的阻力隨之增加，在推動力不變下，過濾速度會愈來愈小。b.深層過濾(1) 定義: 懸浮于液體中的固體顆粒截留在床層內(nèi)部且過濾介質(zhì)表面不生成濾餅的過濾稱為深層過濾。(2) 適用范圍: 深層過濾適用于浮液中固體顆粒的體積百分數(shù)小于0.1%，且固體顆粒粒徑較小的場合。(3)特點: 深層過濾中，由于懸浮液的粒子直徑小于床會孔道直徑，所以粒子隨著液體一起流入床層內(nèi)的曲折通道，在穿過此曲折通

7、道時，因分子間力和靜電作用力的作用，使懸浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留。過濾介質(zhì)表面不生成濾餅，且整個過濾過程中過濾阻力不變。3)過濾推動力 常壓、加壓、真空、離心2.過濾介質(zhì)1）織物介質(zhì)：又稱濾布，它由棉、毛、絲、麻等天然纖維及由各種合成纖維制成的織物，以及由玻璃絲、金屬絲等織成的網(wǎng)。2）粒狀介質(zhì)：包括細紗、木炭、石棉、硅藻土等細小堅硬的顆粒狀物質(zhì)，多用于深床過濾。3）多孔道固體介質(zhì)：它是具有很多微細孔道的固體材料，如多孔陶瓷，多孔塑料及多孔金屬制成的板式管。4）膜分離3.濾餅：濾餅是由被截留下來的顆粒壘積而成的固定床層，隨著過濾操作的進行，濾餅的厚度與流動阻力都逐漸增加；1）不可壓縮性濾餅

8、：顆粒結(jié)構(gòu)不隨操作壓差的改變而變；如硅藻土，碳酸鈣等。2）可壓縮性濾餅：濾餅空隙率隨操作壓差的增大而變??；如Al(OH)3等。4.助濾劑：對于可壓縮性濾餅，壓差增加時，餅層顆粒間的孔道會變窄，有時會因顆粒過于細密而將通道堵塞，為了避免此種情況，可將某種質(zhì)地堅硬且能形成疏松床層的另一種固體顆粒預(yù)先涂于過濾介質(zhì)上，或者混入懸浮液中，以形成較為疏松的濾餅，使濾液得以暢流，這種物質(zhì)稱為助濾劑，如硅藻土等。5.過濾過程的特點：a.過濾床層的非穩(wěn)定性b. 過濾床層的流動為滯流3-2流體通過濾餅固定床的壓降1.床層的空襲a.空隙率 b.床層的各向同性c.床層的比表面積ab：單位體積床層中具有的顆粒表面積m2

9、/m3。aba（1）單個球形顆粒比表面積為a=d2/(1/6d3)=6/d2.濾餅層的簡化模型1）床層的簡化物理模型ledel過濾過程物理模型假設(shè)：(1)細管的內(nèi)表面積等于床層顆粒的全部表面；(2)細管的全部流動空間等于顆粒床層的空隙容積。以1m3床層體積為基準簡化物理模型結(jié)論：流體通過固定床的壓降相當于流體通過一組當量直徑為de，長度為Le的細管的壓降。影響床層壓降的變量有三類：a) 操作變量u； b) 流體物性和； c) 床層特性和a最重要是空隙率，當由0.5變?yōu)?.4時，壓降升高2.8倍；2)流體壓降的數(shù)學(xué)模型u1與u的區(qū)別：3)模型的檢驗和模型參數(shù)的估值 Kozeny方程：當Re<

10、;2時 K=5，實驗誤差小于5%，較好驗證了模型Ergun方程：（在較寬的Re范圍內(nèi)獲得如下的關(guān)聯(lián)式）其實驗范圍為Re=1/6（12500)。當Re<20/6時，等式右方第二項可以略去，當Re>100時，右方第一項可以略去。Ergun方程在固定床、流化床、氣力輸送領(lǐng)域內(nèi)是重要理論基礎(chǔ)。3.因次分析法和數(shù)學(xué)模型法的比較數(shù)學(xué)模型法：緊緊抓住過程的特征和研究的目的，對具體問題作合理簡化，建立一個不失真的物理模型而又可用數(shù)學(xué)方程式表示，通過實驗測定模型參數(shù)。1.將復(fù)雜的真實過程簡化成易于用數(shù)學(xué)方程式描述的物理模型；2.對所得到的物理模型進行數(shù)學(xué)描述即建立數(shù)學(xué)模型：3.通過實驗對數(shù)學(xué)模型的合

11、理性進行檢驗并測定模型參數(shù)。數(shù)學(xué)模型法關(guān)鍵是建立物理模型。因次分析法：找出對過程產(chǎn)生重要影響的全部因素，通過無因次化減少變量數(shù)目，減少實驗次數(shù)，通過實驗求取無因次化變量的函數(shù)關(guān)系。1.列出影響過程的主要因素，2.通過無因次化減少變量數(shù)目；3.通過實驗求取無因次化變量的函數(shù)關(guān)系。因次分析法關(guān)鍵是確定過程的影響因素。3-3過濾基本方程式一、方程的導(dǎo)出在流速較小（Re<2）時Kozeny方程：定義： 則 定義：懸浮液比濃度 ： 故： 則 定義：濾餅的比阻r（1/m2） pcppc為通過濾餅床層的壓降，壓差測定常常是測量濾餅床層和過濾介質(zhì)的總壓差，解決這個問題常常引入“濾餅當量體積Ve”的定義定

12、義：濾餅當量體積Ve ：與過濾介質(zhì)阻力相當?shù)臑V餅層體積；穩(wěn)定過濾過程流體流經(jīng)過濾餅層速率與流經(jīng)過濾介質(zhì)層速率相當，且等于總速率，由合比定律得： 考慮濾餅可壓縮性 r=r0(p)s對一定的懸浮液，r0、v、不變，定義 （1）作業(yè)P.204第8題令K=2k(p)1-s （2）令 or （3）r0單位壓差下濾餅比阻(1/m2)，s可壓縮性指數(shù)，不可壓縮濾餅s=0；k只與濾漿性質(zhì)有關(guān)，如, ,v, r0,不受操作條件限制，而 K與物性和操作壓力有關(guān)。（1）（2）（3）該式是過濾的靈魂。 二、討論：1）恒壓過濾K為常數(shù)V1=0, =0V=V, =V2+2VeV=KA2q2+2qeq=K2)初始階段已有濾

13、餅的過濾=0 ,V0=V0,=0+¹,V=V0+V¹則(V+ V0)2+2Ve(V¹+V0)-(V02+2VeV0)=KAV¹2+2(Ve+V0) V¹= KA23)恒速過濾4）先恒速后恒壓（K是變數(shù)，終了時K為K'）V22+2(Ve+V1) V2= K' A225) K的測定由基本方程，在一定的p下及6) r、s的測定 由第5）點討論得到一個K值，改變p測定得不同的Ki值，由K=2k(p)1-s求對數(shù)，作直線即可求k、r、s等參數(shù)。7）介質(zhì)阻力qe=0時的恒壓過濾 q2=K8)當量時間：qe2=Ke,3-3過濾機械一、板框過濾

14、機（參閱多媒體）1.基本結(jié)構(gòu)：板、濾布、框、壓緊裝置；若干板，框交替排列，板，框都用支耳架在一對橫梁上，用壓緊裝置壓緊或拉開。濾板結(jié)構(gòu)：凹凸紋路作用支撐濾布，提供濾液或洗滌液的流道。分為洗滌板和非洗滌板兩種。濾框結(jié)構(gòu)：有供料漿通過的暗孔，料漿在壓差的推動下籍框兩側(cè)覆蓋的濾布進行過濾分離。2.明流、暗流的區(qū)別：明流每塊板上濾液流出；暗流每塊板上濾液匯合在一起形成通道一起流出。3.過濾通道、洗滌（橫穿洗滌、置換洗滌）通道的區(qū)別：4.過濾面積與洗滌面積的區(qū)別：過濾面積S=2ab； 橫穿洗滌面積S洗=ab；5.過濾終了速率與洗滌速率間的區(qū)別：過濾時一個濾框提供兩側(cè)過濾面積，洗滌時若恒壓洗滌的壓差與過濾

15、終了時的壓差相等，洗滌液粘度與濾液粘度相同，由于洗滌液通過框內(nèi)兩層濾餅和兩層濾布，洗滌阻力為過濾終了時的阻力的一倍，且洗滌面積為過濾面積之半，故洗滌速率為過濾終了時的速率的1/4。6.型號代碼的含義：7.操作特點：間歇操作二、葉式過濾機基本結(jié)構(gòu)：由多個帶孔的方形金屬或絲網(wǎng)濾葉外加濾布組成。三、轉(zhuǎn)鼓真空過濾機（參閱多媒體） 基本結(jié)構(gòu)與工作原理：轉(zhuǎn)筒真空過濾機是連續(xù)過濾操作設(shè)備，過濾，洗滌，卸餅連續(xù)進行。3-4過濾計算一、濾餅洗滌時間的計算a）葉濾機：洗滌為置換通道根據(jù)速率定義：r,v與過濾相同，若P、f（洗液）、A與過濾終了時相同，則洗滌速率就等于過濾終了時的速率。若PW=PE ,W=液 :b）

16、板框機: 洗滌為橫穿通道LW=2LE AE=2AW若PW=PE ,W=液 ：若PWPE ,W液 ：二、過濾機的能力Q (m3/h)a .間歇過濾機注意：最大生產(chǎn)能力的計算，當F一定時,V2+2VeV =KA2F 時，生產(chǎn)能力最大，是由dQ/dF=0求得的F為最佳過濾時間。特例：Qe=0時，最大生產(chǎn)能力應(yīng)滿足F=D+Wb.連續(xù)轉(zhuǎn)筒真空過濾機考慮的方程完全與板框過濾相同，關(guān)鍵是其基準都是轉(zhuǎn)一圈，用時60/n 秒，因為浸沒度為，則一圈中真正用于過濾的時間為/n秒，故轉(zhuǎn)一圈濾液量為（恒壓操作）：V2+2VeV=KA2(60/n) 所以: 自然生產(chǎn)能力Q=60nV(m3/h)作業(yè)P.204第11、12.

17、13、14題，15題選做 例題1擬用板框壓濾機恒壓過濾含CaCO38%(質(zhì)量)的水懸浮液2m3，每立方米濾餅中含固體1000kg，CaCO3的密度為2800kg/m3，試求：1）現(xiàn)有560×560×50mm規(guī)格的板框，問至少需要多少只框？2）若過濾常數(shù)0.162m3/h，過濾介質(zhì)阻力不計，充滿這些框過濾需用時間為多少min？3）若過濾常數(shù)0.162m3/h，過濾介質(zhì)阻力不計，用上述這些框過濾需用時間為20min，則濾液量為多少？Solu: (1)過濾面積 Sn×0.56×0.56×2（m2）=0.6272n（m2）基準1 m3濾餅濾餅中CaCO

18、3為1000kg，CaCO3體積為1000/2800=0.35714（m3）則濾餅中水體積為1-0.35714=0.64286（m3）所需的原懸浮液量為1000/0.08=12500（kg）其中水質(zhì)量為12500-1000=11500 （kg），體積為11.5（m3）懸浮液量體積為0.35714+11.5=11.85714（m3）注：則2 m3懸浮液具有的濾餅體積為（2/11.85714）´1=0.16867（m3）充滿框時的濾餅體積 V餅0.562×0.05n（m3）框充滿時，有 1000×0.01568n=0.16867（kg）n=10.8,取11塊(2) 每個框的過濾面積=2ab=2×056×0.56=0.6272（m2）2 m3的懸浮液得到的濾液體積V恒壓過濾，V2KA2(3) VA(K)0.50.6272×11×(0.162×20/60)0.5=1.054 （m3）2.用過濾面積為10m2的板框過濾機過濾某種懸浮液，操作壓力為2atm（表壓），過濾15min，共得濾液2.91m3，濾餅不可壓縮，介質(zhì)阻力忽略不計，該過濾機的生產(chǎn)能力為4.8m3/h。試求：（1）