【學(xué)習(xí)課件】第三章非均相物系的分離

1、第三章 非均相混合物的分離3.1 概述1 混合物的分類均相混合物(物系)：物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻，無相界面。 例：混合氣體、溶液。非均相混合物(物系)：物系內(nèi)部有隔開的相界面存在，而在相界面 兩側(cè)的物料性質(zhì)截然不同的物系。例：含塵 氣體、懸浮液、乳濁液、泡沫液。非均相物系 分散相(分散物質(zhì))：處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。氣體中 塵粒、懸浮液中的顆粒、乳濁液中的液滴。 連續(xù)相(分散介質(zhì))：包圍著分散相，處于連續(xù)狀態(tài)的 物質(zhì)。含塵氣體中的氣體、懸浮液中的液體。編輯ppt均相混合物的分離：吸收、蒸餾。2 非均相混合物的分離方法非均相混合物的分離：利用分散相、連續(xù)相物理性質(zhì)不同(不同)機(jī)械方法 沉降、過濾。

2、 顆粒相對流體（靜止或運(yùn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)懸浮液物系的分離的過程稱為沉降分離。 流體相對于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過程稱為過濾。（分離液、固混合物）編輯ppt編輯ppt編輯ppt3 非均相混合物分離的目的：回收分散物質(zhì)（氣流干燥器，催化反應(yīng)器）凈制分散介質(zhì)（催化反應(yīng)保證催化劑的活性）勞動(dòng)保護(hù)和環(huán)保的需要。 3.2 顆粒及顆粒床層的特性3.2.1 顆粒的特性1 單一顆粒特性1）球形顆粒 （通常用直徑（粒徑）表示大小。）體積表面積比表面積編輯ppt2）非球形顆粒（1）體積當(dāng)量直徑（令實(shí)際顆粒的體積等于當(dāng)量球形顆粒的體積）（2）形狀系數(shù)（球形度）表征顆粒的形狀與球形的差異程度。s顆粒的球形度，無

3、因次； S與實(shí)際顆粒體積相等的球形顆粒的表面積，m2；Sp實(shí)際顆粒的表面積，m2。 對于球形顆粒，s=1。顆粒形狀與球形的差異越大，球形度s越小。 編輯ppt3.2.2 顆粒床層的特性1 床層空隙率 影響空隙率的因素有顆粒的大小，形狀和粒徑分布等。球形度越小，空隙率越大。振動(dòng)也可改變空隙率。空隙率大，則流體通過床層的壓降小。2 床層的比表面積（單位床層體積具有的顆粒表面積）3.3 沉降分離沉降：在某種力(重力、離心力)作用下，利用連續(xù)相與分散相的密度差異，使之發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)而分離的操作。（分離氣、固混合物）a-顆粒的比表面積編輯ppt3.3.1 重力沉降重力沉降：由地球引力(重力)作用而發(fā)生的沉

4、降過程。1 沉降速度1) 球形顆粒的自由沉降 (重力，向下)(浮力，向上) (阻力，向上)編輯ppt當(dāng)u增加到某一定數(shù)值時(shí)，F(xiàn)g、Fb、Fd達(dá)平衡，即F=0，a=0，顆粒開始作勻速沉降運(yùn)動(dòng)，此時(shí)顆粒相對于流體的運(yùn)動(dòng)速度稱為顆粒的自由沉降速度，用ut表示。 層流區(qū)或斯托克斯區(qū) 過渡區(qū)或艾倫區(qū) 湍流區(qū)或牛頓區(qū) 2） 阻力系數(shù)編輯ppt（1）層流區(qū)： （非常重要）稱斯托克斯公式 （2）過渡區(qū)： 又稱艾倫公式 （3）湍流區(qū)： 又稱牛頓公式 由于沉降操作涉及的顆粒直徑都較小，沉降通常處于層流區(qū)，因此斯托克斯公式應(yīng)用較多。 編輯ppt3）影響沉降速度的因素 （1）干擾沉降當(dāng)流體中顆粒濃度較大時(shí)，顆粒沉降時(shí)

5、彼此影響，這種沉降稱為干擾沉降。干擾沉降的速度比自由沉降要小。 （2）壁面效應(yīng)當(dāng)顆粒在靠近器壁的位置沉降時(shí)，由于器壁的影響，其沉降速度較自由沉降速度小，這種影響稱為壁面效應(yīng)。（3）顆粒形狀的影響顆粒的球形度越小，同一雷諾數(shù)下的阻力系數(shù)越大。P145圖3-2 編輯ppt4）沉降速度ut 的計(jì)算（步驟）：（1）假設(shè)沉降屬于某一流型（例如層流區(qū)） ；（2）選用相應(yīng)公式計(jì)算ut ；（3）用ut計(jì)算Ret，檢驗(yàn)是否在原假設(shè)的流型區(qū)域內(nèi)。 例3-1 已知固體顆粒的密度為2600kg/m3，大氣壓強(qiáng)為1.013105Pa，試求直徑為30m的球形顆粒在30大氣中的自由沉降速度。解 由附錄查取，30，1atm下

6、空氣的物性參數(shù)密度 =1.165kg/m3；粘度 =1.8610-5Pas假設(shè)沉降處于層流區(qū) 校核 與假設(shè)相符，計(jì)算結(jié)果有效 編輯ppt2 重力沉降設(shè)備1 ）降塵室： 降塵室利用重力沉降從含塵氣體中分離出塵粒的設(shè)備。降塵室的作用：用作預(yù)分離器，分離粒徑大于75m的顆粒。編輯ppt降塵室的長為L，寬度為b，高度為H，含塵氣體通過降塵室的體積流量（降塵室的生產(chǎn)能力）為Vs 顆粒在降塵室中沉降到底所需時(shí)間顆粒在降塵室中的停留時(shí)間為顆粒被分離的條件為 或降塵室的生產(chǎn)能力Vs僅與其底面積Lb及顆粒的沉降速度ut有關(guān) ，而與降塵室的高度H無關(guān)。 編輯ppt若降塵室內(nèi)設(shè)置n層水平隔板，則層數(shù)為N=n+1，生

7、產(chǎn)能力為保證氣體流動(dòng)處于層流區(qū)，以免干擾顆粒沉降編輯ppt若在各種顆粒中，有一種顆粒剛好滿足=t的條件，此粒徑稱為降塵室能100除去的最小粒徑，稱為臨界粒徑，用dpc表示。當(dāng)沉降處于層流區(qū)時(shí) 例3-2 ：在底面積為40m2的降塵室中回收氣流中的固體顆粒，氣體流量為3600m3/h、固體密度為2650 kg/m3、氣流為40的空氣，試求理論上能被完全除去的最小顆粒直徑。40時(shí)空氣的密度為1.128kg/m3,粘度為1.9110-5PaS。編輯ppt例3-3 降塵室總高4m、寬1.7m、長4.55m，中間等高水平安裝39塊隔板，每小時(shí)通過降塵室的含塵氣體為2000 m3，氣體的密度為1.6kg/m

8、3（均標(biāo)況），氣體溫度為400，壓力為101.3kPa，此時(shí)粘度為310-5Pas，粉塵的密度為3700kg/m3。試求：（1）此降塵室能分離的最小塵粒的直徑；（2）除去6m顆粒的百分率。P151例3-32） 沉降槽 沉降槽是利用重力沉降來分離懸浮液，并得到澄清液體的設(shè)備。沉降槽又稱增稠器或澄清槽，可間歇操作也可連續(xù)操作。間歇沉降槽通常是帶有錐底的圓槽，需要處理的懸浮液在槽內(nèi)靜置足夠時(shí)間后，增濃的沉渣由槽底排出，清液則由槽上部排出管排出。編輯ppt連續(xù)沉降槽的直徑從幾米到數(shù)十米，高度一般2.5米至4米，為了節(jié)省占地面積，可將幾個(gè)沉降槽疊在一起構(gòu)成多層沉降槽。編輯ppt 3.3.2 離心沉降離心

9、沉降：依靠離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過程。1 慣性離心力作用下的沉降速度液體：、的液體；球形顆粒：s 、d 、m設(shè)顆粒與圓心的距離為r，角速度為，切向度為uT 徑向向外 徑向向內(nèi) 徑向向內(nèi)ur距中心r處的顆粒在徑向上相對于流體的運(yùn)動(dòng)速度 編輯ppt當(dāng)Fc、Fb、Fd三力達(dá)到平衡，有說明：1、ur 與 旋轉(zhuǎn)半徑R 有關(guān) 2、ur 方向向下 3、衡量離心分離性能的指標(biāo)離心分離因數(shù)： 編輯pptKc是粒子所在位置上的慣性離心力場強(qiáng)度與重力場強(qiáng)度之比 。例如旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4m，切向速度為uT=20m/s，分離因數(shù)為表明顆粒在上述條件下的離心沉降速度是重力沉降速度的102倍 離心沉降一般處理直徑小于50

10、m的顆粒。 Kc 50000 超高速離心機(jī)最新式的離心機(jī)其Kc值可高達(dá)500000以上，用來分離膠體物料及破壞乳狀液。編輯ppt2 旋風(fēng)分離器的操作原理旋風(fēng)分離器：利用慣性離心力作用，凈制氣體的設(shè)備.結(jié)構(gòu)與操作原理結(jié)構(gòu)：各部分尺寸均與圓筒直徑成比例。操作原理外旋流：下行的螺旋形氣流。外旋流的上部是主要除塵區(qū)內(nèi)旋流：上行的螺旋形氣流。內(nèi)、外旋流氣體的旋轉(zhuǎn)方向相同。旋風(fēng)分離器應(yīng)用：用于除去5m以上的顆粒。編輯ppt編輯ppt 操作特點(diǎn)：入口速度1520m/s除去直徑5m以上的顆粒，200m以上的用重力沉降法除去，（減少器壁的磨損），不適用于處理粘性大、含濕量高、 腐蝕性較強(qiáng)的粉塵。 3 旋風(fēng)分離器

11、的性能1）臨界粒徑臨界粒徑即是指理論上能夠完全被旋風(fēng)分離器分離下來的最小顆粒直徑。臨界粒徑越小，旋風(fēng)分離器的分離性能越好。2）壓力降氣體通過旋風(fēng)分離器而引起的磨擦損失稱為氣體通過旋風(fēng)分離器的壓力降。 編輯ppt3）分離效率旋風(fēng)分離器的分離效率有兩種表示方法，一是總效率，以o表示；二是粒級效率，以i表示。P157總效率是指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的全部顆粒中被分離下來的顆粒的質(zhì)量分率 粒級效率是指進(jìn)入旋風(fēng)分離器的直徑為di的顆粒被分離下來的顆粒的質(zhì)量分率 4 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從懸浮液中分離固體顆粒的設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)與操作原理與旋風(fēng)分離器類似。編輯ppt3.4 過濾3.

12、4.1 過濾操作的基本概念過濾：以某種多孔性物質(zhì)為介質(zhì)，在外力作用下，使懸浮液中的液 體通過介質(zhì)的孔道，而固體顆粒被截留在介質(zhì)上，從而實(shí)現(xiàn)懸 浮液中固液分離的操作。過濾介質(zhì)：過濾操作采用 的多孔物質(zhì)濾漿或料漿：所處理的懸浮液濾液：通過介質(zhì)孔道的液體濾餅或?yàn)V渣：被介質(zhì)截留的 固體顆粒層編輯ppt1. 過濾方式過濾可分為餅層過濾（也稱表面過濾）和深床過濾。餅層過濾：懸浮液置于過濾介質(zhì)的一側(cè)， 過濾介質(zhì)常采用的是多孔性織物， 會(huì)發(fā)生“架橋”現(xiàn)象 濾餅是有效的過濾介質(zhì)深床過濾：采用砂子等堆積介質(zhì)作為過濾介質(zhì) 顆?？快o電與表面力附著其上。深床過濾常用于顆粒濃度?。w積分率0.1%）的場合。 2. 過濾介

13、質(zhì)過濾介質(zhì)：濾餅的支承物，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，穩(wěn)定的物理化學(xué) 性質(zhì)，相應(yīng)的耐腐蝕性和耐熱性。（1）織物介質(zhì)（2）堆積介質(zhì)（3）多孔固體介質(zhì)編輯ppt3. 濾餅的壓縮性和助濾劑不可壓縮性濾餅：懸浮液中的顆粒具有一定的剛性，所形成的濾餅不受操作壓差的增大而變形。可壓縮性濾餅：懸浮液中顆粒比較軟，所形成的濾餅在壓差的作用下變形，使濾餅中流動(dòng)通道變小，阻力增大。助濾劑：是一些不可壓縮的粒狀或纖維狀固體 。助濾劑的作用：改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu)，提高剛性，增加空隙，減少流動(dòng)阻力。加入助濾劑方法，（1) 用助濾劑配成懸浮液，在正式過濾前用它進(jìn)行過濾。（2）將助濾劑混在濾漿中一起過濾。 編輯ppt4. 過濾過程的推動(dòng)力過

14、濾過程的推動(dòng)力可以是重力、離心力或壓力差。重力過濾：依靠重力為推動(dòng)力的過濾稱為重力過濾。 過濾速度慢，僅適用于小規(guī)模、大顆粒、含量少的懸浮液。離心過濾：以離心力作為推動(dòng)力。 過濾速度快，但設(shè)備投資、動(dòng)力消耗相對較大，多用于 顆粒濃度高的懸浮液。壓差過濾：人為地在濾餅上游和濾液出口間造成壓力差，并以此壓 力差為推動(dòng)力 減壓過濾（真空過濾） 加壓過濾過濾操作周期：過濾、洗滌、卸渣、復(fù)原等基本環(huán)節(jié)組成。編輯ppt3.4.2 過濾基本方程式過濾速率：單位時(shí)間內(nèi)獲得的濾液體積，m3/s。 dV/d過濾速度：單位時(shí)間內(nèi)單位過濾面積上獲得的濾液體積，m/s。 dV/Ad 過濾基本方程式：描述濾液量V隨著過濾

15、時(shí)間的變化關(guān)系，用來計(jì)算一定過濾時(shí)間所獲得濾液或?yàn)V餅量。 過濾操作特點(diǎn)：濾餅厚度，阻力 若P=const dV/d 。 如果使dV/d =const ， P必須 以克服逐漸增大的過濾阻力。 過濾推動(dòng)力就是壓力差 P=Pc+Pm編輯pptr比例系數(shù)，稱為濾餅的比阻，1/m2；其大小隨著濾漿的性質(zhì)、操作條件等而改變，反映了濾餅的結(jié)構(gòu)特征，一般由實(shí)驗(yàn)測定。v濾餅體積與相應(yīng)的濾液體積之比，m3/m3。Ve過濾介質(zhì)當(dāng)量濾液體積，或稱虛擬濾液體積，m3 3.4.3 恒壓過濾1恒壓過濾方程式 Pconst，隨著濾餅的增厚，過濾阻力，過濾速率 過濾基本方程式s ：壓縮指數(shù) 不可壓縮濾餅 s =0 可壓縮濾餅

16、s0 (0-1)編輯ppt對于一定的懸浮液，若濾餅不可壓縮， const 過濾時(shí)間 濾液體積 編輯ppt 稱為恒壓過濾方程式，它表明恒壓過濾時(shí)濾液體積與過濾時(shí)間的關(guān)系為拋物線方程。過濾常數(shù)：e（s）：當(dāng)量過濾時(shí)間Ve（ m3 ）：當(dāng)量濾液量qe（ m3/m2 ）：當(dāng)量濾液量 K （ m2/s）：過濾常數(shù)編輯ppt例3-3 實(shí)驗(yàn)室用葉濾機(jī)對某種懸浮液進(jìn)行恒壓過濾，已測得過濾面積為0.2m2，操作壓差為0.15MPa?，F(xiàn)測得，當(dāng)過濾進(jìn)行到10min時(shí)，共得到濾液0.002m3，又過濾10min，再得到濾液0.001m3。試求 ： （1）恒壓過濾的基本方程式；（2）再過濾10min，又能得到多少m3

17、的濾液？編輯ppt 3.4.5 過濾常數(shù)測定1、過濾常數(shù)e、Ve、qe、K實(shí)驗(yàn)測定在小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，在相同條件下，用一種物料進(jìn)行測定，這樣，就可以應(yīng)用到工業(yè)過濾過程的計(jì)算。 編輯ppt問題：p 與過濾常數(shù) K 的關(guān)系不可壓縮濾餅 可壓縮濾餅：2、實(shí)驗(yàn)測 s 編輯ppt3.4.6 過濾設(shè)備按操作方式：連續(xù)式和間歇式兩大類按照產(chǎn)生壓差的方式不同：壓濾機(jī)、吸濾機(jī)、離心過濾機(jī)。1. 板框壓濾機(jī) 由多塊帶有凸凹紋路的濾板和濾框交替排列而成，用支架架在橫梁上，用壓緊裝置壓緊。 過濾板為一鈕，框?yàn)槎o，洗滌板為三鈕。明流：若濾液經(jīng)由每塊濾板底部側(cè)管直接排出暗流：將各板流出的濾液匯集于總管排出編輯ppt過濾時(shí)

18、，濾漿在操作壓力下由濾漿通道由濾框角端的暗孔進(jìn)入框內(nèi)濾液分別橫穿過編輯ppt如果濾餅需要洗滌，將洗滌水壓入到洗水通道，經(jīng)由洗滌板角端的暗孔進(jìn)入板面與濾布之間。P179編輯ppt主要部件：濾框、濾板-洗滌板37 排列方式：濾板和濾框交替排列，個(gè)數(shù)可調(diào)。 操作方式：間歇操作 操作周期：裝合過濾洗滌卸渣整理 洗滌方式：橫穿洗滌法 優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，過濾面積大，可承受較大壓力 ； 缺點(diǎn)：勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作不連續(xù)。編輯ppt2. 加壓葉濾機(jī) 葉濾機(jī)屬于間歇式過濾機(jī)。由長方形或圓形的濾葉組成。濾葉由金屬絲網(wǎng)制成，覆以濾布，插入盛濾漿的密閉機(jī)殼內(nèi)，以便進(jìn)行加壓過濾。洗滌：洗滌時(shí)洗滌水所通過的路徑與過濾時(shí)濾液的路徑相同。洗滌后打開機(jī)殼上蓋，拔出濾葉卸除濾餅。濾漿編輯ppt主要部件：機(jī)殼，濾葉 操作方式：間歇操作 操作周期：過濾 洗滌 卸渣 洗滌方式：置換法 3 轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī) P1801、結(jié)構(gòu)和工作原理 主要部件：水平轉(zhuǎn)筒、分配頭 操作方式：恒壓、連續(xù)操作 操作